Kurssimateriaali LabVIEW alkeita Sisällys: A. LabVIEW Graafinen ohjelmointi A.1. Mikä on LabVIEW? A.2. Mikä on Virtuaali-Instrumentti? B. LabVIEW:in opiskelun tavoitteesta C. LabVIEW perusteita D. Debukkaus E. Mallin laatiminen Boyle-Mariotte F. Ohjelmistorakenteita G. Data ja johto tyypeistä H. Viitteet A. LabVIEW Graafinen ohjelmointi A.1. Mikä on LabVIEW? LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), on National instruments yhtiön valmistama intrumentoinnin ja analysoinnin tietokone (PC) ohjelmisto. LabView on varustettu G nimisellä graafisella ohjelmointiympäristöllä, ja sillä voidaan laatia instumentointiin: kontrollin, datan keräämisen, varastoinnin, analysoinnin ja esittämisen välineitä. A.2. Mikä on Virtuaali-Instrumentti? Virtuuaali-instrumentti voi tarkoittaa tietokoneella kontrolloitavaa todellisten fyysisten mitta- ja kontrollilaitteiden ohjaamista näppäimistön, hiiren sekä tietokoneen näytöllä olevan käyttöliittymän avulla. Toisaalta virtuaali-instrumentointiin voi liittyä joukko tietokoneen avulla toteutettuja toimintoja: prosessien mallintaminen, instrumenttien tai mittajärjestelyjen simulointi. Jatkossa tässä dokumentissa tarkoitetaan LabVIEW-sovelluksilla Virtuuaaliinstrumentointia (VI) tässä jäljemmässä merkityksessä. B. LabVIEW: in opiskelun tavoitteesta VIRTUAALI Instrumentointia voidaan hyödyntää paitsi todellisten ilmiöiden tutkimisessa tarvittavien mittalaitteistojen laatimisessa ja ohjaamisessa niin myös todellisia fysiikan kokeita mallintavien simulointien ja animointien laatimisessa. Tämän vihkosen tarkoituksena on tutustuttaa ja opastaa LabView-ohjelmointiympäristön ja G-ohjelmointikielen perusteisiin käymällä läpi kaasulakien opetukseen soveltuvan koejärjestelyn mallinnusesimerkin avulla. Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 1/16
C. LabVIEW perusteita LabVIEW-sovellukset eli virtuaali-instrumentit laaditaan kolmen näkymän avulla: Etupaneli-näkymä (Front Panel), Lohkokaavio (Block Diagram,) ja ikoni/kytkentäpaneli(icon/connecto). Ohjelman käynnistyttyä näytölle tulee kuvan 1 mukainen näkymä. Kuva 1 Käynnistys näkymä LabVIEW 8.2 Aloitusnäytöltä voit valita uuden sovelluksen aloittamisen (Files>>New>> Blank VI), jolloin näytölle avautuvat kuvassa 2 esitetyt: Front Panel-ikkuna sekä sen alle Block Diagram ikkuna. LabVIEW käyttää tavanomaista Windows ikkunointia tavanomaisine valikkoineen, mutta sen lisäksi kussakin ikkunassa on LabVIEW-ohjelmiston oma työkalurivi. Etupaneeli-näkymä (Front Panel),virtuaali instrumentin käyttöliittymä, mahdollistaa laitteen toimintojen kontrolloinnin. Käyttöliittymä koostuu graafisina objekteina määriteltävistä kontrolli-objekteista (Controls), laitteen ohjaaminen käyttäjän toimesta (input) sekä osoitinobjekteista (Indicators), joiden välityksellä käyttäjä saa tietoa VI:n toiminnoista kuten data tulosteita (output). Molemmista käytetään nimitystä Controls (vrt. kuva 3 sisempi ikkuna). Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 2/16
