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Technische Universität Berlin Fachgebiet Elektromechanische Konstruktionen

Lehrveranstaltung Engineering Tools - Bachelor LabVIEW-Skript

Es versteht sich im Sinne der Urheberrechte, dass alle an Sie ausgeteilten und elektronisch versandten Dokumente nur für nicht-kommerzielle Zwecke im Rahmen Ihres Studiums verwendet werden dürfen. Des Weiteren ist die Vervielfältigung und/oder Weitergabe der Unterlagen untersagt.

Sommersemester 2021

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1 Übersicht zum Skript Das Skript dient der eigenständigen Einarbeitung in die LabVIEW-Entwicklungsumgebung und soll in einem Zeitraum von drei Wochen bearbeitet werden. Jedes Kapitel ist mit einer Wochenzahl versehen, wobei die Kapitel bereits in der Bearbeitungsreihenfolge, die für die Hausaufgaben sinnvoll ist angeordnet sind. Es wird ergänzt durch auf ISIS veröffentlichte Videos, die den praktischen Umgang mit der Software demonstrieren. Dabei sollte zunächst das Skript gelesen und dann die Videos an denen mit „Praxisbeispiel“ gekennzeichneten Stellen angeschaut werden.

2 Einsatz und Aufbau von LabVIEW (Woche 1) LabVIEW steht für Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench und ist eine Entwicklungsumgebung für Anwendungen der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik von National Instruments (NI), die einen Fokus auf Echtzeitanwendungen legt, die in der Regel unmittelbar Mess- und Steuerungshardware direkt ausliest oder steuert. Es handelt sich um eine grafische Entwicklungsumgebung, mit der jeder Aspekt einer Anwendung visuell dargestellt werden kann. Die visuelle Darstellung erleichtert die Integration von Messhardware, die Darstellung komplexer Logik zur Datenverarbeitung, die Entwicklung von Algorithmen zur Datenanalyse sowie den Entwurf anwendungsspezifischer Benutzeroberflächen. Ein LabVIEW-Programm wird als virtuelles Instrument (engl. Virtual Instrument, VI) bezeichnet, da sein Aussehen und seine Funktionalität sich an ein physisches Messgerät anlehnen ( s. Abb. 2-1). Dies bietet den Vorteil, dass für die an physischen Messgeräten geschulten Personen der Umstieg auf die Nutzung virtueller Instrumente/Messgeräte erleichtert wird.

Physisches Messgerät

Virtuelles Instrument

Abb. 2-1 Gegenüberstellung der Benutzeroberfläche eines physischen und eines virtuellen Digitalmultimeters

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Der Vorteil von LabVIEW ist, dass es die Funktionen einer Software zum Auslesen und Ansteuern von Hardware und der Analyse von erfassten Daten in einem Programm vereint. Dies kann am Beispiel einer Biegebalkenmessung mit Dehnungsmessstreifen (DMS), wie sie in der Grundlagenveranstaltung zur Messtechnik durchgeführt wird und in Abbildung Abb. 2-2 schematisch dargestellt ist, verdeutlicht werden. Bei einer Messung mit einem manuell zu bedienenden Digitalmultimeter (physisches Messinstrument) muss die Spannung für jeden Belastungsfall und für jede Messwiederholung manuell abgelesen und dokumentiert werden, was aufwendig und anfällig für Ablesefehler ist. Soll zusätzlich der Temperatureinfluss untersucht werden, muss der Biegebalken beheizt werden, beispielsweise über einen elektrischen Widerstand an den eine bestimmte elektrische Spannung (U heiz ) angelegt wird, welche ebenfalls manuell eingestellt werden muss. Dabei kann die Durchführung des Versuchs bei verschiedenen Experimentatoren in Details voneinander abweichen, beispielsweise schon durch Ungenauigkeiten bei der Einstellung der Heizspannung oder der Zeit, die der Experimentator zwischen dem Erhöhen der Heizspannung und dem Erfassen der Messspannung verstreichen lässt (stationärer Zustand erreicht?). Für die Verarbeitung der erfassten Messwerte, im Beispiel die Messspannungen, werden diese in der Regel in eine Software übertragen (bspw. Excel oder MATLAB) und dort ausgewertet, so würde im Beispiel aus den elektrischen Messspannungen die mechanische Spannung berechnet. Diese manuelle Übertragung erzeugt zusätzlichen Aufwand und eröffnet eine weitere Quelle für Fehler und Ungenauigkeiten.

