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 Grundlagen der PC-gestützten Datenerfassung [PDF, 318 kB]
Dieses Whitepaper behandelt die Bestandteile eines PC-gestützten Datenerfassungssystems sowie die Aspekte, die es bei der Auswahl der geeigneten Komponenten eines derartigen Systems zu beachten gilt.
Inhaltsverzeichnis:
Einleitung
Der Personal Computer
Datenerfassungshardware
Software
Sensoren und Signalkonditionierung
Erweiterung der PC-Plattform
Wissenschaftler und Ingenieure verwenden heute für Datenerfassungsaufgaben im Rahmen der Forschung im Labor, von Mess- und Prüfapplikationen sowie der Industrieautomatisierung meist Personal Computer (PC) mit PCI-, PXI-, CompactPCI-, PCMCIA-, USB-, FireWire-, parallelen oder seriellen Schnittstellen. Oftmals kommen Steckkarten zum Einsatz, wobei die hiermit erfassten Daten direkt an den Arbeitsspeicher übertragen werden. Bei der Datenfernerfassung hingegen wird die vor Ort installierte Hardware via Ethernet-, paralleler oder serieller Schnittstelle an den PC angebunden. Die erzielbare Messgenauigkeit eines PC-basierten Datenerfassungssystems hängt dabei von jeder der folgenden Systemkomponenten ab (vgl. Abb. 1):
PC
Datenerfassungshardware
Software
Sensoren
Signalkonditionierung
Dieses Whitepaper geht ausführlich auf jede dieser Komponenten ein und erklärt jeweils die wichtigsten Aspekte. Zudem wird für jede Komponente eines PC-gestützten Datenerfassungssystems das Gros der jeweiligen Terminologie vorgestellt.
Abb. 1: Ein typisches PC-basiertes Datenerfassungssystem
Der verwendete PC hat entscheidenden Einfluss auf die maximale Abtastrate bei der kontinuierlichen Datenerfassung. Dank der ständigen Weiterentwicklung der Computertechnologie kommt man natürlich auch bei einem PC-basierten DAQ-System in den Genuss der fortgeschrittenen Fähigkeiten moderner PCs, wie etwa verbesserter Echtzeitverarbeitung, anspruchsvollerer Grafik und höheren Durchsatzes bei der kontinuierlichen Datenspeicherung auf die Festplatte ("Streaming"). Aktuelle Computer warten mit leistungsstarken Pentium IV Prozessoren kombiniert mit hochleistungsfähigen Busarchitekturen auf. PCI-Bus und USB-Schnittstelle sind bei der Mehrzahl der heutigen Desktop-Rechner Standard und ermöglichen theoretisch eine Datenübertragungsrate von 132 MB/s. PC-Busse für externe und mobile Geräte – beispielsweise PCMCIA, USB und FireWire – ermöglichen flexible Alternativen zu Desktop-gestützten Datenerfassungssystemen und bieten Übertragungsraten von bis zu 40 MB/s. Bei verteilten sowie Ferndatenerfassungs-Applikationen werden Messknoten in der Nähe von Sensoren und Signalquellen platziert, wobei die Kommunikation über Standard-Netzwerktechnologien, also z. B. drahtlos oder über Ethernet- bzw. serielle Schnittstellen erfolgt. Bei der Auswahl von Datenerfassungsgerät und Busarchitektur gilt es, die von beiden unterstützten Datenübertragungsmodi und -raten zu berücksichtigen.
Die Datenübertragungsmöglichkeiten des Rechners haben mitunter erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Datenerfassungssystems. Vor zwanzig Jahren lagen die Datenübertragungsraten von Computern noch bei ca. 5 MHz – extrem langsam verglichen mit heutigen Rechnern. Steigt die Geschwindigkeit des PCs, so steigt logischerweise auch die Geschwindigkeit des auf ihm basierenden Datenerfassungssystems.
Moderne PCs beherrschen sowohl den programmierten I/O ("PIO") als auch die Interrupt-gesteuerte Datenübertragung. Beim DMA-Datentransfer (Direct Memory Access) wird der Systemdurchsatz mithilfe eines dedizierten Controllers zur direkten Übertragung der Daten in den Arbeitsspeicher erhöht. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass der Prozessor von Daten-I/O-Aufgaben befreit wird und somit für komplexere Aufgaben zur Verfügung steht. NI-DAQ 7, National Instruments' Treibersoftware für die Datenerfassung, dient als Schnittstelle zwischen Messhardware und Rechner. Die enthaltenen DMA-Routinen zur Übertragung von Signaldaten über den PC-Bus wurden in dieser neuen Version von NI-DAQ weiter optimiert und ermöglichen so den schnellstmöglichen Datentransfer. Um die Vorteile der DMA- oder Interrupt-gesteuerten Datenübertragung überhaupt nutzen zu können, muss auch das Datenerfassungsgerät diese Übertragungsmodi unterstützen. PCI- und FireWire-gestützte Geräte bieten Unterstützung für beide Übertragungsmodi, PCMCIA- und USB-basierte Hardware hingegen nur für Interrupt-gesteuerte Übertragung. Je nach Ausmaß der erforderlichen Datenverarbeitung während der Datenübertragung kann sich der verwendete Übertragungsmodus nachteilig auf die Geschwindigkeit des Datentransfers vom Datenerfassungsgerät zum Arbeitsspeicher des Rechners auswirken.
Als Flaschenhals beim Abspeichern großer Datenmengen in Echtzeit stellt sich oft die Festplatte heraus. Langsame Zugriffszeit und starke Fragmentierung der Festplatte können sich äußerst negativ auf die maximale Geschwindigkeit auswirken, mit der Daten kontinuierlich erfasst und auf Festplatte geschrieben werden können. Sind Signale hoher Frequenz zu erfassen, so sollte der PC über eine schnelle Festplatte mit genügend zusammenhängendem (also nicht fragmentiertem), freiem Platz für die Daten verfügen. Es ist empfehlenswert, für die kontinuierliche Datenspeicherung eine eigene Festplatte zu reservieren und das Betriebssystem auf einer anderen Festplatte auszuführen.
Früher bedurfte es zur Echtzeitverarbeitung von hochfrequenten Signalen eines Hochgeschwindigkeits-32-bit-Prozessors samt zugehörigem Coprozessor oder aber eines dedizierten Prozessors, beispielsweise eines DSP-Chips (Digital Signal Processing), auf einer entsprechenden Steckkarte. Angesichts der hohen Taktraten moderner Prozessoren von 2,5 GHz und mehr lassen sich derartige Echtzeitanalysen inzwischen jedoch auch ohne spezielle DSP-Hardware durchführen.
Die Auswahl des Betriebssystems sowie der Rechnerplattform muss dahingehend erfolgen, dass zum einen den aktuellen Anforderungen entsprochen und zum anderen eine auch langfristig lohnende Investition getätigt wird. Zu den Faktoren bei dieser Entscheidung gehören u. a. die Erfahrung und Ansprüche sowohl der Entwickler als auch der Anwender, sonstige gegenwärtige wie zukünftige Verwendungszwecke des Rechners, Budgetbeschränkungen, die Verfügbarkeit anderer Rechner im zeitlichen Rahmen der Implementierung des Datenerfassungssystems und die Softwareunterstützung der jeweiligen Betriebssysteme. Zu den Standard-Plattformen gehören Mac OS, bekannt für seine unkomplizierte grafische Benutzeroberfläche, und Windows 2000 bzw. XP, die sich durch native Plug&Play-Fähigkeit und Energieverwaltung auszeichnen. Echtzeitfähige Betriebssysteme wiederum glänzen durch ihr hohes Maß an Zuverlässigkeit und Robustheit – Aspekte, die in manchen Fällen eine entscheidende Rolle spielen können.
