Serie LabVIEW in der Praxis

Messgeräte vernetzen und visualisieren sowie Messaufgaben automatisieren

26.08.2008 | Autor / Redakteur: Andreas Löffler, Dina Kuznetsova und Uwe Wissendheit* / Hendrik Härter

Bild 1: Physikalische Vernetzung des HF-Labors
Bild 1: Physikalische Vernetzung des HF-Labors

Das vernetzte Labor: Messinstrumente werden physikalisch verbunden und in LabVIEW integriert, um sie zu einem VI zu vereinen. Ein Beispiel zeigt, wie eine maximale Energieeinkopplung in einem Transponder erhalten werden kann. Außerdem wird ein Verfahren vorgestellt, das mit LabVIEW ortsveränderliche Werte eines dreidimensionalen magnetischen Wechselfeldes erfasst und das Feld visualisiert werden kann.

Das Bild 1 zeigt die wichtigsten Funktionsblöcke, um ein HF-Labor zu vernetzen. Im Subnetz befindet sich neben einem Spektrum-Analyser, einem Oszilloskop und einem Vektor-Analyser zusätzlich ein Laborrechner. Dieser wird via RS323 mit zwei Signalgeneratoren verbunden. Auf den Spektrum- und den Vektor-Analyser wird mit dem RSIB-Protokoll zugegriffen. Auf das Oszilloskop mit dem VICP-Protokoll (Versatile Instrument Control Protocol).

Protokolle mit VISA-Passport einbinden

Das RSIB-Protokoll ist proprietär und wurde von Rohde & Schwarz entwickelt. Genutzt wird der TCP/IP-Layer, um mit den Instrumenten zu kommunizieren. Das VICP-Protokoll ist von LeCroy entworfen worden. Es verwendet ebenfalls die TCP/IP-Schicht. Beide Protokollschichten werden mit der NI-VISA-Passports in das System eingebunden. Damit lassen sich die Laborgeräte via NI-VISA kontrollieren. Anders ist es bei den beiden Signalgeneratoren. Sie sind nicht direkt über Ethernet ansteuerbar.

Bild 2: LabVIEW-Applikationen zur Ethernet-Vernetzung von RS232 basierten Signalgeneratoren
Bild 2: LabVIEW-Applikationen zur Ethernet-Vernetzung von RS232 basierten Signalgeneratoren

Sie sollen indirekt über den Laborrechner via Ethernet mit der Außenwelt kommunizieren. Der Labor-PC verfügt über mindestens zwei serielle RS-232-Schnittstellen, um die Signalgeneratoren physikalisch anzubinden. Dazu muss die LabVIEW Run-Time-Engine installiert sein. Der PC stellt eine TCP-to-RS232-Bridge dar. Relevante Daten werden über das Netzwerk an die entsprechende serielle Schnittstelle weitergeleitet.

SubVI baut eine bidirektionale TCP/IP-Verbindung auf

Aus einem VI wurde eine Applikation erzeugt, die ankommende Netzwerkdaten an die serielle Schnittstelle über NI-VISA weiterleitet und reziprok Daten von der seriellen Schnittstelle an den entsprechenden LAN-Partner übergibt. Auf der Anwenderseite wird in ein entsprechendes Ethernet-RS232-SubVI ein VI eingebunden. Das SubVI baut mit dem Labor-PC eine bidirektionale TCP/IP-Verbindung auf.

Mit einem zusätzlichen SMR30-SubVI, welches derzeit noch einen einfachen Befehlssatz zur Ansteuerung des Signalgenerators besitzt, können entsprechende Befehle generiert werden. Gesendete Daten zum Signalgenerator laufen über eine einstellbare Portnummer PORT. Daten vom Signalgenerator zum Client-PC laufen über PORT+1. Dieser Rückkanal ist notwendig, um Request-Befehle, wie das Abfragen der momentan eingestellten Frequenz am Signalgenerator, erfolgreich auszuführen.

Signalgeneratoren über Ethernet fernsteuern

Die IP-Adresse des Laborrechners ist statisch. Ein Zugriff auf die Signalgeneratoren erfolgt über alle verfügbaren Rechner im Netzwerk. Da beim Erstellen einer TCP-Verbindung über LabVIEW die IP-Adresse des anfragenden Rechners mit ausgegeben wird, erkennt der Labor-PC, an welche IP-Adresse er die entsprechenden Daten vom Signalgenerator schicken soll. Es ist nun möglich, die Signalgeneratoren über Ethernet fernzusteuern.

Visualisieren der Labormessgeräte

Bild 3: LabVIEW-VI visualisiert die unterschiedlichsten Messgeräte
Bild 3: LabVIEW-VI visualisiert die unterschiedlichsten Messgeräte

Mit dem Visualisieren der Labormessgeräte lassen sich neue Geräte in gewohnter LabVIEW-Umgebung einbetten und bedienen.