Abb. 2-2 Biegebalkenmessung mit einem virtuellen Messgerät das auf einem Messrechner (PC) betrieben wird im Vergleich zur manuellen Messung mit einem externen Messgerät

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Schon bei diesem recht simplen Experiment kann sich der anfängliche Mehraufwand einer Messautomatisierung mit LabVIEW, sowohl bezüglich des Aufwands als auch der Qualität der Messergebnisse auszahlen. So werden durch eine automatisierte Erfassung der Messdaten und die Integration dieser mit der Auswertung menschliche Ablese- und Übertragungsfehler ausgeschlossen. Weiterhin kann die Ansteuerung der Heizung direkt in das LabVIEW-Programm integriert werden, da LabVIEW im Zusammenspiel mit geeigneter Hardware sowohl Messsignale aufnehmen als auch Steuersignale ausgeben kann. Mess- und Steuersignale können dabei mit Triggern zeitlich aufeinander abgestimmt werden, was beispielsweise bei der Messung von Phasenbeziehungen zwischen elektrischen Größen besonders relevant ist. Für die Messautomatisierung wird eine geeignete Anwendung in der LabVIEW-Umgebung erstellt und kann auf einem Standard-PC, nachfolgend als Messrechner bezeichnet, ausgeführt werden. Diese Anwendung stellt, wenn sie gut kommentiert ist, bereits eine Dokumentation des Vorgehens bei der Erfassung und Auswertung der Messwerte dar, was ein weiterer Vorteil einer automatisierten Messung ist. Zur Erfassung und Digitalisierung der Messspannung kann in unserem Beispiel nach wie vor ein Digitalmultimeter oder Digitaloszilloskop eingesetzt werden und beispielsweise über universelle Bussysteme, wie sie in Abbildung Abb. 2-3 zusammenfassend dargestellt sind, mit dem Messrechner verbunden werden. Verfügt das Messgerät nicht über eine A/D-Wandlung und gibt ein analoges Spannungssignal aus, welches proportional zur zu messenden Größe ist, wie in unserem Beispiel der DMS, oder ist die zu messende Größe selbst eine analoge Spannung, besteht die Möglichkeit diese analogen Signale über eine dedizierte A/DKarte zu digitalisieren und beispielsweise über eine USB-Schnittstelle an den Messrechner weiterzugeben. Ein Vorteil des Einsatzes einer solchen A/D-Karte ist, dass sie flexibel für verschiedenste Sensoren eingesetzt werden kann, die ein analoges Spannungssignal ausgeben. Dadurch werden mit geeigneten Sensoren Größen aus allen Domänen messbar ohne, dass für jeden Sensor eine eigene A/D- und Auswertungseinheit verbaut werden muss. Das an den Messrechner weitergeleitete Digitalsignal, kann in der LabVIEW-Software weiterverarbeitet werden (Filterung, Fast Fourier Transformation, Arithmetische Verknüpfung mit anderen Signalen). So kann bei der Biegebalkenmessung die mechanische Spannung aus der gemessenen elektrischen Spannung berechnet werden. Die Messsignale und beliebige Auswertungen dieser, können anschließend auf der graphischen Benutzeroberfläche angezeigt und auf dem Messrechner gespeichert werden.

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Abb. 2-3 Prinzipielle Möglichkeiten zur Übertragung von Messsignalen zischen Messgerät und LabVIEW ausführendem PC

Durch eine Bibliothek von typischen Bedienelementen ist der Entwurf der graphischen Benutzeroberflächen leicht zu erlernen und wird in der LabVIEW-Entwicklungsumgebung direkt mit der Logik, die zur Verarbeitung der Messwerte dient, verknüpft. Dazu wird jedes VI in zwei Ebenen programmiert, die beim Start von LabVIEW erscheinen: Frontpanel: Interaktive Benutzeroberfläche. Hier können beispielsweise Zahlen vorgegeben oder angezeigt werden (z. B. in Graphen und Diagrammen) sowie Knöpfe, Schieberegler betätigt werden. Blockdiagramm: Enthält die Programmlogik. Das Blockdiagramm ist das tatsächlich ausführbare Programm. Hier können beispielsweise arithmetische Funktionen, Ablaufstrukturen, Schleifen (for, while) durchgeführt werden.

