Skript automatisiert Routine-Messaufgaben

| Autor / Redakteur: Chris Godfrey * / Hendrik Härter

Routine im Labor: Wer häufig gleiche Messungen erledigt, für den bieten sich automatisierte Messabläufe an.
Routine im Labor: Wer häufig gleiche Messungen erledigt, für den bieten sich automatisierte Messabläufe an. (Bild: ©irinacad - stock.adobe.com)

Routine-Messaufgaben lassen sich bequem mit einem Skript vereinfachen. Dazu sind die meisten Messgeräte bereits mit entsprechenden Funktionen ausgestattet.

Jeder Elektronik-Entwickler wird im Laufe seines Studiums oder seiner beruflichen Karriere eine einfache elektrische Messaufgabe gelöst haben. Meist handelt es sich um Strom-, Spannungs- und Widerstandsmessungen. In einem einfachen Laboraufbau werden solche Messaufgaben üblicherweise einzeln und nacheinander durchgeführt. Dazu wird das jeweilige Messgerät über das Front Panel messtechnisch verbunden. Das Netzteil muss aktiviert werden, um eine entsprechende Versorgungsspannung einzustellen.

Außerdem wird eine Strombegrenzung eingestellt, das DMM (digitales Multimeter) vorsichtig mit dem Prüfling verbunden und der Messwert wird in einem Notizblock oder Tabellenkalkulationsprogramm niedergeschrieben. Sobald eine neue Komponente gebraucht wird, muss einer oder mehrere dieser Schritte wiederholt werden. Dieser Vorgang beansprucht zwar einiges an Zeit, aber solange die Messung nicht ständig wiederholt werden muss, ist das wahrscheinlich noch akzeptabel.

Messgeräte mit nützlichen Funktionen ausgestattet

Doch bei den einfachen Messaufgaben wird es nicht bleiben. Denn egal ob in der Industrie, Universität oder einem anderen Umfeld: Es wird plötzlich wichtig, mehrere Messungen mit vielen verschiedenen Parametern über kurze oder auch lange Zeitintervalle aufzunehmen. Beispielsweise bei einer Bauteilüberprüfung in der Produktion, bei der jedes vorbeifahrende Bauteil getestet werden muss. In diesem Szenario ist es wichtig, die Geschwindigkeit hoch zu halten, um die gefahrene Stückzahl nicht negativ zu beeinflussen. Es ist offensichtlich, dass wir in diesem Fall nicht auf den vorher beschriebenen Messaufbau zurückgreifen können, bei dem wir jedes Messgerät von Hand anschließen, alle Einstellungen mit den Knöpfen vornehmen und die vom Display abgelesenen Werte in ein Notizbuch eintragen mussten.

Wir brauchen also eine Automatisierung. Aber wie ist so etwas umzusetzen? Es ist dabei gut zu wissen, dass die Messgeräte über versteckte Funktionalitäten verfügen. Es ist für viele einfacher, sich die Geräte als Einheiten vorzustellen, die unabhängig voneinander und abgeschnitten von der Umgebung operieren. Für einen frisch gebackenen Ingenieur bestehen die Geräte meist nur aus dem Front-Panel. Doch auf der Rückseite bieten die Geräte verschiedene Kommunikationsschnittstellen. Damit lassen sich Routineaufgaben automatisieren. Der Anschluss eines USB-, LAN- oder GPIB-Kabels ermöglicht es, einen zusätzlichen Pfad zu einem separaten Computer zu konfigurieren, der dann mit dem Instrument kommunizieren kann.

Skripts lassen sich direkt in das Messgerät kopieren

Als nächstes ist eine Möglichkeit sinnvoll, die Geräte aus der Ferne und ganz automatisch zu steuern, um alle notwendigen Einstellungen für den Messaufbau remote zu erledigen. Dafür ist ein sogenanntes Command-Set notwendig. Hierbei handelt es sich um Befehle, mit deren Aufruf eine bestimmte Reaktion beim Messgerät ausgelöst werden kann. Die Messfunktion zu Spannung ändern, die Einstellungen verändern, einen Messwert abfragen, den Lese-Puffer löschen – das alles sind Beispiele für Aktionen, die sich mit einem Command-Set durchführen lassen. Ein häufig verwendetes Command-Set ist „Standard Commands für Programmable Instruments“ oder kurz SCPI.

