Einführung in LabVIEW

vonWolfgang Georgi, Ergun Metin

1. Auflage

Hanser München 2006

Verlag C.H. Beck im Internet:www.beck.de

ISBN 978 3 446 40400 7

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Einführung in LabVIEW

Wolfgang Georgi, Ergun Metin

ISBN 3-446-40400-7

Leseprobe

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1 Was ist LabVIEW?

Lernziel

Der Leser soll anhand eines sehr einfachen Beispiels einen ersten Eindruck von LabVIEW,

von der Idee der Datenflussprogrammierung und von den wichtigsten Programmierkon-

zepten gewinnen. Er kann einfache VIs von Beginn an entwickeln.

1.1 Entwicklungsstufen

Software wurde und wird unter verschiedenen Aspekten entwickelt. Bekannt sind Begriffe

wie 'strukturierte Programmierung', 'objektorientierte Programmierung' usw. In jüngerer

Zeit spielt die Prozessvisualisierung eine zunehmende Rolle.

Ursache ist die ständig komplizierter werdende Technik. Sie verlangt bessere Darstel-

lungsmöglichkeiten, damit der Anwender den Überblick nicht verliert. Man beschränkt

sich heute bei der Darstellung technischer Prozesse nicht mehr allein auf konventionelle

Anzeigeinstrumente, sondern stellt auch den Prozessablauf selbst auf dem Bildschirm

eines Rechners grafisch dar. Es geht um Anschaulichkeit. Die Füllstandsanzeige eines

Behälters wird z.B. nicht mehr nur durch ein analoges Manometer auf dem Bildschirm

dargestellt, sondern durch die Zeichnung des Kessels selbst, in dem bunt gefärbt die Flüs-

sigkeit auf- und absteigt. So kann auch der Laie erahnen, in welchem Zustand sich ein

technischer Prozess gerade befindet. Um die Programmierung solcher grafischen Oberflä-

chen mit anschaulichen und bewegten Bildern zu unterstützen, sind verschiedene Pro-

grammierwerkzeuge entwickelt worden.

Eines davon ist das Softwarepaket LabVIEW von National Instruments. LabVIEW ist die

Abkürzung von Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. Es ist Entwick-

lungsumgebung und grafische Programmiersprache zugleich.

Grafische Hilfsmittel in Papierform wie Programmablaufpläne oder Flussdiagramme gibt

es schon seit langem, doch 'Zeichnen auf dem Computer' wurde erst möglich, als die

Rechner hinreichend leistungsfähig und Bildschirme als Ausgabe- und Eingabegeräte mit

hoher Auflösung verfügbar wurden. Das geschah gegen Ende der 70er-Jahre. Zu der Zeit

hatten zwei der Gründer der Messtechnikfirma National Instruments, Jim Truchard und

Jeff Kodosky, die Idee, die Software zum Testen ihrer Messgeräte ähnlich wie diese selbst

zu strukturieren. Sie nannten einzelne Bausteine deshalb virtuelle Instrumente oder VIs,

16 1 Was ist LabVIEW?

eine Bezeichnung, die sich bis heute als Erweiterung eines jeden LabVIEW-Programms

erhalten hat. Eine andere Idee bestand darin, die Programmierung nicht, wie bisher üb-

lich, zeilenweise in Form von Anweisungen, genannt 'Statements', niederzuschreiben,

sondern als Funktionsblöcke in einem Blockdiagramm auf dem Bildschirm darzustellen.

Ganz so, wie man das auch früher schon mit Bleistift und Papier gemacht hatte.

Die Entwicklung der ersten lauffähigen LabVIEW-Version war eng geknüpft an das Auf-

kommen leistungsfähiger Personalcomputer, speziell des Macintosh von Apple. Anfang

der 80er-Jahre bot nur dieser PC die grafischen Voraussetzungen zur Realisierung der mit

LabVIEW verfolgten Ideen. Die erste LabVIEW-Version erschien 1986. Seitdem gab es

folgende Entwicklungsstufen:

• 1986: LabVIEW 1.0 für den Macintosh II

• 1988: LabVIEW 1.2

• 1990: LabVIEW 2.0

• August 1992: LabVIEW 2.5

• Juli 1993: LabVIEW 3.0

• April 1996: LabVIEW 4.0 (erst ab 1995 war Microsoft Windows so weit verbessert,

dass LabVIEW auch unter diesem Betriebssystem lauffähig wurde)

