Instrumentationen - SchnittstellenSEP-Referat Instrumentationen + Schnittstellen Fekete Thomas / 5 AD Version 2.0 / 01 99
1. INSTRUMENTATIONEN 3 1.1 Allgemein 3 1.2 Von Analog zu Digital 5 1.2.1 Typische A/D-D/A Karte 6 1.2.2 Weitere A/D-D/A Karten für ISA- und PCI-Bus 7 1.3 Alles Digital 8 1.3.1 Digitale I/O und Relaiskarten 9 1.4 Software 10 1.5 Mikrosekundengenaue Echtzeit-Verarbeitung unter Windows? 11 1.6 Kriterien für den Kauf von Instrumentationen 12 2. SCHNITTSTELLEN 13 2.1 Allgemeines über Schnittstellen 13 2.2 Asynchrone - Synchrone Übertragung 14 2.3 Parallele Schnittstelle 15 2.4 Serielle Schnittstelle 17 2.5 Schnittstellenkarten 19 2.5 Universal Serial Bus - USB 20 2.5.1 Kundennutzen 20 2.5.2 Technische Details 20 2.6 IRDA 23 2.6.1 Allgemeines über Infrarot 23 2.6.2 Was ist IrDA ? 24 2.7 Kriterien für den Kauf von Schnittstellen 24 3. LISTE KONTAKTIERTER FIRMEN: 25
1.1 Allgemein Die computerbasierte Datenerfassung eröffnet neue Möglichkeiten für vielfältige Messungen. Instrumentationen werden von Ingenieuren und Wissenschaftlern verwendet, um elektrische Signale (Spannung, Strom, Energie) und physikalische Phänomene wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit und Schwingungen zu erfassen.. Weiters werden sie eingesetzt um virtuelle Meßsysteme aufzubauen. Diese Systeme werden in Forschung und Industrie eingesetzt, unter anderem für automatische Tests, Laborautomation, industrielle Steuerungen, Produktionssteuerungen und numerische Analysen. Instrumentationen haben folgende Funktionen:
Wenn man von Instrumentationen spricht muß man zwischen traditionelle Instrumentationen und virtuelle Instrumentationen unterscheiden. Traditionelle Instrumentationen sind eigenständige Geräte wie Voltmeter, Temperaturmesser, Druckmesser usw. bp999k5584bppj Virtuelle Instrumentationen werden dazu verwendet um den Computer in ein Meßlabor zu verwandeln. Die virtuelle Instrumentation ist eine PC Einsteckkarte und wird mit spezieller Software die unter verschiedenen Betriebssystemen läuft bedient. Die Meßdaten werden über die Einsteckkarte auf den Computer übertragen und die Meßsoftware veranschaulicht die ausgewerteten bzw. berechneten Daten auf dem Bildschirm. Datenerfassung wird in fast jeder Meßanwendung eingesetzt, von Temperaturmessungen bis zu Dehnungsmessungen. Die flexible Architektur der Datenerfassung eignet sich hervorragend für die Entwicklung von individuellen Instrumenten und für die Automatisierung von Messungen für alle Anwendungen, gleichgültig ob portabel, im Labor oder in der Produktion. Da wir eine Computer Schule besuchen, werde ich nur auf die virtuellen Instrumentationen eingehen. Die am meisten gemessenen Werte:
Das Messen einer Spannung ist eine typische Datenerfassungsanwendung. Einige DAQ-Karten (DAQ=Data Acquisition) messen bis zu +/- 42 V und andere bieten bis zu 64 Kanäle. Die Erfassungsraten können 5 MS/s pro Kanal bei 12 Bit und bis zu 20 MS/s pro Kanal bei 8 Bit erreichen. Spannungsmessungen werden z.B. häufig zum Lesen/Messen von fast allen Transducerausgaben, Batteriespannung und high-speed Transienten ausgeführt. Messungen am Stromstärkeeingang sind eng mit der Spannungsmessung verbunden. DAQ-Karten vereinfachen diese Messungen sehr, indem das Stromstärkesignal mit Hilfe eines Widerstands zu Spannung umgewandelt wird.
