Handbuch für die Pogrammierung mit LabVIEW: mit Studentenversion LabVIEW 8

529 Pages·2007·16.29 MB·German

by  Prof. Dr. Bernward Mütterlein (auth.)

Bernward Mütterlein
Handbuch
für die Programmierung
mit LabVIEW
mit Studentenversion LabVIEW 2009
2. Aufl age
Handbuch für die Pogrammierung mit LabVIEW
Bernward Mütterlein
Handbuch für die
Pogrammierung mit LabVIEW
Autor
Prof. Dr. Bernward Mütterlein
Fachhochschule Südwestfalen
Frauenstuhlweg 31
58644 Iserlohn
E-Mail: [email protected]
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Planung und Lektorat: Dr. Andreas Rüdinger
Redaktion: Dr. Friedrich Müller, Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Satz: Autorensatz
Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu–Ulm
ISBN 978-3-8274-2337-5
Geleitwort
Es ist zwar schwer vorstellbar, doch LabVIEW von National Instruments war ur-
spru¨nglich die Idee einer einzigen Person. Im Jahr 1986 beschrieb Jeff Kodosky – der
Vater von LabVIEW – im ersten firmeninternen Newsletter die Anf¨ange von Lab-
VIEW.Waserjedochdamalsals EndeeinerA¨rainderEntwicklungvonLabVIEW“
”
bezeichnete, war in Wahrheit erst der Anfang. Manches von dem, was bei der ersten
LabVIEW-Versionnochalsunvorstellbarschien,istheuteschonRealit¨at.Soetwadie
Abbildung des grafischen LabVIEW-Blockdiagrammes auf FPGAs, die die inh¨arente
Parallelit¨at von LabVIEW auf Hardware-Ebene sicherstellt. Mehr noch: Das Ent-
werfen unterschiedlichster Anwendungen, das transparente Verteilen dieser auf die
verschiedensten Computing-Plattformen“ –FPGA-,DSP-oderRTOS-basiert–und
”
dasanschließendeSynchronisierenderjeweiligenHardwareknotenu¨berdasStandard-
netzwerk w¨are noch vor einigen Jahren undenkbar gewesen.
Lassen Sie uns zusammen die Geschichte von LabVIEW Revue passieren. Richtig
ernsthaft begonnen hatte alles im Jahr 1984. Dr. James (Jim) Truchard, CEO und
wie Jeff einer der Firmengru¨nder von National Instruments, bat seinen Kollegen Jeff,
sich ein PC-gestu¨tztes Softwareprodukt einfallen zu lassen, das ca. 300$ kosten und
die GPIB-Programmierung erleichtern sollte. Jeff fragte erst einmal nicht nach den
Kleinigkeiten, u¨berlegte sich sofort ein paar menu¨basierte Methoden und engagierte
ein paar Studenten, die mit verschiedenen Messger¨aten experimentieren sollten. Als
Jimmerkte,dassdabeinichtsBrauchbaresherauskam,steckteer dieAufgabeneuab
und bat Jeff, er solle das ganze Problem mit Tests und Messungen ein fu¨r alle Mal
”
l¨osen“.
Mitte des Jahres 1984, unterwegs im Flugzeug zu einer IEEE-P981-Arbeits-
gruppenversammlung, die sich mit der Standardisierung fu¨r Software zur Mess-
ger¨atesteuerung besch¨aftigte, hatte Jeff die Idee, alle Pru¨f- und Messprogramme als
virtuelleInstrumente“ zubetrachten.ErbeschriebdieKomponenteneinesvirtuellen
”
Instruments als Frontpanel und interne Struktur, die wiederum virtuelle Instrumente
einer niedrigeren Ebene nutzen. Dabei hatte er immer noch Text vor Augen – Front-
panelswarenMenu¨sunddieinterneStrukturbestandausProgrammcode.ImHerbst
des gleichen Jahres bat er einen Kommilitonen um Hilfe. Zusammen besuchten sie
ein paar Kunden und sprachen mit ihnen u¨ber ein m¨ogliches PC-Produkt mit Text-
menu¨s und Formeln. Die Kunden zeigten sich zwar interessiert, konnten aber auch
keine neuen Ideen liefern.