• April 1998: LabVIEW 5.0

• 2000: LabVIEW 6. (auch 'LabVIEW 6i' genannt)

• 2001: LabVIEW 6.1

• 2003: LabVIEW 7.0 (auch 'LabVIEW 7 Express' genannt)

• 2004: LabVIEW 7.1

• Herbst 2005: LabVIEW 8.0

LabVIEW hat sich in den letzten Jahren stark verbreitet. Gleichzeitig hat es sich von einer

anfangs messtechnisch orientierten Programmiersprache zu einer universellen Program-

miersprache entwickelt. National Instruments bietet LabVIEW inzwischen längst nicht

mehr nur für das Betriebssystem MacOS von Apple-Rechnern an, sondern für eine Fülle

anderer Systeme, von denen hier nur genannt seien:

• Concurrent PowerMAX

• Microsoft Windows NT, Windows 2000, Windows XP

• Betriebssystem von Sun-Workstations (Solaris)

• Linux und andere UNIX-Varianten

Die Aufzählung der verschiedenen Vorteile von LabVIEW sprengt den Rahmen dieses

Abschnitts. Nur so viel sei einleitend erwähnt:

Die Anbindung an gängige Programmiersprachen ist gegeben, damit ermöglicht Lab-

VIEW z.B. auch die Nutzung von C-Code.

Das Internet hat seit Mitte der 90er-Jahre größte Bedeutung erlangt. Konsequenterweise

verfügen die heutigen Versionen von LabVIEW über Module, welche die Anbindung ans

1.2 Was will dieses Lehrbuch? 17

Internet erleichtern und somit z.B. die Fernüberwachung von Maschinen und Anlagen

ermöglichen.

1.2 Was will dieses Lehrbuch?

Das vorliegende Lehrbuch führt in die Programmierung mit LabVIEW ein. Es setzt vor-

aus, dass der Leser die Beispiele und Übungen am PC durcharbeitet.

Die neueste Fassung von LabVIEW ist Version 8.0. Sie liegt diesem Buch als Studenten-

version auf CD bei.

Man kann aber davon ausgehen, dass derzeit noch viele Leser Zugang zu einem PC mit

der ausgereiften Version LabVIEW 7.1 haben, z.B., wenn sie Mitarbeiter einer Firma sind

und sich in die Behandlung messtechnischer Probleme mit LabVIEW einarbeiten müssen.

Aus diesem Grunde wird hier hauptsächlich die Version 7.1 beschrieben. Sie unterschei-

det sich in Bezug auf einführende Beispiele kaum von LabVIEW 8.0. Der Leser kann also

die vorgestellten Programme praktisch 1 : 1 auf seine Studentenversion übertragen und

ausführen. Außerdem werden am Ende des Buches die wichtigsten Unterschiede zwi-

schen LabVIEW 7.1 und LabVIEW 8.0 zusammenfassend dargestellt.

Auch Besitzer von älteren Versionen von LabVIEW wie 5.0 oder 6.1 können dieses Buch

zu Rate ziehen, denn die Unterschiede bei den einführenden Beispielen sind nicht sehr

groß. Programme, die mit älteren Versionen erstellt wurden, laufen auch unter Version

7.0, 7.1 und 8.0. Doch trifft das Umgekehrte naturgemäß nicht zu, weil jede neue Version

auch neue Möglichkeiten bietet. Werden diese allerdings nicht gebraucht, kann man von

Version zu Version rückwärts schreiten, indem man z.B. ein in Version 8.0 entwickeltes

Programm 'Mit Optionen ...' speichert und anschließend "Für vorige Version" anklickt.

Das Programm lässt sich dann mit Version 7.1 aufrufen. Von dort aus kann man in glei-

cher Weise zurückgehen zu Version 7.0 usw.

1.3 Installation

Die Installation der LabVIEW-Versionen 7.1 und 8.0 von CD ist selbsterklärend. Als

Betriebssysteme sind z.B. Mirosoft Windows 2000, Microsoft Windows XP oder Linux

geeignet. Die Hardware des PC muss den Anforderungen des jeweiligen Betriebssystems

entsprechen.

Alle Beispiele in diesem Buch wurden unter den Betriebssystemen Windows 2000, Win-

dows XP und, soweit möglich, unter Linux getestet.

1.3 Installation

18 1 Was ist LabVIEW?