Abb. 2-4

Beispiel eines einfachen LabVIEW VIs zur Addition und Subtraktion zweier Zahlen

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Die wesentlichen Bestandteile des Programms sind die Bedien- und Anzeigeelemente, die als Ein- oder Ausgabe dienen, sowie die Knoten als programmausführendes Element. In klassischen Programmen entspricht dies einem Operator (wie in diesem Beispiel ein Plus-Operator) oder einer Subroutine. An die Knoten werden Werte/Parameter (über Verbindungsdrähte) übergeben und andere Werte zurückgegeben. Beliebige Teile des Programms können als Unterprogramm (SubVI) gespeichert werden und mit einem neu gestalteten Symbol in ein Programm eingefügt werden. Das Frontpanel und das Blockdiagramm haben miteinander korrespondierende Anschlüsse, sodass Daten vom Anwender an das Programm übergeben werden können und umgekehrt. D. h. immer, wenn auf dem Frontpanel ein Ein- oder Ausgabeelement platziert wird, entsteht im Blockdiagramm ein dazu entsprechendes Element das die Daten auf dem Frontpanel eingegebenen Daten ausgibt bzw. die auf dem Frontpanel anzuzeigenden Daten aufnimmt. Im Blockdiagramm wird eine von NI als „G“ bezeichnete Programmiersprache eingesetzt, die durch die graphischen Elemente der Programmierung für Einsteiger zugänglicher sein soll als textbasierte Programmierung beispielsweise in der Sprache „C“. Analogien für LabVIEW-spezifische Ausdrücke LabVIEW

konventionelle Sprache

VI (Virtual Instrument)

(Haupt-) Programm

Funktion

Funktion

SubVI

Unterprogramm

Frontpanel (FP)

Benutzeroberfläche

Blockdiagramm (BD)

Sourcecode/Quelltext

3 Grundlegende Programmierung in LabVIEW (Woche 1) 3.1

Programmierumgebung

Alle Elemente (Bedienelemente, Anzeigeelemente, arithmetischer Knoten, etc.), die im Frontpanel (FP) oder Blockdiagramm (BD) verwendet werden, können aus den entsprechenden Paletten (Elementenpalette für das FP und Funktionenpalette für das BD) entnommen werden. Diese befinden sich der oberen Menüleiste unter Ansicht >> Elementenpalette oder Ansicht >> Funktionenpalette. Die Elementenpalette enthält sämtliche Elemente, die zur Bedienung und interaktiven Steuerung des Programms notwendig sind (Zahleneingaben, Schalter, Knöpfe, Graphen, etc.), während die Funktionenpalette alle Knoten zur Erstellung der Logik des Programms enthält (arithmetische und boolesche Funktionen, Schleifen, etc.). © Fachgebiet Elektromechanische Konstruktionen

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Beim Umschalten zwischen FP und BD ist nur die zugehörige Palette eingeblendet. Die Palette des inaktiven Fensters wird ausgeblendet. Wird ein Element ausgewählt, kann es nur in dem entsprechenden Fenster eingefügt werden.

Abb. 3-1 Elementen-, Funktionen- und Werkzeugpalette

In der Werkzeugpalette kann der Maus ihre Funktion zugeteilt werden. Die enthaltenen Werkzeuge sind vergleichbar mit den Werkzeugen eines Zeichenprogramms. Die Werkzeuge gelten sowohl im FP als auch im BD. So kann man beispielsweise auswählen, ob man Eingaben und Anzeigen bedienen (Hand), Objekte positionieren (Pfeil) oder beschriften (Buchstabe „A“) oder Knoten und Anschlüsse miteinander verbinden möchte (Rolle). Mit den Schaltflächen der Symbolleiste des Frontpanels können VIs ausgeführt oder bearbeitet werden. Die Funktionen der einzelnen Schaltflächen sind in Abbildung Abb. 3-2 zusammengefasst und die essentiellen Schaltflächen werden im nachfolgenden Programmierbeispiel erläutert. Eine ausführliche Beschreibung ihrer Funktionen findet sich in der Onlinehilfe.