Kuva 2 Etupaneli- näkymä sekä lohkokaavio-näkymä taustalla Virtuaali-instrumentin rakentamisen voi aloittaa lisäämällä etupaneeli-näkymään tarvittavia laiteen osia Controls paletista. Paletin saa näkyville joko painamalla hiiren oikeapuolista näppäintä työskentelyalueella tai valitsemalla View>>Controls Palette. Paletissa on valittavissa objektien pääkategoriat sekä näiden alta varsinaiset objektit (kuvassa 3 Labview 8.2 versiosta esilla Moder, Numeric). Objektit siirretään paletista laitteen etupaneeliin haluttuun kohtaan vetämällä hiirellä. Kuva 3 Etupaneeliin lisätty Tank objekti Controls paletista Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 3/16
Kuva 4 Työkalu- paletti (Tools Palette) Etupaneeliin lisättyjen objektien ominaisuuksia (esim. koko, väri, nimeäminen, asteikot, jne.) voidaan muokata käyttämällä työkaluvalikon välineitä. Työkaluvalikko (kuva 4) avautuu joko vaihto +hiiren oikeanäppäin yhdistelmällä tai View>>Tools Palette valikko toiminnalla. Kuva 5 Etupaneeli näytön Tank (säiliö) objekti muokattuna Kuvassa 5 on esitetty hieman muokattu säiliö (Tank) objektin nimi ja asteikko on muutettu käyttäen Labeling (kuva 4) työvälinettä. Lisäksi kuvassa on muutettu säiliön ja taustan väritystä paletin Set Color Tool työvälineellä. Säiliössä olevaa pinnan tasoa voidaan muuttaa Operating Tool työvälineellä. Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 4/16
Kuva 6 Boyle-Mariotte kaasulaki kuvassa on säiliö vasemmalla ja mallin lohkokaavio, johon lisätty yksikkömuunnos funktion ja vakion avulla Lohkokaavio (Block Diagram) näytöllä määritellään laadittavan sovelluksen toiminnallisuudet, siihen tulevat ilmentymät jokaisesta etupaneeliin lisätystä objektista automaattisesti. LabView ohjelmointi tapahtuu lohkokaavion avulla ja siihen voi sisältyä kontrollirakenteita, funktioita, muuttujia jne. Toiminnallisuus saadaan lisäämällä lohkokaavioon tarvittavat funktiot sekä johdottamalla datavirta objektista toiseen. Kuvassa 6 on esitetty rinnakkain etupaneeli, jossa on säiliö sekä numeronäyttö, johon tulostuu lohkokaavio näytöllä funktion avulla tehty muunnos litroista millilitroiksi. Tarvittaessa lohkokaavio sekä etupaneeli näkymät saadaan näytölle Window>>Show Front Panel tai Show Block diagram valikkotoiminnoilla. Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 5/16
Kuva 7 Objektin (numeronäyttö) ominaisuuksien määrittely a) valikko b) obejektin ominaisuudet (Properties) ikkuna Format and precision-välilehti avattuna Esimerkkinä olevan Boyle-Mariotte kaasulain mallin kehittelyssä on kuvassa 6 esitetty aluksi tarvittava datavirta rakenne; funktion, vakion ja johdotuksen lisäämisen jälkeen. kuvassa 7 näyttönä toimivan objektin ominaisuuksien määrittely sekä kuvassa 8 funktion ja vakion lisääminen lohkokaavioon. Aluksi molemmat etupaneeliin asetetut objektit voivat olla osoittimia/näyttöjä (indicator) tässä tapauksessa tarkoituksena on muuttaa säiliö säätimeksi (Control) valitsemalla objektin(säiliö/ Tank for B-M law) päällä hiiren oikealla näppäimellä kuvan 7 a) kaltaisesta valikosta komento Change to Control. Kuvassa 6 lohkokaaviossa kontrolli objekti (säiliö) näkyy paksureunaisena. Kuvissa 7 a) ja b) esitetään kuinka tilavuus näyttö objektin ominaisuuksista asetetaan desimaaliesitykseksi yhden desimaalin tarkkuudella esittäminen. Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 6/16