EinwichtigerDurchbruchkam,alsJeffdieGelegenheithatte,denMacintoshseines
Schwagerszubenutzen.Erwartotalbeeindruckt,kauftesichselbsteinenunderkannte
schnell, dass Grafik im geplanten System eine große Rolle spielen mu¨sste. Auf einmal
wurde klar, dass Frontpanels grafische Abbildungen sein mussten. Aber konnte auch
VI Geleitwort
die interne Struktur Grafik verwenden? Welche Art Diagramme konnten anstelle von
Programmcodegenutztwerden?JeffzogZustandsdiagrammeinBetracht–aberdiese
passten nicht zum Stil von Pru¨f- und Messprogrammen. Datenflussdiagramme waren
zun¨achst viel versprechend, brachten dann aber Probleme mit sich, besonders im
Hinblick auf Schleifen. Flussdiagramme erwiesen sich als v¨ollig ungeeignet. In jedem
Fallstandfest,dassfu¨reinengrafischenAnsatznureinMacintoshfu¨rdieEntwicklung
in Frage kam. Von diesem Zeitpunkt an arbeitete er ¨ofter im Bu¨ro auf dem Campus
der University of Texas, wo er nicht abgelenkt wurde und besser nachdenken konnte.
Nachdem sich Jeff monatelang den Kopf u¨ber das Problem zerbrochen hatte, kam
ihm endlich ein Gedankenblitz, so dass er im April 1985 eine Reihe von Strukturen
erfand, die Datenflussdiagramme praktikabel machten. Das Konzept der virtuellen
Instrumente war damit im Wesentlichen geboren. In aller Eile zeichnete er ein paar
Beispieleaufundpr¨asentierteseineIdeen.DieSkizzenwarensehreinfachundunaus-
gereift und riefen bei den R&D-Mitarbeitern nicht gerade u¨berschw¨angliche Begeis-
terung hervor. Die Sales- und die Marketingabteilung hatten schon vorher jegliches
Interesse verloren, da Jeff mit einem Macintosh arbeitete. Doch Jim glaubte an des-
senIdeenundgabgru¨nesLichtfu¨rdieAufstockungvonProjektmitarbeiternundden
Start der Entwicklung. Erst einige Monate sp¨ater schafften es sorgf¨altig gezeichnete
Beispiele, das Interesse der R&D-Leute zu wecken. Es sollte noch ein ganzes Jahr
dauern, bis sich auch Sales und Marketing anschlossen. Bis zum Sommer 1985 war
Jeff ganz ins Bu¨ro auf dem Campus umgezogen.
Das erste Prototypsystem wurde Halloween-Demo genannt. Natu¨rlich fand sich
am Abend vor der Demo ein verheerender Fehler im Linker, und der Programmcode
musste drastisch umgeschrieben werden. Jeffs Team arbeitete bis zur letzten Minute,
um rechtzeitig fertig zu werden. Sogar w¨ahrend Jeff die Demo pr¨asentierte, h¨orte er
die leisen Piept¨one von neu startenden Macs, als das Team dem System immer noch
neueTeilehinzufu¨gteundFehlerbehob.SoentstandauchdasMottodesTeams: Nur
”
noch einmal kompilieren.“
Alleslief wunderbar – dieHalloween-Demo wurde bei Infoveranstaltungen pr¨asen-
tiert, erschien damit auch auf dem Titelblatt des Magazins Electronic Design und
konntesogarAppleComputeraufsichaufmerksammachen.Zwarwaresfu¨rdasTeam
etwas frustrierend, als es von der bew¨ahrten Strategie, bis auf den letzten Dru¨cker“
”
anetwaszuarbeiten,beiderAlpha-DemoimStichgelassenwurde,abernacheinpaar
WochenwarauchdieserRu¨ckschlagbereitswiedervergessen.DiehoheEntwicklungs-
geschwindigkeit hielt an, die Ausfu¨hrungsleistung konnte um das 30fache gesteigert
werden und der Programmcode knackte die 350-KB-Marke. Gerade noch rechtzei-
tig erfand Jeff den Namen LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering
Workbench) und reichte die Patentanmeldung knapp 12 Stunden vor Erscheinen der
Electronic Design ein. Der Rest ist Geschichte.