1.4 Einführendes Beispiel

Angenommen, Sie wollen die Summe

c = a + b

berechnen. Programmiersprachen wie C oder C++ und ihre Vorläufer sind so konzipiert,

dass sie genau diese Art von Aufgaben perfekt lösen können. Man schreibt einfach:

c = a + b;

Man muss also anscheinend nur das Semikolon hinzufügen.

Doch übersieht man dabei Eingabe und Ausgabe. Der Anwender will Werte für a und b

eingeben und am Bildschirm das Ergebnis ablesen. Fügt man die entsprechenden Pro-

grammteile hinzu, ist das C-Programm längst nicht mehr so übersichtlich.

LabVIEW verringert diese Schwierigkeiten mit zwei Methoden:

• grafische Programmierung nach dem Datenflussprinzip

• Verwendung umfangreicher Funktionsbibliotheken für Ein- und Ausgabe.

Bild 1.1 macht deutlich, dass Eingabe, Ausgabe und mathematische Operationen nach

dem Datenflussprinzip organisiert sind. Das ist hier am Beispiel c = a + b erklärt. Die

folgende Skizze in Bild 1.2 reduziert dieses Prinzip auf seinen Kern.

Bild 1.1 Idee der Simulation eines realen Messgeräts mit Hilfe von (Front-) Panel und (Block-) Diagramm in LabVIEW

Bild 1.2 Idee der Datenflussprogrammierung am Beispiel von c = a + b. Links die Eingabe, rechts die Ausgabe

1.4 Einführendes Beispiel 19

Aufruf von LabVIEW

Ein rechter Mausdoppelklick auf das LabVIEW-Icon auf dem Desktop öffnet der Reihe

nach zwei Startseiten. Man kann diese Fenster aber auch mit 'Programme' – 'National

Instruments LabVIEW 7.1' öffnen. Das erste der beiden Fenster gibt Hinweise, die vorerst

nicht weiter interessieren. Man kann es bei späteren Aufrufen übergehen, indem man zu

Beginn 'Dieses Dialogfeld nicht mehr anzeigen' anklickt. Das zweite Fenster hat das in

Bild 1.3 gezeigte Aussehen.

Bild 1.3 Zweites Startfenster, das sich beim Aufruf von LabVIEW 7.1 öffnet

Das Feld 'Neu…' erlaubt die Anfertigung eines LabVIEW-Programms oder, wie man

kürzer sagt, eines VI, von Anfang an. Mit 'Öffnen…' kann man ein bereits existierendes

VI holen, z.B. um es zu modifizieren. 'Konfigurieren…' ermöglicht die Einstellung von

Datenerfassungskarten mit dem MAX (Measurement & Automation Explorer), sofern Ihr

PC damit ausgerüstet ist.

Wählt man 'Neu…' – 'Leeres VI', erscheinen zwei Fenster, das eine mit dem Titel 'Unbe-

nannt 1 Frontpanel', das andere mit dem Titel 'Unbenannt 1 Blockdiagramm'. Sie sind in

den Bildern 1.4 und 1.5 dargestellt.

Bild 1.4 Frontpanel oder kürzer 'Panel', für die Benutzerober-fläche des späteren Programms

20 1 Was ist LabVIEW?

Bild 1.5 Block-diagramm oder kürzer 'Diagramm', zur grafischen Darstellung des Programms

Wichtig für die Programmierung ist die 'Werkzeugpalette' nach Bild 1.6. Sie erscheint

häufig automatisch. Ist das nicht der Fall, kann man sie vom Panel oder vom Diagramm

aus holen mit 'Fenster' – 'Werkzeugpalette'.

Bild 1.6 Werkzeugpalette

Achtung! Beim ersten Aufruf von 'Fenster' (unter Microsoft Windows) ist die Werkzeug-

palette dort nicht zu sehen. Deshalb zuerst das Popup-Menü durch Anklicken der beiden

nach unten weisenden Pfeile verlängern.

Zur Programmerstellung brauchen Sie ferner die 'Bedienelemente'-Palette gemäß Bild 1.7

und die 'Funktionen'-Palette gemäß Bild 1.8. Man erhält sie, indem man im Panel (Bild

1.4) beziehungsweise im Diagramm (Bild 1.5) mit der rechten Maustaste auf die freie

Fläche klickt. Mit der linken Maustaste kann man diese Paletten dauerhaft sichtbar ma-

chen, indem man sie 'anpinnt', d.h. die kleine Reißzwecke links oben im zugehörigen

Loch versenkt.