Kuva 8 Kertolaskufunktion (Multiply)lisääminen funktio paletista lohkokaavioon Lohkokaaviossa mallinnettua datavirtaa voidaan käsitellä lisäämällä johdotukseen tarvittavat funktiot ja niiden syötteet. Kuvassa 8 malliin lisätään kertolaskufunktio säilöltä tulevaan johdotukseen sekä muuntokertoimena (litrasta ml) tarvittavan vakion (Num Const) lisääminen ja kytkeminen. D. Debukkaus Heti kun mallin lohkokaavio on kohtuullisesti kytketty aktivoituvat ikkunan yläreunassa olevat suorita (run) komentoa tarkoittavat nuolet: yksi nuoli suorita kerran, kaksoisnuoli suorita kokoajan. Kuvassa 9 on esitettynä ohjelmiston antamat virheilmoitukset puuttuvista määrittelyistä. Kuvassa 9 suorita komento ei ole aktiivisena. Kuvassa 10 on esitetty ohjelman suorittamiseen (mallin ajaminen) käytettävissä olevat painikkeet. Mallin toiminnan etenemistä suorituksen aikana voi seurata valitsemalla Highlight Execution painikkeen. Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 7/16
Kuva 9 Ohjelman virheiden korjaaminen a) virheellinen johdotus korostettuna b) ohjelmiston antamat virheilmoitukset Kuva 10 VI testaus: a) seuraaminen Highlight Execution, b) askeltaminen E. Mallin laatiminen Boyle-Mariotte Boyle-Mariotte kaasulain yhteydessä malliin on sisällytettävä yhtälön p 0 V 0 = p 1 V 1 missä T =vakio, (1) ratkaisu tilavuuden muuttamisen yhteydessä vakiolämpötilassa p 1 = p 0 V 0 /V 1 vakiolämpötilassa T 0 = 293 (2) Yksinkertaisuuden vuoksi malli voidaan rakentaa esimerkiksi (kuva 11) siten että liukukytkimen avulla säädellään säiliön tilavuutta (kuvataan ulkoisen voiman aiheuttamaa Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 8/16
tilavuuden muutosta v(f)). Lisäksi mallissa havainnollistetaan paineen vaihtelua lisäämällä paineesta kertova numeerinen näyttö p1[kpa] sekä tarkasteluhetken tilavuuden osoittava numeronäyttö V1[l]. Kuvassa 11 b) on tarvittava lohkokaavio yhtälön (2) esittämiseksi LabVIEW funktioiden avulla. Kuvassa 11 c) on näkyvillä liukukytkimen ominaisuuksien määrittely siten, että sallittu vaihteluväli on 2,7:stä yhteen. Kuva 11 Yksinkertainen Boyle-Mariotte lain demonstraatio: a) VI etupaneeli, b) VI lohkokaavio, c) Liukukytkimen V(F) ominaisuuksien asettaminen Mallia voi täydentää esimerkiksi lisäämällä ulkoista voimaa esittävän nuolen kuten kuvassa12 a) tai liittämällä etupaneeliin kuvaajan Controls>>Graph. Kuvaajan lisääminen aiheuttaa sitä vastaavan objektin ilmentymän lisäämisen myös lohkokaavio näytölle kuva 12 b). Kuva 12 Boyle-Mariotte lain vi, missä XY graafi: a) etupaneelinäkymä, b) lohkokaavio esitys Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 9/16
F. Ohjelmistorakenteita Yhden pisteen (P,V) graafisen esittämisen asemasta on mielekästä muuttaa mallia siten että malli käy läpi vaikka kymmenen eri tilavuutta. Tätä varten on mallissa oleva liukusäädin korvattava esimerkiksi silmukka rakenteella, jossa lasketaan tilavuus ja tätä vastaava paineen arvo sekä syötetään nämä lukuparit graafisen esityksen tulostavalle objektille. Kuvassa 13 on esitetty muutamia LabVIEW ohjelmiston kontrollirakenteita. Vasemmalla yläkulmassa on havainnollistettu miten lohkokaaviosta poimitaan kehystämällä halutut funktiot ja objektit kontrollirakenteen sisällä suoritettaviksi. Kuva 13 Joukko ohjelmoinnissa käytettävissä olevia kontrollirakenteita Esimerkkimme tapaukseen soveltuva silmukka (For Loop) toimii