Innerhalb der Datenerfassungshardware für PC-basierte Systeme gibt es mehrere verschiedene Geräteklassen, die je nach Art der Anwendung in Betracht kommen:
Analogeingangs-/-ausgangsmodule
Digitaleingangs-/-ausgangsmodule
Counter/Timer
Multifunktions-Datenerfassungsmodule (bieten eine Kombination aus Analog-, Digital- und Counter-I/O-Operationen)
Analogeingänge
Grundsätzliche Überlegungen zu Analogeingängen – Die Analogeingangsspezifikationen eines Datenerfassungsgeräts geben Auskunft über dessen Funktionen und Genauigkeit. Die Standardspezifikationen der meisten Datenerfassungsprodukte enthalten Angaben zur Anzahl der Kanäle, Abtastrate, Auflösung sowie zum Eingangsbereich.
Anzahl der Kanäle – Bei Geräten sowohl mit single-ended als auch mit differenziellen Analogeingängen werden dementsprechend zwei Zahlen angegeben. Single-ended Eingänge sind über einen gemeinsamen Massepunkt geerdet. Solche Eingänge werden i. d. R. verwendet, wenn die Eingangsspannungen über 1 V liegen, die Kabellänge zwischen Signalquelle und Analogeingangshardware relativ gering ist (unter 5 m) und alle Eingangssignale über einen gemeinsamen Massepunkt geerdet werden können. Werden diese Kriterien nicht erfüllt, so sollten differenzielle Eingänge verwendet werden. Bei differenziellen Eingängen wird jeder Eingangskanal über einen eigenen Massepunkt geerdet; da so der aus Gleichtaktspannungen in den Kabeln resultierende Rauschanteil des Signals eliminiert werden kann, lassen sich die durch Rauschen bedingten Messfehler reduzieren.
Abtastrate – Dieser Parameter beschreibt die Häufigkeit der durchführbaren Analog-Digital-Umwandlungen. Eine höhere Abtastrate ermöglicht es, in einem bestimmten Zeitraum mehr Daten zu erfassen und somit das Originalsignal präziser abzubilden. Bei mehreren Kanälen können Daten entweder simultan mithilfe von mehreren A/D-Wandlern oder aber durch Multiplexen erfasst werden, wobei ein und derselbe A/D-Wandler zuerst einen Kanal abtastet, dann auf den nächsten Kanal geschaltet wird und diesen abtastet usw. Multiplexen ist eine gängige Methode der Erfassung verschiedener Signale mit nur einem A/D-Wandler.
Auflösung – Hierunter versteht man die Anzahl der Bits, die dem A/D-Wandler zur Darstellung eines Analogsignals zur Verfügung stehen. Je höher die Auflösung, desto größer die Anzahl der Unterbereiche, in die der Gesamteingangsbereich aufgeteilt wird, und desto geringer die gerade noch messbare Spannungsänderung. Abbildung 2 zeigt eine Sinuswelle und ihre digitale Repräsentation bei Verwendung eines perfekten 3-bit-A/D-Wandlers. Ein 3-bit-A/D-Wandler (der zwar selten eingesetzt wird, sich aber gut als Anschauungsbeispiel eignet) unterteilt den Gesamteingangsbereich gemäß 2Auflösung in 23, also 8 Unterbereiche.
Jeder Unterbereich wird durch einen Binärcode zwischen 000 und 111 dargestellt. Wie unschwer zu erkennen ist, lässt die digitale Darstellung des analogen Originalsignals sehr zu wünschen übrig, da bei der A/D-Umwandlung Informationen verloren gingen. Erhöhen wir die Auflösung des Wandlers hingegen auf 16 bit, so steigt die Anzahl der vom A/D-Wandler gelieferten Binärcodes von 8 auf 216, also 65.536 an. Dies gestattet eine extrem genaue digitale Darstellung des Analogsignals – zumindest bei sorgfältiger Auslegung des Analogeingangs.
Abb. 2: Mit einer Auflösung von 3 bit digitalisierte Sinuswelle
Eingangsbereich – Dieser Begriff beschreibt den minimalen und maximalen Spannungspegel, den ein A/D-Wandler zu quantisieren in der Lage ist. Multifunktions-Datenerfassungsmodule von NI bieten mehrere wählbare Eingangsbereiche, wodurch sie für die Handhabung diverser Signalspannungen geeignet sind. Diese Flexibilität erlaubt es, den Spannungsbereich des Eingangssignals an den des A/D-Wandlers anzupassen und somit dessen Auflösung optimal zu nutzen.
Codebreite – Aus Eingangsbereichen, Auflösung und Verstärkungsfaktoren eines Datenerfassungsmoduls lässt sich die geringste noch messbare Spannungsänderung ermitteln. Der Wert dieser Spannungsänderung entspricht dem sog. geringwertigsten Bit, engl. LSB (Least Significant Bit), des Binärcodes und wird häufig als Codebreite bezeichnet. Die ideale Codebreite lässt sich durch Division des Eingangsbereichs durch das Produkt Verstärkungsfaktor mal 2Auflösung ermitteln. Eine der 16-bit-Multifunktions-Datenerfassungskarten von NI, das Modell NI-6052E, bietet beispielsweise einen wählbaren Eingangsbereich von entweder 0 bis 10 V oder -10 bis 10 V sowie einen einstellbaren Verstärkungsfaktor von 1, 2, 5, 10, 20, 50 oder 100. Bei einem Eingangsbereich von 0 bis 10 V und einem Verstärkungsfaktor von 100 ergibt sich die ideale Codebreite mittels folgender Gleichung:
10 V/(100 • 216) ≈ 1,5 µV
Weitergehende Überlegungen zu Analogeingängen -- Selbst wenn ein Datenerfassungsmodul gemäß den soeben beschriebenen Basisspezifikationen einen A/D-Wandler mit einer Auflösung von 16 bit und eine Abtastrate von 100 kS/s aufweist, so bedeutet dies nicht, dass bei Abtastung aller 16 Kanäle mit maximaler Geschwindigkeit tatsächlich die der Auflösung von 16 bit entsprechende Genauigkeit erzielt werden kann. So bieten beispielsweise einige der Produkte am Markt trotz 16-bit-Wandlers eine geringere Genauigkeit als gute 12-bit-Geräte. Um vor einer Kaufentscheidung zu evaluieren, ob das anvisierte Produkt die gewünschten Ergebnisse liefern wird, gilt es, auch Spezifikationen jenseits der Auflösung unter die Lupe zu nehmen. Der Accuracy Calculator gibt detailliert Auskunft über die mit Datenerfassungsmodulen von National Instruments erzielbare Messgenauigkeit. Das Measurement Ready White Paper behandelt ausführlich die Aspekte Messqualität, Softwareintegration und Support bei auf NI-Produkten basierenden Datenerfassungssystemen.
Bei der Evaluierung von Datenerfassungsprodukten sollten auch folgende Spezifikationen berücksichtigt werden: differenzielle Nichtlinearität (DNL), relative Genauigkeit, Einschwingzeit des Instrumentenverstärkers und Rauschen.