LabVIEW feiert dieses Jahr seinen zwanzigsten Geburtstag, und obwohl das Ent-
wicklungsteam gr¨oßer ist als jemals zuvor, ist die Arbeit genauso herausfordernd,
aufregend und facettenreich wie seit ihren Anf¨angen. Noch st¨oßt die Weiterentwick-
lung von LabVIEW an keine Grenzen. Vor 20 Jahren war es das Ziel von Natio-
nal Instruments, ein Werkzeug zu erstellen, das Ingenieuren und Wissenschaftlern
zu mehr Produktivit¨at bei der Automatisierung von Messungen verhilft – und an
dieser Grundausrichtung hat sich nichts ge¨andert. Nur, dass die grafische Systement-
Geleitwort VII
wicklungsmethodik, die LabVIEW zugrunde liegt, mittlerweile nicht mehr nur den
BereichderautomatisiertenMess-undPru¨fsystemeumfasst,sonderndenkompletten
Einsatzbereich vom Design, der Steuer- und Regelungstechnik bis hin zum Test. Die
grafische, auf strukturiertem Datenfluss basierende Programmiersprache LabVIEW
mit ihrem inh¨arenten Parallelismus und nahezu grenzenlosen Anbindungsm¨oglichkei-
tenandierealeWeltavanciertimmermehrzueinerIntegrationsplattform.Ja,sowie
dieTabellenkalkulationdieArbeitderFinanz-Fachleuteproduktivermachte,istLab-
VIEW mittlerweile zum Engineering-Werkzeug der Ingenieure und Wissenschaftler
geworden.
Das vorliegende Buch stellt einen weiteren Meilenstein in der Evolution von Lab-
VIEW dar: Erstmalig wird ein ganzheitlicher Versuch unternommen, LabVIEW los-
gel¨ost von der Messtechnik als eine grafische Programmiersprache darzustellen. Prof.
Dr. Mu¨tterlein gelingt es, die wichtigsten Methoden und Verfahren der Software-
Entwicklung bzw. des Software-Engineerings anhand von vielen anschaulichen Bei-
spielen einzufu¨hren und zu vertiefen und gibt damit eine gute Hilfestellung fu¨r die
systematische Software-Entwicklung. Es spricht somit nicht nur die Studierende der
IngenieurswissenschaftenausdenunterschiedlichstenDisziplinenan,sondernauchdie
Informatiker,diebisherLabVIEWeheralseindom¨anenspezifischesAnwendungswerk-
zeug wahrgenommen haben. Somit trifft dieses Buch exakt den heutigen Zeitgeist:
Mehr denn je ist heute das interdisziplin¨are Zusammenspiel bzw. der Dialog zwi-
schendenIngenieurswissenschaftenundGebietenderNaturwissenschaften(wiebspw.
Biologie, Chemie, Physik und Medizin) sowie der Informatik in der Praxis gefragt.
Man denke nur an bereichsu¨bergreifende Disziplinen wie die Mechatronik, Neuroin-
formatik, Grafisches System- und Embedded-Design etc. LabVIEW als eine grafische
Programmiersprache und eine Querschnittsplattform erm¨oglicht den Bru¨ckenschlag
zwischen den unterschiedlichen technischen Disziplinen.
Zudem m¨ochte ich Herrn Professor Dr. Mu¨tterlein fu¨r seinen unermu¨dlichen Ein-
satz bei der hervorragenden Umsetzung dieses Buchprojekt meine vollste Anerken-
nung aussprechen. Insbesondere freut mich, dass er mir mit dieser v¨ollig von der
Messtechnik losgel¨osten Art der Darstellung LabVIEWs als eine reine grafische Pro-
grammiersprache der n¨achsten Generation aus dem Herzen spricht. Dafu¨r ein herzli-
ches Dankesch¨on!