siten että kehyksen sisällä oleva (ali)ohjelma suoritetaan N kertaa, missä N:n arvo syötetään kehyksen kulmassa olevaan N kytkentään, kulloinkin suoritettavana oleva silmukan käsiteltävänä oleva I:n arvo iteroidaan kohdassa I. Silmukkarakenteen soveltamiseen tarvittava kontrollirakenne ja muutokset ohjelmistoon on esitetty kuvassa 14. Etupaneelissa oleva liukukytkin on korvattu numeronäytöllä, johon syötetty luku puolestaan määrää ajonaikana silmukassa suoritettavien iterointien lukumäärän. Graafista esitystä varten lohkokaavioon on lisätty Bundle operaattori, jolla kerätään V,P lukuparit XY-graafina esitettäviksi. Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 10/16
Kuva 14 Muokattu Boyle-Mariotte malli a) etupaneeli, b) lohkokaavio G. Data ja johto tyypeistä Datatyyppeinä, joita voidaan käyttää LabVIEW-ohjelmissa VI:in ja funktioiden toiminnoissa, ovat esimerkiksi numeerinen, Boolean, merkkijono ja aaltofunktio. Kuvasta 14 voidaan nähdä, että LabVIEW esittää erilaiset datatyyppivirrat erilaisin värein esimerkiksi kokonaisluvut sinisellä ja reaaliluvut oranssilla. Viallinen kytkentä esitetään katkoviivalla. Seuraavassa edellä laadittua mallia kehitellään lisäämällä (vrt. kuva 15) siihen mahdollisuus joko tehdä tilavuuden muutoskoe yhdessä vakiolämpötilassa T2=293 K tai esivalita liukukytkimellä mittauksen aikainen vakiolämpötila. Kuvan 15 b) lohkokaaviossa on Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 11/16
tilavuuden muutoksen (2,7:stä pistemäärän tasavälinen tilavuuden vähentäminen) laskeminen korvattu kuvan 14 operaattorirakenteen asemasta kaava-objektilla (Formula Node), johon lisätty syötteinä ulomman silmukkarakenteen N ja indeksi i, tilavuuden vähentäminen on esitetty kaavana V=2.7-((2.7-1)/N*i;, mistä tilavuus tulostuu säiliölle ja numeronäytölle sekä toimii syötteenä paineen laskemiselle. Kuva 15 Boyle-Mariotte malli lämpötilavalinnoin: a) Etupaneeli näyttö, b) Lohkokaavio näyttö Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 12/16
Kaava-objektiin (Formula Node)syöte pisteet voi lisätä laatikon reunalla valikosta (add input). Kuvan 15 b) lohkokaaviossa Boolean kontrolli on kytketty case-rakenteeseen, jossa kuvassa määritelty false tilan käyttävän laskuissa vakiolämpötilaa 293. True-tilassa lohkokaaviossa voidaan lämpötilavalitsimen lukema johdottaa Case-rakenteen kautta, jolloin laskuissa käytetään valitsimella asetettua lämpötilaa. Lohkokaaviossa on matemaattisin operaattorein esitetty kaava P1=P0*V0*T1/T0 paineen laskemiseksi. Tällä mallilla saadaan siis tuloksena graafisesti esitettynä yksi tilavuus-paine käyrä kerrallaan. Kuva 16 Boyle-Mariotte kolmas vi versio Seuraavassa (kuva 16) mallia kehitetään siten, että siinä tulostuu kahdessa lämpötilassa tehdyt tilavuusmuutos-painemuutos käyrät rinnakkain. Tämän mallin toteuttamiseksi tarvitaan kaksi peräkkäistä ohjelman suoritusta. Kuvassa 16 on esittettynä Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 13/16