DNL -- Im Idealfall steigen mit zunehmender Signalspannung am Eingang des Datenerfassungsmoduls auch die entsprechenden, vom A/D-Wandler ausgegebenen Binärcodes linear an. Wollte man in einem Koordinatensystem Spannung gegen Binärcode auftragen, so ergäbe sich bei einem perfekten A/D-Wandler eine gerade Linie. Abweichungen von dieser geraden Ideallinie werden als Nichtlinearität spezifiziert. Die DNL ist ein in LSB angegebenes Maß für die im ungünstigsten Falle auftretende Abweichung der Codebreiten von ihrem Idealwert 1 LSB. Ein perfektes Datenerfassungsgerät besäße eine DNL von 0 LSB. In der Realität hingegen weist schon ein gutes Gerät eine DNL von ±0,5 LSB auf.
Hinsichtlich der Codebreite gibt es keine Obergrenze. Eine Codebreite kann jedoch nicht weniger als 0 LSB betragen und die differenzielle Nichtlinearität somit im ungünstigsten Fall -1 LSB. Datenerfassungsgeräte mit geringer Leistungsfähigkeit weisen mitunter Codebreiten von [annähernd] Null auf, mit anderen Worten, es fehlen Binärcodes. Egal welche Eingangsspannung an einem Datenerfassungsgerät mit fehlenden Codes angelegt wird – der quantisierte Spannungswert kann nie dem Wert entsprechen, den der fehlende Binärcode repräsentiert. Zuweilen wird die differenzielle Nichtlinearität durch die Angabe spezifiziert, dass das betreffende Datenerfassungsmodul keine fehlenden Codes aufweise. Dies bedeutet zwar, dass die DNL-Untergrenze von -1 LSB nicht unterschritten wird, Spezifikationen hinsichtlich der DNL-Obergrenzen fehlen jedoch. National Instruments bürgt dafür, dass sämtliche Datenerfassungsprodukte der E-Serie keinerlei fehlende Codes aufweisen; zudem geben die klaren Angaben zur DNL-Spezifikation Auskunft über die Linearität des Geräts.
Angenommen das Datenerfassungsmodul mit einer Codebreite von 1,5 µV aus unserem Beispiel weist bei knapp über 500 µV einen fehlenden Code auf; würde nun die Eingangsspannung auf 502 µV steigen, so wäre dieser Anstieg nicht registrierbar. Erst wenn die Spannung um ein weiteres LSB – in unserem Beispiel also jenseits von 503 µV – stiege, würde die Spannungsänderung registriert. Mangelhafte DNL führt somit zu verringerter Auflösung des Geräts.
Relative Genauigkeit -- Sie ist ein Maß (angegeben in LSB) für die im ungünstigsten Falle eintretende Abweichung von der geradlinigen Transferfunktion eines perfekten Datenerfassungsmoduls. Zur Bestimmung der relativen Genauigkeit eines Datenerfassungsgeräts wird ein dem unteren Limit seines Eingangsbereichs entsprechendes Spannungssignal angeschlossen, dieses digitalisiert und anschließend die Spannung um einen festgelegten Betrag erhöht; diese Schritte werden nun sooft wiederholt, bis der gesamte Eingangsbereich des Geräts abgedeckt wurde. Bei der grafischen Darstellung der digitalisierten Spannungen ergibt sich auf den ersten Blick eine gerade Linie (vgl. Abb. 3a). Subtrahiert man jedoch die errechneten Werte einer tatsächlich geraden Linie von den digitalisierten Werten, so erhält man eine Darstellung wie etwa in Abbildung 3b gezeigt. Die maximale Abweichung dieser Kurve von der Null-Linie wird als relative Genauigkeit bezeichnet.
Abb. 3: Bestimmung der relativen Genauigkeit eines Datenerfassungsgeräts.
Abb. 3a zeigt die auf den ersten Blick gerade Linie, die sich durch das stufenweise Abtasten des gesamten Eingangsbereichs ergibt.
Abb. 3b hingegen zeigt durch Subtraktion errechneter, tatsächlich linearer Werte, dass die Linie in Abb. 3a nicht exakt gerade verläuft.
Zur Umwandlung der vom A/D-Wandler gelieferten Binärcodes in entsprechende Spannungswerte multipliziert die Treibersoftware des Datenerfassungsgeräts sämtliche Binärcodes mit einer Konstante. Eine gute relative Genauigkeit spielt bei einem Datenerfassungsgerät eine große Rolle, denn sie ermöglicht erst die präzise Umrechnung der vom A/D-Wandler ausgegebenen Binärcodes in Spannungswerte. Voraussetzung für gute relative Genauigkeit ist ein durchdachtes Design sowohl des A-D-Wandlers als auch der Analogschaltkreise des Datenerfassungsmoduls.
Einschwingzeit –- Sie beschreibt die Zeit, die Verstärker, Relais und sonstige Schaltungen benötigen, bis ihr stabiler Betrieb gewährleistet ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Instrumentenverstärker gar nicht einschwingt, ist bei der simultanen Erfassung mehrerer Kanäle unter Verwendung hoher Verstärkungsfaktoren und Abtastraten am höchsten. Unter diesen Bedingungen bereitet einem gewöhnlichen Instrumentenverstärker die Erfassung großer Spannungssprünge, die beim Umschalten des Multiplexers zwischen verschiedenen Eingangskanälen häufig auftreten, erhebliche Probleme. Als Faustregel gilt: je höher der Verstärkungsfaktor und je kürzer die Umschaltzeit zwischen den Kanälen, umso niedriger die Wahrscheinlichkeit, dass der Instrumentenverstärker einschwingt. Kein handelsüblicher Instrumentenverstärker mit programmierbarem Verstärkungsfaktor ist in der Lage, sich bei einem Verstärkungsfaktor von 100 in weniger als 2 µs auf 12-bit-Genauigkeit einzuschwingen. Deshalb entwickelte National Instruments einen speziell für Datenerfassungsapplikationen konzipierten Instrumentenverstärker: NI-PGIA. Geräte mit diesem Verstärker können auch bei hohen Verstärkungsfaktoren und Abtastraten zuverlässig einschwingen.