Ich wu¨nsche diesem Buch eine begeisterte Aufnahme und eine kritische Reflexion.
Dipl.-Ing. Rahman Jamal
Technical Director, Central Europe,
National Instruments Germany GmbH
Vorwort
LabVIEWhatsichindenIngenieur-undNaturwissenschaftenl¨angstalsStandardeta-
bliert,insbesondereindenBereichenMess-,Steuer-undRegelungstechnik,derSimu-
lationsowiederDatenerfassung,DatenanalyseundDatenvisualisierung.Dementspre-
chendvielf¨altigsinddieEinsatzbereicheinderFertigung,ForschungundEntwicklung
sowie in der Lehre und dies weitgehend unabh¨angig vom jeweiligen Fachgebiet, wie
z.B. Physik, Chemie, Medizin oder den Ingenieurwissenschaften.
Der fundamentale Unterschied zu textbasierten Programmiersprachen wie z.B.
C++bestehtdarin,dassLabVIEWeinevisuelleProgrammierspracheist,beiderder
QuellcodemitHilfegraphischerElementeerzeugtwird.DieserAnsatzbasiertaufder
Erkenntnis,dassMenschenBilderschnellerverarbeitenk¨onnenalsTexte.Bilderwer-
denimmenschlichenGehirninderrechtenH¨alfteparallelverarbeitetwerden,w¨ahrend
textbasierte Informationen in der linken H¨alfte sequenziell und damit deutlich lang-
samer verarbeitet werden. Aus diesem Grund erfolgt ja auch in vielen Bereichen des
t¨aglichenLebensdieKommunikationaufderGrundlagevonGraphiken,seienesVer-
kehrsschilder, Wetterkarten, Stadtpl¨ane, Musiknoten oder der Desktop eines PC.
(cid:2) Anmerkung
In der Informatik wird fu¨r die Software-Entwicklung mit Hilfe graphischer Elemente
derBegriff visuelleProgrammierung“ verwendet.Mit graphischerProgrammierung“
” ”
wird dagegen die Darstellung und Manipulation (geometrische Darstellung, Raste-
rung) von graphischen Objekten auf einer Ausgabeeinheit (z.B. Monitor, Drucker)
bezeichnet. In den Ingenieurwissenschaften hat sich jedoch der Begriff graphische
”
Programmierung“ fu¨r das Erstellen von Programmen mittels graphischer Elemente
eingebu¨rgert. Da sich diese beiden Bezeichnungen im allgemeinen Sprachgebrauch
vermischen, werden sie hier synonym verwendet. Um Missverst¨andnisse zu vermei-
den, ist aber der Begriff visuelle Programmierung“ vorzuziehen. (cid:3)
”
IndenletztenJahrenhatsichdieInformatikimmerst¨arkerzueinerQuerschnitts-
disziplinmitgroßemEinflussaufalleingenieur-undnaturwissenschaftlichenBereiche
entwickelt. Damit werden Naturwissenschaftler und Ingenieure, aber auch Techni-
ker in ihrer beruflichen Praxis mit Aufgaben konfrontiert, deren Komplexit¨at stetig
zunimmtunddieeinenausgepr¨agtenBezugzurSoftware-Technikaufweisen.Traditio-
nell erhalten diese Berufsgruppen jedoch keine angemessene Ausbildung und sind bei
dersoftwaretechnischenUmsetzungihrerAufgabenh¨aufigaufsichalleingestellt.Wei-
terhinsollqualitativhochwertigeSoftwareinimmerku¨rzererZeitproduziertwerden.
Diese beiden Anforderungen, hohe Software-Qualit¨at einerseits und kurze Entwick-
lungszeiten andererseits, k¨onnen aber prinzipiell nicht gleichzeitig erfu¨llt werden.