ohjelmistorakenne Flat Sequence, jossa filmin ruutujen sisällä olevat ohjelmat suoritetaan peräkkäin. Kuvassa 17 on esitetty Stacked Sequence-rakenne, jossa raamit/ruudut ovat päällekkäin Kuvan 16 mallissa on edeltävään version tehty seuraavia muutoksia: Aluksi malliin on lisätty Flat Sequence rakenne, jonka ensimäiseen ruutuun on sisällytetty kuvan 15 For Loop ohjelma, Seuraavaksi Flat Sequence rakenteeseen on lisätty toinen ruutu (ruudun reunassa valikko hiiren oikealla näppäimellä -> Add Frame After) For Loop monistettu toiseen raamiin, poistetaan etupaneelista tarpeettomat kopion mukana tulleet osat kytketään haettavien pisteiden asetuslaatikosta molempiin For Looppeihin N sekä kytketään lämpötila T2 kontrolli Lopuksi yhdistetään Bundle-funktioilta saatavat syötteet Build Array funktiolla graafisessa esityksessä tulostettavaksi Kuva 17 Erilaisia mahdollisia ohjelmatoteutuksia (vrt. kuva 16a); a ja b) Stacked Sequence, c) Formula Node kaksi painekäyrän pisteiden laskukaavaa Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 14/16
Kuvassa 17 on esitetty erilaisia tapoja toteuttaa malli. Kuvassa 18 malliin on lisätty painikkeet, joilla koe voidaan aloittaa ja lopettaa. Etupaneelin asetetuilla Boolean- painikkeilla ohjataan While Loo- rakennetta. H. Viitteet Kuva 18 Painikkeiden avulla suorituskontrolloitava malli 1. National Instruments Corporation: Getting Started with LabVIEW. Version 8.20. Austin 2006. http://www.ni.com/labview/eval 2. LabVIEW Student Edition 8.20. National Instruments Corporation, Austin 2007. http://www.ni.com/labviewse/ Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 15/16
3. Bishop R. H.: Learning with LabVIEW. Addison Wesley Longman, Inc. California 1999. 4. Johnson G.W.: Graphical programming: practical applications in instrumentation and control, 2 nd ed., McGraw-Hill, 1997. 5. Tłaczała W.: Modeling with LabVIEW. Handbook of Measuring System Design edited by Peter Sydenham and Richard Thorn. John Wiley & Sons Ltd (2005) pp. 685-694. 6. Tłaczała W.: Virtual Instrumentation in Physics; Handbook of Measuring System Design edited by Peter Sydenham and Richard Thorn. John Wiley & Sons Ltd (2005) pp. 695-701. 7. Tłaczała W., Jasionek M., Ulaczyk J., Zagórski A., Zaremba M.: A Virtual Experiment for e-learning and Teaching Nuclear Techniques. Advances in Technology-Based Education: Toward a Knowledge-Based Society. Proceedings of 3 rd International Conference on Multimedia and Information & Communication Technologies in Education. Caceres, Spain, 2005, Vol. II, pp. 672-676. 8. Tłaczała W., Jasionek M., Łopuszyński M., Ulaczyk J., Zagórski A.: Virtual Thermodynamics Experiments. Advances in Technology-Based Education: Toward a Knowledge-Based Society. Proceedings of 3 rd International Conference on Multimedia and Information & Communication Technologies in Education. Caceres, Spain, 2005. Vol. II, pp. 881-885. 9. Tłaczała W., Gorghiu G., Glava A. E., Bazan P., Kukkonen J., Mąsior W., Użycki J., Zaremba M.: Computer simulation and modeling in virtual physics experiments. Current Developments in Technology-Assisted Education, Proceedings of IV International Conference on Multimedia and Information & Communication Technologies in Education. Seville, Spain, 2006, pp. 1198-1202. 10. Tłaczała W.: Virtual Instrumentation System for Resonance Phenomena Studies with LabVIEW. National Instruments, 2006. http://digital.ni.com/worldwide/poland.nsf/web/all/bcec052fd323ae9f86257114005 6C795 Kurssimateriaali: LabVIEW alkeiden esittely 16/16