Rauschen –- Jeglicher unerwünschte Signalanteil im digitalisierten Signal eines Datenerfassungsgeräts gilt als Rauschen. Da es sich bei einem PC jedoch um eine verrauschte digitale Umgebung handelt, erfordert die PC-gestütze Datenerfassung den Einsatz einer von erfahrenen Analogentwicklern sorgfältig konstruierten Mehrlagenplatine. Werden A/D-Wandler, Instrumentenverstärker sowie die Schaltkreise für die Busschnittstellen wahllos auf eine 1- oder 2-lagige Platine gepackt, so erhält man fast zwangsläufig ein sehr rauschanfälliges Gerät. Zur Reduzierung der Rauschempfindlichkeit werden Datenerfassungskarten häufig mit einer Metallschirmung versehen. Angemessene Schirmung ist nicht nur um empfindliche analoge Bereiche auf der Datenerfassungskarte herum angebracht, sondern muss auch in Masseflächen aufweisende Lagen der Platine integriert werden. Abb. 4 zeigt die grafische Darstellung von DC-Signalen bei einem Eingangsbereich von ±10 V und einem Verstärkungsfaktor von 10. Ein LSB entspricht in diesem Falle 31 µV, ein Rauschpegel von 20 LSB somit 620 µV. Abb. 5 zeigt ein verrauschtes DC-Signal, erfasst mit zwei verschiedenen Datenerfassungsprodukten; bei den beiden Modellen kommen identische A/D-Wandler zum Einsatz. Aus den Diagrammen lassen sich zwei Eigenschaften der jeweiligen Datenerfassungskarte ablesen: Rauschbereich und Werteverteilung. Diagramm 5a (PCI-6030E von National Instruments) zeigt eine Verteilung mit zahlreichen Werten um Null und nur wenigen Werten bei anderen Codes. Es handelt sich um eine Gausssche Verteilung – typisch für Zufallsrauschen. Aus der Kurve können wir ablesen, dass sich der Spitzenpegel des Rauschens im Bereich von ±3 LSB bewegt. Der Werteverteilung im Diagramm in Abb. 5b (sehr rauschanfälliges Datenerfassungsprodukt des Mitbewerbs) hingegen unterscheidet sich erheblich von der in Abb. 5a. Das Konkurrenzprodukt weist Rauschen in einer Größenordnung von mehr als 20 LSB auf, wobei zahlreiche Werte an unerwarteten Stellen auftauchen.
Abb. 4: Die 40 DC-Signale, die am Instrumentenverstärker eingehen und multigeplext werden, erscheinen zusammen wie ein einziges hochfrequentes AC-Signal.
Abb. 5: Die Rauschkurven zweier Datenerfassungsprodukte mit deutlich verschiedenem Rauschverhalten trotz Verwendung identischer 16-bit-A/D-Wandler.
Diagramm 5a stammt von einer NI PCI-6030E, Diagramm 5b von einem durchschnittlichen Konkurrenzprodukt.
Beim Einsatz anspruchsvoller Messhardware wie etwa Einsteckkarten lassen sich je nach verwendetem Produkt signifikant unterschiedliche Genauigkeiten erzielen. NI bietet extrem messgenaue Datenerfassungsprodukte an, die in manchen Fällen sogar die Genauigkeit von Stand-alone-Geräten übertreffen. NI gibt die Genauigkeit in den Spezifikationstabellen zu seinen Produkten an. Bei Produkten, deren Spezifikationen unvollständig sind, ist Vorsicht geboten, denn schon eine fehlende Spezifikation kann zu unzureichend genauen Messergebnissen führen. Durch Evaluieren von Analogeingangsspezifikationen über die bloße Auflösung des A/D-Wandlers hinaus kann sichergestellt werden, dass man ein Datenerfassungsgerät erwirbt, das die für die jeweilige Anwendung erforderliche Messgenauigkeit bietet.
Analogausgänge
Analogausgänge werden häufig benötigt, um Datenerfassungssysteme mit Stimulussignalen zu versorgen. Dabei entscheiden verschiedene Spezifikationen des D/A-Wandlers über die Qualität des erzeugten Ausgangssignals: Einschwingzeit, Anstiegsgeschwindigkeit und Auflösung des Ausgangs.
Einschwingzeit -- Sie ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der sich der Ausgang auf die angegebene Genauigkeit einschwingt. Normalerweise wird die Einschwingzeit für einen Spannungssprung zwischen dem unteren und oberen Limit des Ausgangsbereichs angegeben. Nähere Informationen zur Einschwingzeit finden Sie im Abschnitt Analogeingänge.
Anstiegsgeschwindigkeit – Sie beschreibt die maximale Geschwindigkeit, mit der ein D/A-Wandler eine Signaländerung realisieren kann. Einschwingzeit und Anstiegsgeschwindigkeit zusammen bestimmen, wie schnell ein D/A-Wandler den Pegel des ausgehenden Signals aktualisieren kann. Folglich ist ein D/A-Wandler mit kurzer Einschwingzeit und hoher Anstiegsgeschwindigkeit in der Lage, hochfrequente Signale zu erzeugen, denn er benötigt nur sehr wenig Zeit, um den Pegel des ausgehenden Signals präzise anzupassen.
Ein Beispiel für eine Applikation, die hohe Ansprüche hinsichtlich dieser Parameter stellt, ist die Erzeugung von Audiosignalen. Der D/A-Wandler muss eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit und minimale Einschwingzeit aufweisen, um die hohen, zur Abdeckung des gesamten Audiospektrums erforderlichen Frequenzen erzeugen zu können. Ein Beispiel für eine Anwendung, die keine schnelle D/A-Umwandlung erfordert, wäre die Steuerung eines Heizers mithilfe einer entsprechenden Spannungsquelle. Da ein Heizer ohnehin nur träge auf eine Änderung der Steuerspannung reagieren kann, wäre eine schnelle D/A-Umwandlung überflüssig.
Ausgangsauflösung – Sie ist analog zur Eingangsauflösung zu sehen, d. h. sie beschreibt die Anzahl der Bits des Binärcodes, gemäß dem das analoge Ausgangssignal generiert wird. Je höher die Anzahl der Bits, desto geringer das Ausmaß der geringsten realisierbaren Änderung der Ausgangsspannung und desto glatter die erzielbaren Spannungssignalverläufe. Analogausgänge mit hoher Auflösung kommen bei Applikationen zum Einsatz, die einen breiten Dynamikbereich mit feiner Spannungsabstufung voraussetzen.
Trigger
Bei vielen Messapplikation ist es erforderlich, Datenerfassungsoperationen auf der Basis externer Ereignisse zu starten oder zu beenden. Zur Synchronisierung von Datenerfassung und Signalerzeugung mit einem externen digitalen Puls dienen Digitaltrigger. Analogtrigger hingegen finden vor allem bei Analogeingangsoperationen Verwendung und beginnen oder beenden eine Datenerfassungsoperation, sobald das Eingangssignal einen bestimmten Spannungsschwellenwert erreicht und eine bestimmte Flankenpolarität aufweist. Ob nur ein einziges Messgerät oder gleich mehrere eingesetzt werden – die Treibersoftware NI-DAQ ermöglicht die schnelle und einfache Konfiguration aller Triggereinstellungen.
Synchronisation mehrerer Messgeräte
Zur Synchronisation unterschiedlichster Messhardware entwickelte NI den RTSI-Bus (Real-Time Synchronization Interface). Beim RTSI-Bus werden Timing- und Triggersignale mittels eines eigens entwickelten Gate-Arrays und eines Flachbandkabels zwischen den diversen Funktionseinheiten auf ein und derselben Steckkarte bzw. zwischen verschiedenen Karten geroutet. Mithilfe des RTSI-Busses lassen sich A/D- und D/A-Umwandlungen, digitale Ein- und Ausgangs- sowie Counter/Timer-Operationen miteinander synchronisieren. So erlaubt der RTSI-Bus beispielsweise die simultane Datenerfassung auf zwei Analogeingangsmodulen, während eine weitere Steckkarte ein mit der Abtastrate der beiden Eingänge synchronisiertes Ausgangssignalmuster erzeugt. In NI-DAQ enthalten ist eine Routing- und Synchronisationsengine zum automatischen Routen von Signalen innerhalb einer Karte sowie über RTSI-Bus oder PXI-Triggerbus. Der RTSI-Bus ermöglicht aber nicht nur die Synchronisation mehrerer Datenerfassungsmodule miteinander, sondern auch deren Synchronisation mit Motorensteuerungs-, Bildverarbeitungs-, CAN- und sonstiger Hardware von National Instruments.