Bild 1.7 Palette mit Bedienelementen, die zur Gestaltung des Panels genutzt werden

1.4 Einführendes Beispiel 21

Man kann diese Paletten auch unter 'Fenster' – 'Elementepalette anzeigen' im Panel bzw.

unter 'Fenster' – 'Funktionenpalette anzeigen' im Diagramm finden. Manche Fenster

lassen sich auch mit Shortcuts öffnen, etwa das Blockdiagramm vom Panel aus mit

<Strg>+<E> oder das Panel vom Blockdiagramm aus mit denselben beiden Tasten, die

gleichzeitig zu drücken sind.

Bild 1.8 Palette mit Funktionen, mit denen das Programm im Diagramm erstellt wird

Bei LabVIEW-Versionen vor 7.0 sah die Palette der Bedienelemente anders aus. Ihr Inhalt

entsprach der Unterpalette, die sich öffnet, wenn man jetzt das Icon rechts unten anklickt.

Bei der Funktionenpalette ist es entsprechend. In den Unterpaletten dieser Icons befinden

sich alle wichtigen Bedienelemente bzw. Funktionen. Die acht bzw. sieben anderen Icons

erlauben lediglich einen schnelleren Zugriff auf manche von ihnen. Deshalb werden wir

auch nur mit den Icons in der jeweils unteren rechten Ecke arbeiten.

Öffnen wir nun in der Palette 'Bedienelemente' das Symbol 'Alle Elemente' mit linkem

Mausklick, sehen wir eine Palette gemäß Bild 1.9. Entsprechend erhält man beim Öffnen

von 'Funktionen' eine Ansicht entsprechend Bild 1.10.

Bild 1.9 Unterpalette 'Alle Elemente' oder 'Bedienelemente'

Bild 1.10 Unterpalette 'Funktionen'

In den folgenden Kapiteln wollen wir ausschließlich Paletten des Typs von Bild 1.9 und

1.10 (leicht abgewandelt, siehe Abschnitt 2.4) verwenden. Der Vorteil: Auch Benutzer von

älteren LabVIEW-Versionen können dann leichter nach diesem Buch arbeiten.

22 1 Was ist LabVIEW?

1.4.1 Programmierung von c = a + b

Folgende Schritte sind auszuführen:

1. Kontrollieren, ob 'Bearbeitungsmodus' eingestellt ist. Das sieht man an der Zahl der

Icons unter der Menüzeile im Panel, nämlich normalerweise zehn. Sieht man dort

links nur vier Icons, befindet man sich im 'Ausführungsmodus', der keine Program-

mierung erlaubt. In diesem Fall mit 'Ausführen' – 'Bearbeitungsmodus' umstellen.

2. Eingabefenster für die Variablen a und b anlegen. Zu diesem Zweck 'Bedienelemente'

nach Bild 1.9 holen und dort Cursor zum Icon links oben bewegen. Es erscheint die

Überschrift 'Numerisch'. Ein Mausklick führt zur nächsten Unterpalette. Wiederum

das Fenster links oben anklicken und aufs Panel ziehen. Bild 1.11 zeigt das Ergebnis

dieser Operation. Gleichzeitig ändert sich automatisch das Diagramm. Es erhält jetzt

ein 'Terminal', das dem Eingabefenster zugeordnet ist, siehe Bild 1.12.

Bild 1.11 Panel mit einemBedienelement

Bild 1.12Diagramm mit einem 'Terminal', das dem Bedien-element auf dem Panel entspricht

Das 'DBL' am unteren Rand von Bild 1.12 bedeutet, dass die Eingabedaten vom Typ

'Double Precision' sind (d.h. Gleitkommazahlen doppelter Genauigkeit).

3. Das numerische Icon in Bild 1.11 dient zur Zahleneingabe über die Tastatur, wenn das

Programm später gestartet wird. Man kann die Zahlenwerte aber auch mit den Auf-

wärts-Abwärts-Pfeilen am linken Rand des Icons ändern.

4. Wie schon erwähnt, wird das zugehörige Icon im Diagramm automatisch gebildet.

Man kann es als Darstellung der Durchführung auffassen, die in einem realen Messin-

strument vom Gehäuse zur Platine führt und den vom Benutzer eingestellten Wert an

die elektronische Schaltung weitergibt. Siehe dazu nochmals Bild 1.1.