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Abb. 3-3 Schaltflächen in den Symbolleisten des Frontpanels und des Blockdiagramms

Praxisbeispiel 1: Erste Schritte in LabVIEW 3.2

Datentypen

Bei der Programmierung mit LabVIEW ist auf die Verwendung korrekter Datentypen zu achten. Jedes Ein- und Ausgabeelement und die Verbindungen zwischen ihnen transportieren einen bestimmten Datentyp, der mit einer bestimmten Farbe codiert ist. Durch die Linienstärke wird die Dimension des Signals graphisch dargestellt. Eine Übersicht über die verschiedenen Datentypen ist in der untenstehenden Tabelle aufgeführt. Verbindungstyp

Skalar

1D-Array

2D-Array

Farbe

Numerisch

Orange (Fließkommazahl), Blau (Ganzzahl)

Boolesch

Grün

String

Rosa

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Praxisbeispiel 2: Datentypen 3.3

Erstellen von Formelknoten

Im Praxisbeispiel 1 haben wir gesehen, wie man einfache arithmetische Operationen graphisch programmieren kann. Wird die Formel jedoch komplexer, so wird sie in der graphischen Programmierweise auch schnell unübersichtlich. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Gleichung und deren graphische Umsetzung in LabVIEW.

Ergebnis= √

x2 - y 2

Abb. 3-4

Graphische Umsetzung einer Gleichung

Zur besseren Übersichtlichkeit können mathematische Funktionen auch in sogenannten Formelknoten programmiert werden. Der entsprechende Knoten kann im Blockdiagramm unter Funktionenpalette >> Programmierung >> Strukturen >> Formelknoten gefunden werden. Sobald der Formelknoten im BD eingefügt ist, können durch Klicken mit der rechten Maustaste auf den Rand der Formelbox Ein- oder Ausgänge erzeugt werden. Zur Formeleingabe muss in der Werkzeugpalette der Schreibmodus (Buchstabe „A“) aktiviert werden. Wichtig: im Formelknoten muss jede Anweisung mit einem Semikolon abgeschlossen werden! Die oben genannte Formel sieht dann folgendermaßen aus:

Abb. 3-5

3.4

Formelknoten

Erstellen von SubVIs

Im Sinne einer übersichtlichen Programmierung können beliebige Programmabschnitte als Unterprogramm (SubVI) zusammengefasst werden. Dieses VI wird dann durch ein Symbol oder einen Anschlussblock gekennzeichnet. Auf diese Weise kann das Programm übersichtlicher gestaltet werden und wiederkehrende Programmabschnitte durch wiederholtes Einfügen des SubVIs schnell erstellt werden. © Fachgebiet Elektromechanische Konstruktionen

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Wenn Sie das geöffnete VI als SubVI definieren wollen, müssen Sie alle gewünschten Anzeigeund Bedienelemente mit den Anschlüssen des Anschlussblocks mit Hilfe des Drahtrollenwerkzeugs zuordnend verbinden. Hierzu klicken Sie zunächst mit der rechten Maustaste auf das VI-Symbol in der rechten oberen Ecke des Frontpanels neben dem Hilfemenü und lassen sich die Anschlüsse anzeigen. Der dargestellte Anschlussblock besitzt beispielsweise drei Anschlüsse. In der Regel werden die Eingänge links und die Ausgänge rechts angeordnet. Die Anzahl der Anschlüsse kann über ein Klicken mit der rechten Maustaste und den dort aufgelisteten Befehlen auf maximal 24 Anschlüsse verändert werden. Anschließend werden die Eingänge des Anschlussblocks mit der Drahtrolle mit den Anzeigeund Bedienelementen verbunden. Hierzu klickt man mit der linken Maustaste auf den gewünschten Anschluss im VI-Anschlussblock und klickt anschließend mit der linken Maustaste auf das zuzuordnende Element des Frontpanels. Mit der rechten Maustaste kann der Vorgang abgeschlossen werden. Auf diese Weise werden nacheinander alle Anschlüsse zugeordnet. Die Farbe der zugeordneten Anschlüsse ändert sich bei diesem Vorgang je nach Datentyp des zugeordneten Elements. Zur Erstellung eines aussagekräftigen Icons betätigen Sie die rechte Maustaste auf dem Anschlussblock und gehen auf Symbol bearbeiten. Der Rest erklärt sich von selbst. Wichtig: Ein SubVI kann nicht in sich selber aufgerufen werden! Dem VI kann ein beschreibender Kommentar beigefügt werden (Datei >> VI-Einstellungen >> Dokumentation), der dann bei Aufruf der Kontext-Hilfe unterhalb des VI-Symbols erscheint. SubVIs können auch auf sehr einfache Weise über den Befehl Bearbeiten >> SubVI erstellen automatisch erzeugt werden. Hierzu muss der Bereich des Programms, der zu einem SubVI zusammengefasst werden soll markiert werden. LabVIEW erstellt dann automatisch ein Icon und ein Anschlussblock mit der entsprechenden Anzahl an Ein- und Ausgängen. Beim Beenden des Programms muss man darauf achten, das SubVI zu speichern (achten Sie auf die Abfrage nach Beendigung des Programms!). Um das Symbol nach Wunsch zu bearbeiten kann das SubVI geöffnet werden und das Symbol nach der oben beschriebenen Vorgehensweise verändert werden.