Digital-I/O-Signale
In PC-gestützten Datenerfassungssystemen dienen Digital-I/O-Schnittstellen häufig zur Steuerung von Prozessen, Erzeugung von Signalmustern für Prüfzwecke sowie zur Kommunikation mit Peripheriegeräten. Zu den wichtigen Parametern gehören die Anzahl der verfügbaren Digitalkanäle, die Geschwindigkeit, mit der Digitaldaten auf diesen Kanälen gesendet bzw. empfangen werden können, sowie die Ausgangsstromstärke der Kanäle. Sollen über die Digitalkanäle Geräte gesteuert, also beispielsweise Heizer, Elektromotoren oder Leuchten an- bzw. abgeschaltet werden, so ist eine hohe Datenrate i. d. R. nicht erforderlich, denn die Ansprechzeit solcher Geräte ist relativ lang. Die Anzahl der Digitalkanäle sollte natürlich der Anzahl der zu steuernden Prozesse entsprechen. Die zum An- bzw. Abschalten eines der erwähnten Geräte erforderliche Stromstärke muss unter der maximalen Ausgangsstromstärke der digital-I/O-fähigen Hardware liegen. Die Digital-I/O-Funktionalität spielt auch bei Industrieapplikationen eine große Rolle, z. B. bei der Kontrolle, ob ein Schalter geöffnet oder geschlossen bzw. ein Spannungspegel hoch oder niedrig ist. Digital-I/O-Signale können auch für Hochgeschwindigkeits-Handshaking oder einfache Kommunikation verwendet werden.
Mithilfe geeigneter Hardware zur Digitalsignalkonditionierung lassen sich von der Datenerfassungshardware ausgehende bzw. bei ihr eingehende TTL-Signale geringer Stromstärke auch zur Überwachung/Steuerung der von industrieller Hardware gelieferten Signale hoher Spannung und Stromstärke oder zur Steuerung externer Relais verwenden. Die zum Öffnen oder Schließen von Ventilen erforderliche Spannung/Stromstärke liegt in der Größenordnung von 100 VAC bei 2 A. Da die Ausgangsspannung eines Digital-I/O-Geräts jedoch nur 0 bis 5 VDC bei einigen wenigen Milliampere beträgt, wird zum Schalten des zur Steuerung benötigten Schaltsignals ein Signalkonditionierungsmodul – z. B. ein Produkt der Serie SCXI von NI – benötigt.
Bei einer typischen Digital-I/O-Applikation sollen Daten zwischen dem Rechner und weiterer Hardware wie etwa Datenloggern, Datenprozessoren und Druckern übertragen werden. Da die Datenübertragung bei derartiger Hardware gewöhnlich Byte für Byte (1 Byte = 8 Bits) erfolgt, sind die Digitalkanäle einer Digital-I/O-Karte in Gruppen zu je 8 Kanälen angeordnet. Darüber hinaus bieten einige der Modelle mit Digital-I/O-Fähigkeiten die Möglichkeit des Handshaking-Betriebs zwecks Synchronisation der Kommunikation. Die Anzahl der Kanäle, die Datenrate sowie die Handshaking-Fähigkeiten sind allesamt wichtige Spezifikationen, die es zu verstehen und mit den Anforderungen der jeweiligen Anwendung abzugleichen gilt.
Timing-I/O-Signale
Die Counter/Timer-Funktionalität ist bei diversen Applikationen von großem Nutzen, z. B. beim Zählen digitaler Ereignisse, beim Timing digitaler Pulse oder bei der Erzeugung von Rechteckwellen oder Pulsen. Zur Implementierung dieser Verwendungszwecke stehen drei Counter/Timer-Signale zur Verfügung: Gate-, Source- und Ausgangssignal.
Beim Gatesignal handelt es sich um ein digitales Eingangssignal zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Zählfunktion.
Das Sourcesignal ist ebenfalls ein digitales Eingangssignal. Es veranlasst den Counter, seinen Wert bei jedem Pegelwechsel um 1 zu erhöhen, und liefert somit die Zeitbasis für den Betrieb des Counters.
Als Ausgangssignal liefert der Counter/Timer Rechteckwellen und Pulse.
Die beiden wichtigsten Spezifikationen im Bereich der Counter/Timer-Funktionalität sind Auflösung und Taktfrequenz. Die Auflösung beschreibt die Anzahl der vom Counter verwendeten Bits. Eine höhere Auflösung bedeutet schlicht, dass der Counter höher zählen kann. Die Taktfrequenz hingegen entscheidet darüber, wie schnell Pegelwechsel im digitalen Sourcesignal registriert werden können. Je höher diese Frequenz, umso höher die Geschwindigkeit, mit welcher der Counter seinen Wert erhöhen kann, und umso höher folglich die maximale Frequenz des registrierbaren Eingangssignals bzw. der am Ausgang generierbaren Rechteckwellen und Pulse. DAQ-STC, ein Counter/Timer-ASIC von NI, der bei Datenerfassungsgeräten der E-Serie zum Einsatz kommt, verfügt über 16- und 24-bit-Counter mit einer Taktfrequenz von 20 MHz. NI-TIO, ein anderer Counter/Timer-ASIC von NI, findet bei dedizierten Counter/Timer-Modulen der Serie NI 660x Verwendung und bietet acht 32-bit-Counter mit einer Taktfrequenz von bis zu 80 MHz.
Der ASIC DAQ-STC wurde speziell für Datenerfassungsapplikationen entwickelt und ist den in Datenerfassungsgeräten häufig verbauten Standard-Counter/Timer-Chips weit überlegen. So handelt es sich beim DAQ-STC um einen Auf-/Abwärtszähler; dies bedeutet, dass auch weitere externe Digitalsignale zum Aufwärts- oder Abwärtszählen herangezogen werden können, je nachdem, ob der Signalpegel "high" oder "low" ist. Diese Art von Counter/Timer ermöglicht auch die Positionsbestimmung mittels Rotations- oder Linearsensoren. Weitere besondere Funktionen sind die Erzeugung von Pulsfolgen mit Pufferung, Timing für synchronisierte Abtastung, relative Zeitstempelung sowie verzögerungsfreie Änderung der Abtastrate.
Der ASIC NI-TIO ist speziell auf Timingaufgaben getrimmt und bietet neben der kompletten Counter/Timing-Funktionalität des DAQ-STC zusätzliche Ausstattungsmerkmale wie native Drehgeberkompatibilität, Entprellfilter sowie die Möglichkeit der Bestimmung des Flankenabstands zwischen zwei Signalen.
Abb. 6: Schmierstoffprüfung im Automobilbereich; zu sehen ist ein SCXI-Chassis sowie ein Macintosh, auf dem NI LabVIEW ausgeführt wird
Software verwandelt den PC und die Datenerfassungshardware in ein komplettes Datenerfassungs-, -analyse- und -visualisierungssystem. Ohne Treibersoftware für die Datenerfassungshardware funktioniert diese nicht einwandfrei. Deshalb kommen entsprechende Gerätetreiber bei fast allen Datenerfassungsanwendungen zum Einsatz. Bei Treibersoftware handelt es sich um die Softwareebene, die direkt zur Programmierung der Register der Datenerfassungshardware dient. Hierdurch lässt sich der Betrieb der Hardware steuern sowie ihre Abstimmung auf die Ressourcen des Rechners – z. B. hinsichtlich Interrupts, DMA und Speicher – vornehmen. Die Treibersoftware weist eine benutzerfreundliche Bedienoberfläche oder ein entsprechendes Stand-alone-Programm auf, sodass der Anwender gar nicht erst mit den komplizierten Details der systemnahen Hardwareprogrammierung konfrontiert wird.