1.4 Einführendes Beispiel 23

Die Wahl des Datentyps DBL ist voreingestellt. Wir werden später sehen, dass es

viele andere Datentypen gibt.

Wir können den Namen 'Numerisch' für die Eingabevariable in Bild 1.11 durch ir-

gendeinen eigenen Namen ersetzen, z.B. durch 'a'. Das kann entweder unmittelbar

nach der Platzierung des Icons auf dem Panel erfolgen, wenn die Schrift noch schwarz

unterlegt ist, siehe Bild 1.11. Oder man muss, wenn man den Namen später ändern

will, in der Werkzeugpalette das große 'A' wählen, den Namen mit der Maus schwarz

einfärben und dann per Tastatur mit dem gewünschten Namen überschreiben.

Bild 1.13 Panel mit Bedienelement für die Variable a

5. In gleicher Weise geht man mit der Variablen b um.

6. Dagegen muss man c als Ausgabevariable (Anzeigeelement), deren Wert nicht vom

Anwender gewählt, sondern vom LabVIEW-Programm errechnet wird, etwas anders

behandeln. Man erhält sie im Untermenü der Palette von Bild 1.9 unter 'Numerisch' –

'Numerische Ausgabe' (oberste Zeile, zweites Element von links). Bild 1.14 zeigt das

Ergebnis.

7. Haben Sie versehentlich ein falsches Symbol platziert, müssen Sie es löschen. Dazu in

der ersten Zeile der Werkzeugpalette das rechteckige Fenster anklicken und auf die

Farbe grün stellen, was Automatikbetrieb bedeutet. Je nach Anwendung wählt nun

LabVIEW automatisch aus den nachstehenden Werkzeug-Icons dasjenige, das der je-

weiligen Aufgabe entspricht. In diesem Fall das falsch gesetzte Icon mit ständig ge-

drückter linker Maustaste umfahren. Es bildet sich ein gestricheltes Rechteck, dessen

Ränder blinken. Nun mit der <Entf>-Taste löschen. Bemerkt man den Fehler unmit-

telbar nach dem Setzen eines falschen Icons, kann man diesen Schritt auch mit 'Bear-

beiten' – 'Rückgängig…' oder mit <Shift>+<Z> korrigieren. Zurück zum alten Zu-

stand mit 'Bearbeiten' – 'Wiederherstellen' oder mit <Strg>+<Shift>+<Z>.

8. Verknüpfen der Eingabe- mit der Ausgabevariablen über die gewünschte Funktion

'Addieren'. Das geschieht im Diagramm. Zunächst wählen Sie in der Funktionenpalet-

te von Bild 1.10 das Icon 'Numerisch' in der Mitte der obersten Zeile. Die Unterpalette

24 1 Was ist LabVIEW?

zeigt Symbole, wie man sie von elektrischen Schaltplänen her kennt. Hier ist der Plus-

operator links oben anzuklicken und ins Diagramm zu ziehen, siehe Bild 1.15.

Bild 1.14 Panel mit Icons für zwei Eingabevariablen a und bsowie die Ausgabevariable c = a+b

Bild 1.15 Diagramm mit Additionsfunktion in der Mitte

9. Nun sind die Icons nur noch mit Drähten zu verbinden, wie schon in Bild 1.2 ange-

deutet wurde. Dazu dient die Drahtrolle in der Werkzeugpalette. Entweder wählt man

diese Rolle durch Mausklick oder man verlässt sich auf den Automatik-Modus der

Werkzeugpalette. Die Drahtrolle wird wirksam, wenn man sich entweder einem Ter-

minal oder einer Funktion nähert. Jedes Icon streckt dann kleine Fühler aus, die so

genannten 'Tip strips'. Berührt man mit dem Mauszeiger einen dieser Fühler, verän-

dert er seine Form und wird zu einer kleinen Drahtrolle. Drückt man nun dort die lin-

ke Maustaste, zieht man eine gestrichelte Linie hinter dem Mauszeiger her, mit der

man die Icons verbinden kann. Die Verbindung ist hergestellt, sobald man an einem

der Fühler des zweiten Icons die Maustaste loslässt. Die Wegführung des Drahtes ist

zu beeinflussen, indem man an beliebigen Zwischenpunkten die Maus kurz loslässt.

Dieser Punkt ist dann fixiert, und der Programmierer kann dort die Drahtrichtung

ändern. Das Endergebnis ist in Bild 1.16 zu sehen.