X Vorwort
Nur weil die Produktzyklen und dementsprechend die Entwicklungszeiten immer
ku¨rzerwerden,k¨onnendieamProjektbeteiligtenMenschennichtautomatischschnel-
ler denken. Daher ist in der Informatik eine Vielzahl von Methoden und Hilfsmitteln
entwickelt worden, um zumindest die Umsetzung der Aufgabenstellung in Software
zu vereinfachen und zu beschleunigen.Praktisch alleMethoden und Konzeptefu¨r die
Systemanalyse verwenden Graphiken fu¨r die Darstellung komplexer Sachverhalte.
DieeinzigeAusnahmestelltdieProgrammierungselbstdar,beidereingraphischer
Entwurf anschließend mit Hilfe einer textbasierten Programmiersprache umgesetzt
wird.Hilfreichw¨arees,wenndergraphischeEntwurfgleichzeitigdasausfu¨hrbarePro-
gramm darstellen wu¨rde. Dann wu¨rde bei der Software-Entwicklung ein wesentlicher
Entwicklungsschritt,diezeitraubendeundfehlertr¨achtigeU¨bersetzungdesEnwurfsin
einetextbasierteProgrammiersprache,vollst¨andigentfallen(beispielsweisewirddafu¨r
zurzeit MDA (Model Driven Architecture) mit executable UML (Unified Modeling
Language) entwickelt).
Mit dem Konzept der strukturierten Datenflussprogrammierung, welches Lab-
VIEW zugrunde liegt, wird diese Anforderung bereits in idealer Weise erfu¨llt. Ver-
mutlichbestehtdergr¨oßteNachteilderProgrammierspracheLabVIEWdarin,dasssie
leicht zu erlernen ist und auch die Vermarktung als Messtechnik-Tool (die u.a. dazu
fu¨hrt, dass LabVIEW als Laborsoftware“ wahrgenommen wird) verspricht schnelle
”
Erfolge.Dabeiwirdh¨aufigaußerAchtgelassen,dassLabVIEW,genauwieC++oder
Java, eine general purpose language ist und dass fu¨r das Erlernen die entsprechende
Zeit ben¨otigt wird.
Erfahrungsgem¨aßlassensichmitLabVIEWinnerhalbwenigerStundenersteResul-
tate bei der Programmentwicklung und Ger¨atesteuerung erzielen. Anschließend ist
aber h¨aufig zu beobachten, dass bei den in aller Regel folgenden Erweiterungen
und zunehmender Komplexit¨at der Aufgabenstellungen die zugrunde liegenden Kon-
zepte der Software-L¨osungen den gestiegenen Anforderungen nicht mehr standhalten
k¨onnen.
Deshalb soll hier versucht werden, einen Beitrag zur systematischen Software-
Entwicklung mit LabVIEW zu leisten, der nicht die messtechnische Aufgabe oder
eine Anwendung in den Vordergrund stellt, sondern die Software-Entwicklung vor
allem aus der Sicht der Informatik beru¨cksichtigt. Unter anderem werden Datenty-
pen und Datenstrukturen sowie die Kontrollstrukturen der strukturierten Program-
mierung und endliche Automaten ausfu¨hrlich behandelt, da diese fu¨r eine effiziente
Implementierung von Algorithmen von grundlegender Bedeutung sind.
Dementsprechend richtet sich das Buch nicht nur an Studierende der Informatik,
sondernvor allemanStudierendeder Ingenieur-und Naturwissenschaften,aber auch
an Wissenschaftler sowie Ingenieure und Techniker in der Praxis. Gem¨aß dem alten
LabVIEW-Motto
It’s OK to have fun!
habe ich die Hoffnung, mit diesem Buch etwas zum Vergnu¨gen bei der Arbeit mit
LabVIEWbeizutragen,weilsichdieFreudebeiderArbeitauchimmerinderQualit¨at
der Arbeit niederschl¨agt.
Vorwort XI
Dank
Die Erstellung des Manuskriptes war etwas aufwendiger als erwartet und w¨are ohne
vielfache Unterstu¨tzung sicher nicht m¨oglich gewesen. Bedanken m¨ochte ich mich
daher bei allen, die zum Entstehen des Buches beigetragen haben. Insbesondere bei
allen Freunden, die ich lange vernachl¨assigt habe, von denen ich aber trotz alledem
viel Aufmunterung und Zuspruch erhalten habe.