Gerade angesichts der zunehmend anspruchsvolleren Datenerfassungshardware, Computertechnologie und Software kommt leistungsstarker und zugleich bedienfreundlicher Treibersoftware große Bedeutung zu. Sorgfältig ausgewählte Treibersoftware bietet eine optimale Kombination aus Flexibilität und Leistung und bewirkt zugleich eine erhebliche Beschleunigung der Entwicklung der Datenerfassungsapplikation.
Bei der Auswahl der Treibersoftware müssen vor allem folgende Faktoren berücksichtigt werden:
Welche Funktionalitäten werden geboten? Die Treiberfunktionen zur Steuerung der Datenerfassungshardware können in die Bereiche Analog-I/O-, Digital-I/O- und Timing-I/O-Handhabung eingeteilt werden. Obschon die meisten Gerätetreiber diese elementaren Funktionalitäten abdecken, sollte man sich doch davon überzeugen, dass die Fähigkeiten des Treibers über die bloße Datenein- und -ausgabe hinausreichen. So sollte der Treiber insbesondere folgendes bieten:
programmierfreie Kanalprüfung
Fokus auf Datenverarbeitung; Datenerfassung im Hintergrund
Datenübertragung: I/O, Interrupts und DMA programmierbar
Kontinuierliche Datenübertragung zur und von der Festplatte
Simultane Ausführung mehrerer Funktionen
Integration mehrerer Datenerfassungsgeräte in ein System
Nahtlose Integration von Sensoren und Anbindung einer Vielzahl unterschiedlicher Signalarten
Bereitstellung von Beispielen, welche die Entwicklung beschleunigen.
NI-DAQ, die umfangreiche Treibersoftware von National Instruments, bietet all diese und weitere Funktionen und erspart dem Anwender somit eine Menge Zeit.
Die Einführung von NI-DAQ 7 revolutionierte geradezu die computergestützte Datenerfassung, denn der Zeitraum vom Beginn der Anwendungsprogrammierung bis zur Inbetriebnahme des fertigen Hochleistungs-Messsystems wurde erheblich verkürzt. Besondere Erwähnung verdient in diesem Zusammenhang der in NI-DAQ 7 enthaltene DAQ Assistant, der den Anwender über eine grafische Oberfläche interaktiv durch die Anwendungskonfigurierung und -prüfung sowie anschließende Datenerfassung führt. Mit nur einem Mausklick lässt sich automatisch der jeweiligen Konfiguration entsprechender Code erstellen, was die Codierung komplexer Operationen deutlich vereinfacht und beschleunigt. Zudem erfolgt die Bedienung von DAQ Assistant ausschließlich über Menüs. Dies senkt die Fehlerwahrscheinlichkeit und reduziert somit den Zeitaufwand bis zum einsatzbereiten Messsystem noch weiter.
Für welche Betriebssysteme ist der Treiber geeignet? Es gilt darauf zu achten, dass die Treibersoftware mit allen Betriebssystemen kompatibel ist, die gegenwärtig und in Zukunft zum Einsatz kommen sollen. Ferner sollte ein Gerätetreiber für das jeweilige Betriebssystem optimiert sein, um dessen Fähigkeiten und Funktionen in vollem Umfang nutzen zu können. Ein Vorteil von Windows XP gegenüber anderen Betriebssystemen besteht beispielsweise in der Funktion 'Remote Desktop'. U. U. wird auch die Flexibilität benötigt, erstellten Programmcode zwischen verschiedenen Plattformen zu portieren, etwa von einem Windows- auf einen Macintosh-Rechner. NI-DAQ ist für die Betriebssysteme Windows 2000/NT/XP/Me erhältlich.
Mit NI-DAQ, einem der meistverwendeten Datenerfassungstreiber, bleiben Investitionen in Software gewahrt, denn der Wechsel zwischen verschiedenen Hardwareprodukten oder Betriebssystemen erfordert keine oder fast keine Anpassung der Applikation.
Sollte für das gewählte Betriebssystem kein Treiber verfügbar sein, so empfiehlt sich die Verwendung des Measurement Hardware DDK. Hierbei handelt es sich um ein Kit zur Treiberentwicklung für Anwendungen, die nicht auf einem Standardbetriebssystem basieren. Es besteht aus Entwicklungswerkzeugen sowie einer Schnittstelle zur Programmierung von Datenerfassungshardware auf Registerebene.
Kann auf die benötigten Funktionen der Hardware per Software zugegriffen werden? Oft gibt es ein böses Erwachen, wenn ein Entwickler Datenerfassungshardware kauft und versucht, diese mit der Software zu integrieren, denn u. U. bietet die Software keine Unterstützung für die eine oder andere Hardwarefunktion. Dieses Problem stellt sich vor allem dann, wenn Hard- und Software von verschiedenen Anbietern stammen. NI-DAQ hingegen handhabt jede im Datenblatt eines jeweiligen Datenerfassungsgeräts von NI angegebene Funktion.
Führt die Treibersoftware zu Leistungseinbußen? Da es sich bei einem Treiber um eine zusätzliche Ebene handelt, kommt es eventuell zu Leistungseinbußen. Zudem weisen Betriebssysteme wie Windows 9x nicht selten erhebliche Interrupt-Latenzen auf. Wird dieses Problem nicht gelöst, so können diese Latenzen schwerwiegende Folgen für die Leistungsfähigkeit des gesamten Datenerfassungssystems haben. Der Hochleistungstreiber NI-DAQ basiert auf Programmcode, der dahingehend optimiert wurde, die Windows-bedingten Latenzen zu minimieren, und infolgedessen Abtastraten von bis zu 10 MS/s ermöglicht.
Vor NI-DAQ 7 waren Datenerfassungstreiber nur für die Handhabung einzelner Threads ausgelegt. Somit stellte die Durchführung simultaner Operationen ein großes Problem dar, wenn man nicht auf Polling sowie das Erzeugen von Ereignissen zur Umgehung der Blockierung anderer Operationen zurückgreifen wollte. Bei NI-DAQ 7 hingegen stellt sich dieses Problem gar nicht erst, denn diese Treibersoftware ist vollständig multihreadingfähig, d. h. es können ohne Blockierung mehrere Operationen simultan ausgeführt werden. Es besteht also die Möglichkeit der zeitgleichen Durchführung von Analogeingangs-, Digitalausgangs- und Counteroperationen, ohne dass zusätzlicher Programmcode zur Handhabung simultaner Datenerfassungen zu schreiben wäre.
Mit welcher Anwendungssoftware ist der Treiber kompatibel? Die Treibersoftware muss aus der vom jeweiligen Entwickler bevorzugten Anwendungssoftware oder Programmiersprache heraus aufgerufen und nahtlos mit dieser Umgebung integriert werden können. Eine Programmiersprache wie etwa Visual Basic weist eine ereignisgesteuerte Entwicklungsumgebung auf, bei der die Programmentwicklung über Bedienelemente erfolgt. Sollte also beispielsweise mit Visual Basic entwickelt werden, so gilt es darauf zu achten, dass der Treiber benutzerdefinierte Bedienelemente wie etwa jene in NI-DAQ bietet, mit deren Hilfe der Programmiermethodik dieser Programmiersprache entsprochen werden kann.