DAQ-Karten führen Frequenzmessungen auf unterschiedliche Art und Weise aus. Eine Möglichkeit ist der Gebrauch des auf der Karte integrierten Counter/Timers, um entweder die Periode oder die Anzahl pro Zeit für das hereinkommende Signal zu bestimmen. Aus dieser Information wird die Frequenz des Eingangssignals berechnet. Eine weitere Möglichkeit der Frequenzmessung ist durch Konditionierung. Dabei konvertiert ein externes Zusatzteil die Frequenz in eine proportionale DC-Spannung. Diese wird durch die DAQ-Karte gescannt und in Hertz skaliert. Frequenzmessungen werden für Informationen über rotierende Maschinen und Vibration verwendet. So kann man z.B. Datenerfassung einsetzten, um Geschwindigkeitsveränderungen einer Maschine oder eines Rades zu überwachen und aufzuzeichnen. Datenerfassung wird mit Signalkonditionierung für Druck und Dehnungsmessungen eingesetzt. Natürlich kann die Datenerfassung auch Druck und Dehnung bei hohen Raten überwachen und somit alle Feinheiten während der Dehnung oder Stauchung aufzeichnen. Anwendungsbeispiele sind: Pfeiler, Gehäuseflexibilität sowie angewandter Druck. So kann z.B. ein Dehnungsmeßstreifen an einen Brückenpfeiler befestigt werden, um mit Hilfe der Datenerfassung zu messen, wie stark sich die Brücke bei hohem Verkehrsaufkommen biegt.
Datenerfassung wird auch zunehmend für das Messen von oszillierenden oder dynamischen Signalen eingesetzt. Dynamische Signale sind Vibration und Audiosignale, die höhere Auflösung und Antialiasing-Filter benötigen. Die Entwicklung eines sigma-delta A/D Konverters hat die Datenerfassung dann in die vorderste Linie der Meßpräferenzen katapultiert. Jetzt bieten DAQ-Karten mehr als 200 kS/s Abtastraten pro Kanal, bis zu 4 Kanaleingänge, +/- 42 V Eingangsbereich und Antialiasing-Filter von über 90 dB runter bis zu 1/6 einer Oktave. In Kombination mit Oktavenanalyse, Reihenfolgen-Tracking, hochauflösender Spektrumanalyse und mit der Fähigkeit der Datenerfassung, Daten in Echtzeit in das RAM zu schicken, hat man eines der leistungsfähigsten und flexiblen Werkzeuge für dynamische Signale, die es auf dem Markt gibt.
Die Temperatur ist wahrscheinlich der am häufigste gemessene Wert. Datenerfassung ist dafür ideal, weil sie hohe Kanalzahlen und eine große Genauigkeit bietet. Temperaturen lassen sich auf verschiedene Art und Weise messen – doch zumeist mit Datenerfassung. Dabei sind Thermoelemente sehr weit verbreitet. DAQ-Karten mit extrem hoher Auflösung geben sehr genaue Temperaturdaten ab. Ein Beispiel für computerbasierte Temperaturmessung mit Datenerfassung ist die Überwachung aller Aspekte eines Autos von mehreren Punkten aus. Mit einem computerbasierten DAQ-Instrument kann man die Motortemperatur an 10 verschiedenen Punkten messen, die Auspufftemperaturen an 5 Punkten, die Temperatur der Benzinleitung an 5 Punkten und die Getriebetemperatur an 5 Punkten. Die Vorteile der Datenerfassung für die Messungen liegen besonders in der hohen Kanalzahl, der hohen Auflösung, den Filteroptionen sowie in der Fähigkeit zur Überwachung, zu Alarm und Datenspeicherung.