Die verwendeten Funktionen werden reduziert. Als Visualisierungsbeispiel wird ein LabVIEW-Panel mit ASK-modulierten Signalverlauf dargestellt. Dazu wurden das Oszilloskop, der Spektrum-Analyser und der Signalgenerator in ein LabVIEW-VI eingebunden. Der Signalgenerator erzeugt ein ASK-moduliertes Testsignal, welches nahezu synchron im Zeit- (Oszilloskop) und Frequenzbereich (Spektrum-Analyser) darstellbar ist.

Funktionen werden bei Bedarf freigeschalten

Alle eingebundenen Messgeräte lassen sich über das LabVIEW-Panel unabhängig und parallel bedienen. Funktionalitäten können bei Bedarf frei geschaltet werden. Die unterschiedlichsten Labormessgeräte sind zu einem einzigen virtuellen Messgerät vernetzt und verschalten. So können bestimmte Signalverläufe zugleich im Zeit- und Frequenzbereich überwacht und aufgenommen werden.

Messvorgang automatisieren

Bild 4: Frequenzoptimierung zur maximalen Energieeinkopplung
Bild 4: Frequenzoptimierung zur maximalen Energieeinkopplung

In der Automatisierungstechnik gibt es Systeme, die nur für eine spezielle Frequenz optimiert sind. Das Auffinden der richtigen Frequenz verlangt ein Wechselspiel aus Mess- und Regelungsaufgaben. Ein induktiv an ein RFID-Lesegerät gekoppelter Transponder misst die Feldstärke am Ort des Transponders und integriert das Ergebnis als Digitalwert im Datenprotokoll des Transponders. Eine Frequenzabstimmung wird notwendig, falls Bauteiltoleranzen die Frequenz verstimmen, und das nicht immer über abstimmbare Bauelemente ausgeglichen werden kann. Das Bild zeigt den verwendeten Messaufbau.

Zunächst wird der HF-Pfad betrachtet. Ein Signalgenerator erzeugt ein Sinussignal bei f = 13,56 MHz und einer Leistung von 17 dBm. Über den Demodulator wird das Signal in eine Spule eingespeist. Der Strom in der Spule wird von einem magnetischen Wechselfeld von 13,56 MHz erzeugt.

Transponder misst Feldstärke

Ein in das Magnetfeld eingebrachter Transponder misst die Feldstärke am Ort des Transponders und erzeugt ein lastmoduliertes Datensignal, welches vom Demodulator demoduliert wird. Die vom Transponder gesendeten Messdaten sind dabei proportional zur Feldstärke des erzeugten magnetischen Wechselfeldes an der Transponderspule.

Über ein FPGA-Board werden die demodulierten Daten dekodiert und direkt über einen USB-Adapter auf FT245-Basis an LabVIEW gesendet. Um die Energieeinkopplung von der Spule zum Transponder zu maximieren, steuert LabVIEW den angeschlossenen Signalgenerator über RS-232 oder Ethernet so, dass die Transponderdaten für einen bestimmten vorgegebenen Frequenzbereich maximiert werden. Dabei wird die in den Transponder eingekoppelte Energie maximal.

Messdaten eines magnetischen Feldes aufzeichnen

Bild 5: Messvorgang von magnetische Wechselfeldern automatisieren
Bild 5: Messvorgang von magnetische Wechselfeldern automatisieren

Das zu erfassende Magnetfeld wird in einem Würfel mit einer Kantenlänge von 40 cm × 40 cm, bestehend aus vier einzeln anzusteuernden Spulen, erzeugt.

Eine am Spektrum-Analyser betriebene Magnetfeldsonde erfasst einzelne Feldstärkewerte und gibt diese an ein LabVIEW-VI via Ethernet. Ein spezielles Programm erfasst eine vorgegebene Abfolge von Messwerten per Triggersignal automatisch und erzeugt daraus eine Messreihe in 1-D, 2-D oder 3-D. Die Ergebnisse lassen sich anschließend in eine Dokumentation einbinden. Das Magnetfeld kann nicht unmittelbar neben dem PC erfolgen. Deshalb wird das Triggersignal über ein RS232-Kabel erzeugt.

Mit einem Schalter wird ein Trigger ausgelöst. Der RS-232 RX-Eingang wird mit dem TX-Ausgang verbunden. LabVIEW sendet permanent im Hintergrund eine Zeichenkette über die Schnittstelle. Beim Drücken des Schalters wird die gesendete Zeichenkette empfangen (Echo-Verhalten).

Eine TTS- (Text to Speech-)Ausgabe wurde mit einer DLL-Bibliothek umgesetzt. Diese übergibt in LabVIEW eine Zeichenkette, die über Windows ausgegeben wird.

Literaturhinweis:

[1] Jamal R., Hagestedt A., LabVIEW – Das Grundlagenbuch 4. Auflage, Addison-Wesley Verlag, München 2004

[2] http://www.ni.com/ (Abgerufen: Februar 2007)

[3] http://www.lecroy.com/ (Abgerufen: Februar 2007)

[4] http://www.rohde-schwarz.com/ (Abgerufen: Februar 2007)

*Andreas Löffler, Dina Kuznetsova und Uwe Wissendheit arbeiten am Lehrstuhl für Informationstechnik mit dem Schwerpunkt Kommunikationselektronik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Erlangen.

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