Die Antworten auf all diese Fragen sind ein guter Anhaltspunkt dafür, wie viel Zeit und Energie in die Entwicklung des jeweiligen Treibers investiert wurden. Idealerweise erwirbt man die Treibersoftware von einem Anbieter, der bei der Entwicklung von Datenerfassungssoftware über ebenso viel Erfahrung verfügt wie bei der Entwicklung von Datenerfassungshardware.
Programmieren oder nicht programmieren? Alternativ kann Datenerfassungshardware auch über Anwendungssoftware programmiert werden. Der Vorteil solcher Anwendungssoftware besteht darin, dass die Fähigkeiten der Treibersoftware um Datenalyse- und -visualisierungsoptionen erweitert sind. Aber auch bei der Verwendung von Anwendungssoftware stellen sich sämtliche bereits für die Treibersoftware diskutierten Fragen, denn auch die Anwendungssoftware beinhaltet Treibersoftware zur Steuerung der Datenerfassungshardware. Darüber hinaus dient Anwendungssoftware zur Integration von Datenerfassung mit Gerätesteuerung (GPIB, RS232 und VXI).
NI bietet im Bereich Anwendungssoftware drei verschiedene Produkte zur Erstellung vollständiger Mess-, Steuer- und Regelsysteme: LabVIEW mit seiner innovativen grafischen Programmiermethodik, LabWindows/CVI für die traditionelle, textbasierte Programmierung in C und schließlich Measurement Studio für die Entwicklung in Visual Basic, Visual C++ und Visual Studio .NET. Jedes dieser Pakete kann um diverse Add-on-Toolkits für spezielle Funktionalitäten erweitert werden. VI Logger, ein weiteres Produkt von NI, ist ein einfach zu handhabendes und dennoch sehr flexibles Werkzeug für Datenprotokollierungsapplikationen.
Abb. 7: Mit der Anwendungssoftware VI Logger verfolgt NI das Ziel, die Erstellung von Datenprotokollierungsapplikationen stark zu vereinfachen
Die Entwicklung eines Datenerfassungssystems -- Die Erstellung eines anspruchsvollen Datenerfassungssystems für MSR- oder Mess- und Prüfapplikationen erfordert Kenntnisse zu sämtlichen beteiligten Komponenten. Von allen Komponenten eines Datenerfassungssystems ist die Software diejenige, welcher die meiste Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte. Da Datenerfassungskarten über keine eigenen Displays verfügen, stellt die Software die einzige Schnittstelle zwischen Mensch und System dar. Die Software ist diejenige Komponente, die zum einen sämtliche Informationen über das System übermittelt und zum anderen das System steuert. Erst die Software gestattet es, Sensoren, Datenerfassungs-, -analyse- sowie Signalkonditionierungshardware zu einem kompletten, funktionstüchtigen System zu integrieren.
Aus diesen Gründen sollte die Evaluierung der Datenerfassungssoftware so gründlich wie möglich erfolgen. Die geeigneten Hardwarekomponenten lassen sich durch genaues Definieren der Systemanforderungen und Überprüfen der Hardwarespezifikationen auf Kompatibilität mit dem System und den Systemanforderungen ausfindig machen. Egal ob Treiber oder Anwendungssoftware – die sorgfältige Auswahl der passenden Software kann erhebliche Einsparungen an Zeit und Geld bedeuten.
Messwertaufnehmer registrieren physikalische Phänomene und erzeugen entsprechende elektrische Signale, die sodann mithilfe des Datenerfassungssystems gemessen werden. Thermoelemente, Widerstandstemperaturmesser ("RTDs"), Thermistoren und IC-Sensoren wandeln Temperatur in ein analoges Spannungssignal um, welches seinerseits von einem A/D-Wandler erfasst und in Binärwerte umgewandelt wird. Weitere Beispiele von Sensoren sind Dehnungsmessstreifen zur Kraftmessung, Flusssensoren zur Messung der Fließgeschwindigkeit und Drucksensoren zur Druckmessung. Bei jedem Sensor sind die erzeugten elektrischen Signale proportional zu den erfassten physikalischen Phänomenen.
Die von den Messwertaufnehmern erzeugten elektrischen Signale sind an den Eingangsbereich des Datenerfassungsgeräts anzupassen. Signalkonditionierungsmodule verstärken die schwachen Signale und isolieren/filtern diese anschließend. Dies ermöglicht es, die Messgenauigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus benötigen einige Sensoren zur Erzeugung einer Ausgangsspannung eine Speisespannung bzw. einen Speisestrom. Abb. 8 zeigt ein typisches Datenerfassungssystem unter Verwendung der Signalkonditionierungsplattform SCXI von National Instruments.
Abb. 8: SCXI als Signalkonditionierungs-Frontend für Datenerfassungskarten
Mithilfe von Signalkonditionierungshardware lassen sich eine Reihe wichtiger Aufgaben durchführen:
Verstärkung -- Sie ist die häufigste Art der Signalkonditionierung. Die Verstärkung des Ausgangssignals eines Thermoelements beispielsweise bewirkt eine höhere Auflösung sowie vermindertes Rauschen. Höchstmögliche Messgenauigkeit erhält man, indem das Signal so verstärkt wird, dass der maximale Spannungsbereich des aufbereiteten Signals dem maximalen Eingangsbereich des A/D-Wandlers entspricht.
Die Signalkonditionierungsplattform SCXI umfasst gleich mehrere Module zur Signalverstärkung. Die SCXI-Hardware, in dem die niederpegeligen Signale eine Verstärkung erfahren, wird möglichst nahe bei den Sensoren aufgestellt, sodass zum PC hin ausschließlich starke Signale übertragen werden – mit dem Vorteil einer minimalen Signalbeeinträchtigung in Form von Rauschen.
Isolierung: Eine andere weit verbreitete Signalkonditionierungsmethode ist die aus Sicherheitsgründen durchgeführte Isolierung des Sensorsignals vom Rechner. Das System, an dem Messungen durchgeführt werden, weist u. U. Transientenspannungen auf, die ohne entsprechende Signalkonditionierung den Rechner beschädigen könnten.
Dank Signalisolierung lässt sich zudem sicherstellen, dass die von der Datenerfassungskarte ermittelten Messwerte nicht von unterschiedlichen Massepotenzialen sowie von Gleichtaktspannungen verfälscht wurden. Sind sowohl das Datenerfassungsgerät als auch das erfasste Signal geerdet, so kommt es bei einem Potenzialunterschied zwischen den beiden Bezugsmassen zu Problemen. Dieser Unterschied kann zu einer sogenannten Masseschleife und diese wiederum zu einer ungenauen Darstellung des erfassten Signals führen; ist die Potenzialdifferenz zu groß, so wird u. U. sogar das Messsystem beschädigt. Die Verwendung von isolierten Signalkonditionierungsmodulen eliminiert Masseschleifen und sorgt so für eine präzise Erfassung der Signale. Das Modul SCXI-1125 bietet Isolierung für Gleichtaktspannungen von bis zu 300 Veff, NIs Digitalmultimeter NI-DMM für solche von bis zu 300 VDC/300 Veff.