A/D- und D/A-Karten ermöglichen die Kommunikation des PCs mit analogen Geräten bzw. spannungs/stromgeführten Signalquellen. Insbesondere A/D-Karten dienen der Digitalisierung, Messung und Visualisierung von Spannungen und Vorgängen. D/A-Karten wiederum setzen digitale Eingaben in analoge Spannungen bzw. definierte Ströme um. Ein am Analogeingang der Karte anliegendes Signal wird mittels A/D-Wandler in ein 8, 12, 10, 16 oder mehr Bit breites digitales Signal umgesetzt. Die Datenausgänge werden in einer Routine vom Rechner ausgelesen und weiterverarbeitet. Die Erfassung von Wechselsignalen hängt vorzugsweise von der max. Abtastrate des Wandlers und der Rechnergeschwindigkeit ab. Je öfter ein Signal innerhalb einer Periode abgetastet wird, desto genauer ist es reproduzierbar. Um Sampling-Fehler (Aliasing) zu vermeiden, sollte die Abtastrate mindestens doppelt so hoch wie die maximale Frequenz des Analogsignals sein. (Beispiel: CD-Player 44,1kHz). Unterabstastung eines Signals (z.B. Sinus) führt unweigerlich zu Messfehlern, da eine Charakterisierung der Eingangsspannung nicht mehr möglich ist. Es ist wichtig, immer mit dem kleinstmöglichen Meßbereich zu arbeiten, um ein Maximum an digitalen Werten von der gemessenen Spannung zu erhalten. Eine D/A-Karte geht den umgekehrten Weg: Sie liest Daten vom Datenbus des Rechners und setzt diese in Analogwerte (Spannung oder Strom) um. Innerhalb eines bestimmten Bereichs kann so eine Spannung ausgeben werden. (Beispiel: Soundkarte). A/D- und D/A-Karten können prinzipiell sowohl unipolar als auch bipolar geschaltet werden, das heißt, sie können entweder einen Bereich von Null bis zu einem vorgegebenen Wert erfassen bzw. ausgeben, oder aber im bipolaren Betrieb sowohl positive als auch negative Spannungen und Ströme messen oder erzeugen. A/D- und D/A-Karten finden ihren Einsatz bei :
In Kombination eignen sich die Karten zur Regelung von Prozeßabläufen und zur Prozeßautomatisierung überall dort, wo im Prozeß auf äußere Bedingungen flexibel reagiert werden muß.
Steckbrief: 12-Bit-Multifunktionskarte für PCI-Bus Preis: 9250 ATS analoge Eingänge: 16/8(diff.) -tconv = 3µs -uni/bipolare Meßbereiche -A/D FIFO-Speicher auf Karte -automatische Kanaldurchschaltung bei Mehrkanalmessungen (sogar mit unterschiedlichen Meßbereichen) AD-Modi: -einfacher Softwaretrigger oder analoge Ausgänge: 2 -interner Quarztrigger oder digitale Eingänge: 4 -externer Triggerimpuls digitale Ausgänge: 4 Datenübertragung: -einfache Softwareabfrage oder -per Interrupt oder -per DMA. Software: (Zubehör im Lieferumfang, andere Software optional) Zubehör: PCI-9118 Library & Utility für DOS und Windows 95-DLL, im Lieferumfang PCIS-DASK/NT [/98]: ADLink Dataacquisition Softwarekits für Windows NT /98 PCIS-LVIEW/95 [/NT]: LabVIEW-Treiber für Windows 95 oder Windows NT DASYLab: Softwarepaket für Industrieanwendungen DAQBench: 32-bit Active-X-control für Windows NT/98 Lieferumfang: PCI-9118DG-Karte + Anleitung + DOS-Treiber (C/C++ Programmlibrary) + Windows 95-DLL.
Hinweis: AD: analoger Eingang, DA: analoger Ausgang, DI: digitaler Eingang DO: digitaler Ausgang
1.3 Alles Digital Digitale I/O-Karten eignen sich, um Schaltvorgänge von Digitalschaltungen auszulesen und zu erfassen. Ohne besondere Treiber bzw. Schutzelemente sind sie ausschließlich für Niederstromlasten einsetzbar. Am besten eignet sich eine Optokopplerkarte, die präzise und schnell äußere Schaltereignisse erfassen/steuern kann. Relaiskarten werden bevorzugt zur kleinen Leistungssteuerung eingesetzt. Sie sind sehr flexibel in der Wahl der verwendeten Spannung und verarbeiten Wechselspannungen und Ströme von 0,5 A und 2 A bzw. 10 / 50 Watt. Digitale I/O- und Relaiskarten schalten externe Stromkreise vom PC aus und können Schaltvorgänge im PC erfassen. Mittels Software werden die Ein- und Ausgänge der Karten gesteuert. Jedes Relais hat zwei eigene Anschlüsse, sodaß das Schalten von Spannungen mit unterschiedlichen Potentialen und auch das Schalten von Wechselspannung möglich ist. Ein ähnliches Verhalten zeigen Optokoppler. Sie fungieren oft als passive Eingänge und können somit nur Gleichstromvorgänge erfassen, zeichnen sich aber durch hohe Schaltgeschwindigkeiten und einen relativ weiten Spannungsbereich aus. Im Unterschied zum Relais ist das steuernde Signal letztlich Licht. Relaiskarten schalten externe Stromkreise direkt vom PC aus. Wird ein Relais per Port-Befehl angesprochen, wird der Kontakt entweder geöffnet oder geschlossen. Dabei ist zu beachten, daß der externe Strom nicht zu groß gewählt wird, da er sonst die Schaltkontakte des Relais überlastet. Jedes Relais hat mindestens zwei Kontaktanschlüsse, so daß das Schalten von Spannungen mit unterschiedlichen Potentialen und auch das Schalten von Wechselspannung möglich ist.