Bei Geräten von Keithley Instruments ist es das Test Skript Processor (TSP) Command Set. Auf dem Basislevel funktionieren diese beiden Sets auf die gleiche Weise und viele Keithley-Geräte unterstützen beide Sets. Allerdings bietet TSP im Vergleich einige zusätzliche Funktionalitäten, wie eine Kontrollstruktur und die Möglichkeit, das Programm auf dem Instrument laufen zu lassen, ohne dabei eine dauerhafte Verbindung zum Computer zu haben. Das soll jedoch später erläutert werden. Momentan kann man sich die Kommandos eines Command-Sets als eine virtuelle Betätigung der Bedienknöpfe vorstellen, nur sehr viel komfortabler.

Logik in das Script einbauen

Es mag den Anschein haben, dass das einfache Versenden von simplen Kommandos vom Computer nicht besser ist, als die Knöpfe am Instrument selbst zu betätigen, abgesehen davon, dass der Computer das automatisch tun kann. Notwendig ist die angesprochene Kontrollstruktur. Sie legt fest, wann und wie die Kommandos durchgeführt werden sollen. Ein Beispiel ist folgendes Szenario: Das Gerät soll 1000 Messwerte auslesen, die alle 100 Millisekunden auseinanderliegen. Diese Aufzeichnung soll allerdings erst dann beginnen, wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. So eine Bedienung kann sein, wenn die gemessene Temperatur einen festgelegten Wert überschreitet. Wie lässt sich solch eine Funktionalität umsetzen?

Bild 2: Das Skript misst Spannung und Strom und berechnet daraus die Leistung. Abgebrochen wird das Programm, bis eine vorher definierte Zeit erreicht wurde.
Bild 2: Das Skript misst Spannung und Strom und berechnet daraus die Leistung. Abgebrochen wird das Programm, bis eine vorher definierte Zeit erreicht wurde. (Bild: Tektronix)

Denkbar wäre eine andere Programmiersprache zu verwenden, um die Logik zu verwalten und die Kommandos aus dem gewählten Command-Set zu senden. Wenn jedoch TSP als Command-Set gewählt wird, kann man TSP selbst als eine Programmiersprache nutzen. Damit lassen sich sowohl die Logik als auch die Kommandos verwalten, ohne eine zusätzliche Programmiersprache einzuführen. Das hat den großen Vorteil, keine zusätzliche Programmiersprache zu verwenden. Besser: Das Skript lässt sich sogar auf das Messgerät kopieren und sich dort ausführen, um alle Tests durchzuführen. Für die erwähnte Beispielaufgabe können die Statements if und for verwendet werden, um die Logik zu verwalten.

Die Kommandos lassen sich mit den Händen des Bedieners vergleichen, welche die Knöpfe betätigen und das Programm ist das Gehirn des Anwenders. Anzumerken ist, dass TSP ein sehr mächtiges Werkzeug für die Automatisierung von Messinstrumenten ist. Als Beispiel dient eine Messung auf Industrielevel. Zu den Anforderungen gehören (Bild 1):

  • eine Zehner-Diode mit 6,9 V,
  • in Reihe mit einem Widerstand von 150 Ohm,
  • Spannungsquelle mit 12 V und
  • Leistungsaufnahme soll mit der Diode gemessen werden.

Bild 1: Messaufbau für eine Beispielanwendung aus der Industrie.
Bild 1: Messaufbau für eine Beispielanwendung aus der Industrie. (Bild: Tektronix)

Zuerst muss man wissen, wie viel Spannung über die Diode abfällt und wie hoch der Strom ist, der durch die Diode fließt. Die Parameter lassen sich mit einem digitalen Multimeter messen. Zuerst wird die Messfunktion auf DC-Spannung geändert, die Messleitungen mit dem Hi- und Lo-Eingängen des Messgeräts verbunden und anschließend werden die Messleitungen mit dem Schaltkreis so verbunden, dass das Messgerät parallel zur Diode liegt. Der Messwert für die Spannung kann dann auf dem Gerät abgelesen werden.