Praxisbeispiel 3: Umgang mit Formelknoten und SubVIs In diesem Praxisbeispiel werden wir ein VI umsetzen, das aus einer Temperatur in Grad Fahrenheit TF die Temperatur in Grad Celsius Tc berechnet und auf der VI-Oberfläche ausgibt. Die Formel für die Umrechnung lautet dabei:

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Tc 

TF  32 1,8

Anschließend werden wir dieses VI als SubVI einsetzen.

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A. Anhang I. Hilfe Eine nützliche Hilfe ist die Kontext-Hilfe. Über Hilfe >> Kontext-Hilfe anzeigen (oder Strg + H) kann ein Fenster geöffnet werden, dass nützliche Information des Knotens, der Verbindungslinie oder des VI’s anzeigt, über der sich gerade die Maus befindet. Über Hilfe >> Beispiele suchen... können anschauliche Beispiele zu VI’s, SubVI’s oder Knoten gesucht werden.

II. Fehlersuche und Debugging Fehlerliste Wenn das Programm aufgrund von Syntaxfehlern nicht lauffähig ist, erscheint auf dem Startknopf ein gebrochener Pfeil.

Abb. 5-6

Fehlerhafte Syntax: hier wurde ein numerischer Eingabe mit einer String Anzeige verbunden. Die gebrochene Verbindung und der gebrochene Pfeil deuten einen Fehler an

Ist der Fehler nicht sofort ersichtlich, kann der Fehler im Menü Fenster >> Fehlerliste (oder über die Tastenkombination Strg + L) angezeigt werden.

Abb. 5-7

Fehlerliste für Fehler aus Abbildung

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Einzelschrittmodus Durch klicken der Knopfes „Einzelschrittausführung starten“ wird das Programm im Einzelschrittmodus gestartet. Durch wiederholtes Klicken kann das Programm schrittweise durchlaufen werden.

Highlight - Funktion

Einzelschrittfunktion

Programmablauf Visualisieren „Highlight-Funktion“ Der Programmablauf lässt sich im Blockdiagramm mit Hilfe der Highlight-Funktion (aktiviert über die Glühbirne, die sich rechts von der Start-, Stopp- und Pausentaste befindet) visualisieren. Während Daten von einem Knoten zum anderen laufen, wird die Bewegung durch wandernde Blasen angezeigt. Die berechneten Werte an den Knoten werden automatisch angezeigt. Bei aktiver Highlight-Funktion ist der Programmablauf erheblich verlangsamt. Breakpoints Ist das Programm umfangreich, kann es lange in der Highlight-Funktion oder im Einzelschrittmodus lange dauern bis die eigentlich zu untersuchende Stelle des Programms an der Reihe ist. Daher kann das Programm alternativ dazu in normaler Geschwindigkeit ablaufen, bis es an einem zuvor eingefügten Breakpoint angelangt ist und in den Pausenmodus wechselt. Anschliessend kann das Programm im Einzelschrittmodus oder in der Highlight-Funktion ...