Was letztlich den entscheidenden Vorteil eines Computers in der Meß- und Automatisierungstechnik ausmacht, ist die Software, die zur Integration des Computers mit Meß- und Steuerungshardware eingesetzt wird. Ohne die Integrationssoftware können das Potential und die Vorteile von computerbasierten Meß- und Automatisierungssystemen nie ausgeschöpft werden. Der Schlüssel für die Kommunikation mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Hardwares sind Standard-API’s (Application Programming Interfaces). Die meisten Programme sind Sammlungen von Standard-API’s, die die Meß- und Steuerungsgeräte mit dem Computer integriert. In der Software enthalten sind Instrumententreiber und elementare Service, um Tausende computerbasierte Instrumente für Meß- und Automatisierungsanwendungen zu programmieren und zu steuern. Die Umfrage unter den Lesern von Personal Engineering and Instrumentation News zeigt, daß LabVIEW, LabWindows/CVI und Component Works die meistgenutzte Meß- und Automatisierungssoftware ist. Auch in der Elektrotechnik Abteilung unserer HTL wird mit der LabVIEW Software gearbeitet.
PCs mit MS-Windows als Betriebssystem sind für Meß- und Steuerungsaufgaben inzwischen weit verbreitet. Doch die mangelnde Echtzeit-Fähigkeit von Windows bereitet bei vielen Anwendungen Probleme. Mit speziellen Software-Erweiterungen ist dennoch der Einsatz von Windows beispielsweise in Echtzeit-Steuerungen möglich. Wie können nun aber intelligente Meßwerterfassungskarten die Reaktionszeit noch weiter verkürzen? Immer noch wird der Begriff "Echtzeit" in der Werbung und auch von Experten in der Fachpresse als eine Art Maßeinheit für die Schnelligkeit einer Aufgabenverarbeitung verwendet. Mit dem Begriff "Echtzeit" wird aber lediglich festgelegt, daß ein System innerhalb einer definierten Zeit auf eine Anforderung reagieren muß. Zur Beschreibung einer Steuerungs- und Regelungsaufgabe reicht es aber nicht aus, "Echtzeit" zu fordern. Die Anforderungen sind erst vollständig definiert, wenn außerdem die Zeit angegeben wird, in der das System mit Sicherheit reagiert haben muß. Echtzeit - was ist das? Je nach Art der Anwendung kann sich diese Reaktionszeit innerhalb eines weiten Bereichs bewegen:
Der Begriff "Reaktionszeit" läßt sich in diesem Zusammenhang wie folgt definieren: Reaktionszeit ist die Zeitspanne zwischen dem Eintreffen eines Anforderungssignals am Eingang eines Meß- und Steuerungssystems und der Ausgabe eines Antwortsignals am Ausgang desselben Systems. Die Zeit für die Verarbeitung des Signals entsprechend der Meßaufgabe ist in dieser Zeitspanne bereits enthalten. Die Geschwindigkeitsanforderung der Meßaufgabe ist deshalb immer die Basis für die Auswahl des Meß- und Steuerungssystems.