Filterung: Der Zweck eines Filters besteht darin, unerwünschte Signalbestandteile des zu messenden Signals zu entfernen. Bei DC-Signalen wie etwa Temperatursignalen wird ein Rauschfilter verwendet, um Signalanteile höherer Frequenz zu dämpfen, die der Messgenauigkeit abträglich sind. Bei zahlreichen SCXI-Modulen beispielsweise werden Signale vor ihrer Digitalisierung in der Datenerfassungskarte zuerst mittels 4-Hz- und 10-kHz-Tiefpassfiltern entrauscht.
AC-Signale hingegen, z. B. Schwingungssignale, erfordern häufig eine andere Art Filter, ein so genanntes Anti-Aliasing-Filter. Zwar handelt es sich auch beim Anti-Aliasing-Filter um ein Tiefpassfilter, doch weist es eine sehr hohe Flankensteilheit auf und unterdrückt somit praktisch sämtliche Frequenzen, die oberhalb der Eingangsbandbreite des Datenerfassungsgeräts liegen. Würden diese Signalanteile nicht entfernt, so würden sie fälschlicherweise als eigenständige Signale innerhalb der Eingangsbandbreite des Geräts erscheinen. Hardware, die speziell für die Messung von AC-Signalen gedacht ist – beispielsweise die Module der Serien NI 455x, NI 445x und NI 447x zur Messung dynamischer Signale, die Multifunktions-I/O-Geräte NI 61xx mit simultaner Abtastung auf mehreren Kanälen sowie das Modul SCXI-1141 – verfügen über integrierte Anti-Aliasing-Filter.
Speisung: Signalkonditionierungsmodule sorgen zudem für die Speisung einiger Sensorarten. Beispiele für Sensoren, die eine externe Speisespannung bzw. einen externen Speisestrom erfordern, sind Dehnungsmessstreifen, Thermistoren und Widerstandstemperaturmesser. I. d. R. erfolgt diese Speisung mittels auf den Sensortyp abgestimmter Signalkonditionierungsmodule. Bei Widerstandstemperaturmessungen etwa kommt meist eine Stromquelle zum Zuge, welche jede Widerstandsänderung in eine messbare Spannung umwandelt. Bei Dehnungsmessstreifen handelt es sich um sehr niederohmige Sensoren, die meist im Rahmen einer Wheatstone-Brückenkonfiguration in Kombination mit einer externen Speisespannungsquelle verwendet werden. Die Module SCXI-1121 und SCXI-1122 bieten eine integrierte, als Spannungs- oder Stromquelle konfigurierbare Speisequelle für den Einsatz mit Dehnungsmessstreifen, Thermistoren oder Widerstandstemperaturmessern.
Linearisierung: Sie ist das letzte wichtige Signalkonditionierungsverfahren im Rahmen dieser Aufzählung. Zahlreiche Sensorarten wie etwa Thermoelemente setzen lineare Änderungen der Messgröße nicht linear um. National Instruments bietet verschiedene Softwarelösungen an, die integrierte Linearisierungsroutinen für Thermoelemente, Dehnungsmessstreifen und Widerstandstemperaturmesser enthalten: NI-DAQ, LabVIEW und Measurement Studio.
Um entscheiden zu können, ob für ein Datenerfassungssystem auch eine Signalkonditionierungskomponente erfordert, gilt es, die Art des Signals genau zu definieren, die zur Erfassung des Signals verwendete Messkonfiguration zu verstehen und die Beeinträchtigung der Messung durch die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.
Echtzeit
Echtzeitsysteme glänzen durch die hohe Performanz einer deterministischen Ausführung, erhöhte Zuverlässigkeit sowie die Möglichkeit des Embedded-Betriebs. Die Performanz eines deterministischen Systems ist ein Muss bei allen Applikationen, die voraussetzen, dass die jeweiligen Prozesse mit absoluter Zuverlässigkeit innerhalb eines bestimmten Zeitraums beendet werden, beispielsweise beim Testen von Dynamometer-Controllern und elektronischen Steuereinheiten ("ECUs" = Electronic Control Units). Zusätzlich zur deterministischen Programmausführung zeichnen sich Echtzeitsysteme durch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit aus, denn es wird zu jedem Zeitpunkt nur eine einzige Anwendung ausgeführt. Die Ausführung stoppt nur dann, wenn die Stromversorgung des Systems unterbrochen wird. Somit eignen sich Echtzeitsysteme hervorragend für kritische Applikationen wie etwa Sicherheitsabschaltungen. Ein weiterer großer Vorteil von Echtzeitsystemen besteht darin, dass sie keine Interaktion seitens des Anwenders erfordern; folglich können sie sowohl als Stand-alone- wie auch als Embedded-Systeme eingesetzt werden, so etwa bei der Datenfernprotokollierung oder der Datenerfassung im bewegten Fahrzeug. Die Entwicklung einer echtzeitfähigen Datenerfassungsapplikation erfolgt auf einem Desktop-Rechner, anschließend wird die fertige Applikation auf einen echtzeitfähigen Controller heruntergeladen.
Bei Kombination mit einem Echtzeitbetriebssystem bieten sich spezielle echtzeitfähige Zielgeräte an, beispielsweise Datenerfassungskarten der RT-Serie von National Instruments, welche sämtliche für die unkomplizierte Erstellung von Echtzeitsystemen erforderlichen Komponenten beinhalten. Jede dieser Steckkarten besteht ihrerseits aus einer Prozessorplatine sowie einer für die Datenerfassung zuständigen Tochterplatine. Die Prozessorplatine verfügt wie die Hauptplatine eines herkömmlichen PCs über:
Prozessor
PC-Chipsatz
BIOS
Hauptspeicher
Im Gegensatz zu einem PC verfügt ein Zielgerät der RT-Serie weder über Monitor, Tastatur oder Maus, noch über eine Festplatte oder Standard-Peripheriegeräte mit serieller oder paralleler Anbindung. Deshalb bedarf es zur Anwendungsentwicklung, Fehlerbeseitigung, Interaktion über Benutzeroberflächen, Datenspeicherung etc. eines separaten Hostrechners. Die Module der RT-Serie von National Instruments sind für zwei verschiedene Steckkartenstandards verfügbar: PCI und PXI.
Personal Digital Assistants (PDAs)
Seit kurzer Zeit lassen sich Datenerfassungsapplikationen auch auf der äußerst mobilen Plattform der PDAs (Personal Digital Assistants) realisieren. PDAs finden inzwischen breite Verwendung, denn sie kommen dem steigenden Bedarf an kompakten Systemen entgegen und gewährleisten ein hohes Maß an Mobilität und Modularität. Nun kommen auch Messtechniker, Ingenieure und Wissenschaftler in den vollen Genuss der Vorzüge dieser Technologie – LabVIEW macht es möglich. Dank des LabVIEW 7 PDA Module und der LabVIEW-Entwicklungsumgebung ist es möglich, VIs auf PDAs auszuführen, wobei die Betriebssysteme Pocket PC von Microsoft sowie Palm OS unterstützt werden. Mithilfe einer PCMCIA-gestützten Datenerfassungskarte eignet sich ein PDA nun auch für Datenerfassungs- und -analyseaufgaben – dank der kompakten Abmessungen eines PDAs an jedem beliebigen Ort.
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