Zu großem Dank bin ich dem Team der deutschen Niederlassung von National
Instruments in Mu¨nchen verpflichtet fu¨r die kontinuierliche Hilfe und Unterstu¨tzung
u¨ber viele Jahre, beispielsweise durch Marc Backmeyer, Dipl.-Ing. Markus Sol-
bach und besonders durch Dipl.-Ing. Philipp Krauss, der die gute Ausstattung des
BuchesmitderdeutschenundenglischenLabVIEW-Studentenversionbesorgthatund
daru¨ber hinaus die gesamte Entstehung des Buches sehr eng begleitet und tatkr¨aftig
unterstu¨tzt hat, was entscheidend zur Entstehung beigetragen hat.
Fu¨r die Unterstu¨tzung bei mathematischen Fragestellungen danke ich Prof. Dr.
rer. nat. Hardy Moock (FH SWF, Iserlohn) und Prof. Dr. phil. nat. Peter D¨orre (FH
SWF) fu¨r ein innovatives Gleichheitszeichen. Die engagierte Betreuung von Lehrver-
anstaltungen durch Dipl.-Ing. Udo Reitz hat zu vielen Ideen gefu¨hrt, die sich auch
in einigen Beispielprogrammen im Buch niederschlagen. Weiterhin m¨ochte ich mich
bedanken bei Dipl.-Ing. Oliver Dr¨olle, Dipl.-Ing. Matthias Faulstich und Dipl.-Ing.
Georg Overmann vom Labor fu¨r Angewandte Informatik (FH SWF) fu¨r die stete
Hilfsbereitschaft bei Fragen aller Art.
Fu¨rdiePru¨fungdesManuskriptesaufinhaltlicheKorrektheitbinichThomasSan-
drisser (National Instruments) und Prof. Dr.-Ing. Erhard Stein (FH Lausitz, Senf-
tenberg) und fu¨r die mu¨hsame Rechtschreibkorrektur des Manuskriptes Dipl.-Bibl.
Sabine Schust (Staatsbibliothek zu Berlin) zu großem Dank verpflichtet. Besonders
zu erw¨ahnen ist an dieser Stelle Dr.-Ing. Friedrich Mu¨ller (Max-Planck-Institut fu¨r
Astronomie, Heidelberg), der das gesamte Manuskript gleichfalls mit großer Sorgfalt
aufformaleundinhaltlicheFehleru¨berpru¨ftunddaru¨berhinausdieStrapazeaufsich
genommen hat, einen großen Teil der Korrekturen in das Manuskript einzuarbeiten.
Ebenfalls danke ich Frau Dipl.-Biol. Barbara Lu¨hker und Dr. rer. nat. Andreas
Ru¨dinger von Elsevier – Spektrum Akademischer Verlag fu¨r die außerordentliche
Unterstu¨tzung und die gute Ausstattung des Buches sowie fu¨r die Geduld bei der
Manuskripterstellung.
LetztendlichwarderMotorfu¨rdieErstellungdesBuchesdieZusammenarbeitmit
engagierten Studierenden, die mir nach wie vor viel Freude bereitet. Stellvertretend
fu¨rvielem¨ochteichandieserStelleDr.-Ing.MartinSkambraks(Bundesamtfu¨rWehr-
technikundBeschaffung,Koblenz),Dipl.-Ing.StefanTauche(Infineon,Mu¨nchen)und
ChristophKeßler(FHSWF)erw¨ahnen,dieauchnachihremStudiumbzw.außerhalb
von Lehrveranstaltungen jederzeit bereit waren, mir mit Rat und Tat zur Seite zu
stehen.
Software-Version
Die dem Buch beiliegende DVD enth¨alt die LabVIEW Studentenversion“ in deut-
”
scher und englischer Sprache fu¨r Windows-PCs, die sich vom LabVIEW Full Deve-
lopment System lediglich durch die Einblendung eines Wasserzeichens unterschei-