Man sollte an Hand dieser Liste die verfügbaren Meßkarten oder Meßsysteme beurteilen. Manchmal muß man den Vorteil eines schnellen und genauen Systems gegen den hohen Preis aufwägen. Billige System erfordern dagegen meist großen Programmieraufwand oder sind sehr langsam. Messtechnik und PC-Messkarten sind allgemein gesehen nicht komplizierter als die Installation einer Festplatte in einen Rechner. Der Vergleich ist passend, da eine Festplatte wie auch die Messkarte diverse Anschlüsse aufweisen, nach Kapazitäten, Bittiefen, Geschwindigkeiten und Anschlussart ausgewählt werden und ohne eine bestimmte Betriebssoftware nicht funktionieren kann.
Viele Entwickler favorisieren den ISA-Bus, denn die Vorteile liegen klar auf der Hand. Als einziger Bus aller bisheriger Personal-Rechner (PC, XT,AT,PS2 mit EISA, Micorchanal, VLB, PCI...), verfügt der ISA-Bus über ein bestechend klares, einfaches I/O-Bus-Konzept das jeder Anwender schnell und leicht durchschaut. Alle Signale sind exakt definiert und mit dem am Markt üblichen Bauteilen ist es kein Problem eine sichere, industriegerechte Schaltung zu entwickeln. Der zuletzt vorgestellte PCI-Bus hat bereits schon 4 große Revisionen hinter sich. Ein endgültiger Stand (geschweige Standard) ist nicht abzusehen. Daher kann es sein, daß Sie heute eine PCI-Karte kaufen, die morgen bereits nicht mehr in Ihrem neuen Rechner funktioniert (oder umgekehrt). Schade eigentlich, denn der PCI-Bus ist in seiner Grundidee garnicht mal so schlecht. Vor lauter geänderten Konventionen weiß der Hardware-Entwickler nur nicht mehr wie er zukünftig vorgehen soll, denn er soll ja schließlich ein gutes Langzeitprodukt für die Industrie entwerfen.
Die Frage: "Was ist denn jetzt besser" ist nicht so einfach zu beantworten. In der Regel ist dies von der entsprechenden Anwendung selbst, der geforderten Betriebssicherheit, den Gesamtanschaffungskosten, der PC-Leistung und der möglichen/erhältlichen Mess-Software abhängig.
2.1 Allgemeines über Schnittstellen Schnittstellen (Interface) sind immer dann zu beachten, wenn zwei unterschiedliche Geräte zusammenarbeiten sollen, z.B. Computer und Drucker. Damit diese peripheren Geräte auch mit dem Computer kommunizieren können, müssen sie in der Regel über ein Kabel, dem sogenannten Schnittstellenkabel, mit diesem verbunden werden. Insgesamt werden drei Möglichkeiten der Datenübertragung unterschieden: Simplex, Halb-Duplex, Voll-Duplex (Bild 1). Dabei kann eine Schnittstelle sowohl die Möglichkeit des Sendens als auch des Empfangens beinhalten. Abb. 1 Datenübertragungsarten
Zeichen werden grundsätzlich im 8-Bit Format dargestellt (kodiert), d.h. für die Übertragung von Zeichen (Zeichenfolgen), was jede Datenübertragung letztlich darstellt, ergibt sich die einfache Möglichkeit, daß die notwendigen 9 Leitungen (8 Datenleitungen, 1 Masseleitung) einfach mit Hilfe einer entsprechenden Steckverbindung zum peripheren Gerät weitergeleitet werden. Es befinden sich also alle 8 Datenleitungen parallel nebeneinander, so daß man von einer parallelen Schnittstelle spricht (Bild 2).
Obwohl die technische Realisation des Übertragungsverfahrens primär nicht zu dem Bereich der Schnittstelle gehören, sollen sie hier kurz erwähnt werden. Ein Problem bei jeder Datenübertragung (Kommunikation) besteht in der Mitteilung des Beginns und des Endes der Übertragung. Sender und Empfänger müssen also gleichgeschaltet, synchronisiert, werden. Diese Gleichschaltung kann mit jedem einzelnen zu übertragenen Zeichens auf neue erfolgen, z.B. beim Morsen durch Übertragen eines Tones bestimmter Dauer, so daß der Empfänger weiß, jetzt kommt ein Zeichen. Diese Methode bezeichnet man auch als as |