Im nächsten Schritt müssen die Messleitungen vom Schaltkreis wieder entfernt werden, eine Messleitung muss am Gerät in den AMPS-Eingang umgesteckt werden, die Messfunktion muss auf DC Strom geändert werden, das Gerät muss in Reihe zur Diode geschaltet werden und der Messwert kann aufgenommen werden. Aus den beiden aufgezeichneten Werten lässt sich die von der Diode aufgenommene Leistung errechnen: WDiode = VDiode x ICircuit. In der Beispielmessung gemessen: 6,85 V und 34,4 mA. Daraus errechnet sich eine Leistung von 236 mW. Die ganze Messung hat in etwa eineinhalb Minuten gedauert.

Wenn eine Messung jede Minute über mehrere Stunden durchgeführt werden müsste, dann bietet sich ein selbstentwickeltes Skript an. Dazu soll das im Bild 1 dargestellte Setup verwendet werden. Es lassen sich beide Messungen durchführen, ohne das eine Messleitung umgesteckt werden muss. Zu Beginn des Skripts werden einige Variablen definiert. Der Test soll fünf Stunden dauern. Die Testzeit wird in Minuten umgerechnet. Als nächstes müssen Strom, Spannung und die errechnete Leistung gespeichert werden. Dazu werden drei Arrays mit den Namen volts, current und power initiiert. Außerdem müssen die Leistungsdaten auf dem Instrument gespeichert werden. Dazu bietet sich ein Puffer mit der Einheit Watt an, in den die Werte geschrieben werden.

Der Einsatz einer Source Measure Unit und eines DMM

Bild 3: Die auf dem DMM (digitales Multimeter) dargestellten Ergebnisse zusammen mit der Wertetabelle. Im Hintergrund läuft das Skript (siehe Bild 2) ab.
Bild 3: Die auf dem DMM (digitales Multimeter) dargestellten Ergebnisse zusammen mit der Wertetabelle. Im Hintergrund läuft das Skript (siehe Bild 2) ab. (Bild: Tektronix)

Die erwähnten Kommandos aus dem Control-Set sollen verwendet werden um dem Gerät mitzuteilen, was als Nächstes zu tun ist. Gestartet wird mit einer For-Schleife, um die folgenden Anweisungen für eine festgelegte Dauer zu wiederholen. Der manuelle Ablauf war wie folgt: Spannung und Strom messen und dann die Leistung berechnen. Hier soll das Messgerät iterativ durchlaufen, bis eine vorher definierte Zeit erreicht ist. Das wird vom Skript aus Bild 2 erledigt.

Zusätzlich muss im nächsten Schritt sichergestellt werden, dass Messwerte unterhalb eines gewissen Werts nicht berücksichtigt werden. Das erledigt eine if-Anweisung: Ist der Wert kleiner ist als 10-8, setze den Wert auf null. Im letzten Schritt wartet das Programm 60 s, um den nächsten Durchlauf der Anweisungen innerhalb der Schleife zu durchlaufen. Im nächsten Schritt soll die Leistung der Diode untersucht werden, wenn sich die Eingangsspannung ändert. Auch das soll automatisiert ablaufen. Dazu verwendet man eine Source Measure Unit (SMU). Das Gerät erzeugt beispielsweise eine Spannung und misst gleichzeitig den Strom. Gesteuert wird die SMU vom DMM, indem ein TSP-Link verwendet wird. Diese Kommunikationsmethode erlaubt es, einem Gerät TSP-Kommandos von einem Skript zu senden, das auf einem anderen Gerät läuft.

Fazit

Wer sich mit automatisiertem Messen beschäftigt oder es praktisch umsetzen will, sollte über ein gutes Grundlagenwissen der eingesetzten Test- und Messgeräte verfügen. Zudem sollte man sich mit dem Test Skript Processor (TSP) Command Set ausgiebig beschäftigen. Dank des TSP lassen sich monotone Routineaufgaben automatisiert lösen.

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* Chris Godfrey ist für das technische Marketing EMEA bei Tektronix verantwortlich.

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