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Wie man Messdaten mit dem PC erfasst und auswertet

| Autor / Redakteur: Jörg Böttcher / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Dank moderner PC-Technik mit seinen Bussystemen und leistungsstarken Mikrocontrollern lassen sich Messdaten erfassen und verarbeiten. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick, was Messtechniker beachten sollten.

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Messdaten lassen sich mit einem geeigneten PC nicht nur erfassen, sondern auch auswerten. Worauf es dabei ankommt, lesen Sie im Text.
Messdaten lassen sich mit einem geeigneten PC nicht nur erfassen, sondern auch auswerten. Worauf es dabei ankommt, lesen Sie im Text.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

In den meisten automatisierten technischen Systemen werden mehr oder weniger viele Messdaten erfasst und verarbeitet. Ob in einer industriellen Produktionsanlage, einem Messaufbau im Labor oder im Automobil - die Messdaten bilden die Grundlage für entsprechende Überwachungs- und Regelungsprozesse. Im folgenden Text zeigen wir grundlegende Lösungsstrukturen, wenn Messdaten mit einem PC erfasst werden.

Messdaten per Einsteckkarte in den Computer übertragen

Wenn Messdaten mit einer Einsteckkarte erfasst werden sollen.
Wenn Messdaten mit einer Einsteckkarte erfasst werden sollen.
(Bild: Prof. Böttcher )

Es gibt verschiedene Varianten, Messdaten vor Ort zu erfassen und anschließend die Messdaten in den Computer zu übertragen und das gerätetechnisch zu implementieren. Hier werden Einsteckkarten mit entsprechenden Messfunktionen in einem freien Steckplatz (Slot) des computer-internen Peripheriebussystems installiert. Die Systemkomplexität ist bei dieser Systemvariante durch die Anzahl freier Steckplätze begrenzt.

Ebenso dürfen die Kabellängen zwischen Messort bzw. Sensor und Einsteckkarte mit ihren analogen elektrischen Signalen nicht zu lange werden; ihre Maximallänge hängt jeweils vom Messverfahren, externen Störeinflüssen (elektrische, magnetische oder elektromagnetische Einstrahlungen auf das Kabel) und der durch die Anwendung vorgegebenen maximal erlaubten Messabweichung ab.

Die meisten Karten verfügen über mehrere Analogeingänge, den sogenannten Kanälen, von denen jeweils einer über einen Analog-Multiplexer an den weiteren Signalpfad geschaltet wird. Analog-Multiplexer sind in Halbleitertechnik realisierte Umschalter für elektrische Signale. Fast alle Karten verfügen über in ihrem Verstärkungsfaktor einstellbare Verstärker. Höherwertige Karten bieten anschließend parametrierbare Filter, die unterschiedlichen Zwecken dienen können: von der für eine Signalrekonstruktion notwendigen Bandbegrenzung über eine allgemeine Signalglättung bis zu einer Unterdrückung höherfrequenter Störsignale.

Es folgt der Analog-Digital-Umsetzer (A/D-Wandler), dessen generierte Messdaten schließlich über eine PC-Busanbindung von der Software ausgelesen werden können. Vor diesem oder in ihn integriert befindet sich bei höherwertigen Einsteckkarten ein Sample-and-Hold-Glied. Solche Einsteckkarten verfügen auf Digitalseite meist über eine implementierte galvanische Trennung. Das ist eine elektrische Trennung der zu übertragenden Signale durch eine integrierte optische Übertragungsstrecke. Dadurch können Störungen auf dem von vielen anderen PC-Komponenten angesprochenen PC-Bus vom analogen Teil der Einsteckkarte weitgehend fern gehalten werden.

Funktionsblöcke werden mit Software konfiguriert

Umgekehrt werden damit beispielsweise etwaige Überspannungen auf den Kabeln zu den analogen Eingängen der Einsteckkarte vom empfindlichen Computer-Inneren abgeblockt. Eine galvanische Trennung kann alternativ auch auf analoger Seite erfolgen: Entweder gemeinsam für alle Kanäle nach dem Analog-Multiplexer oder für jeden einzelnen Kanal direkt davor. Das ist jedoch deutlich aufwendiger.

Die wesentlichen Parameter der Funktionsblöcke, dazu gehören zu selektierender Kanal, Verstärkungsfaktor, Filterfrequenz/en, Auflösung A/D-Wandler (sofern bei diesem umschaltbar), lassen sich von der Software konfigurieren; ebenso erfolgt die Aktivierung eines Digitalisiervorganges (Abtastung) durch Software. Das Bild 2 zeigt, wie analoge Signale mit vorhandenen Funktionsblöcken von Messdatenerfassungskarten erfasst werden. Mitunter enthalten solche Karten auch digitale Eingänge zum Anschluss binärer Signalquellen wie Schalter. Außerdem sind häufig digitale Ausgänge verfügbar, beispielsweise als Schaltausgänge für externe elektrische Verbraucher. Oder analoge Ausgänge, meist mit einem Standardspannungsbereich wie 0...10 V.

Einsteckkarten mit weitgehend universell nutzbaren analogen und digitalen Ein- und Ausgängen werden häufig als Multifunktionskarten bezeichnet. Sie weisen meist in funktionellem Zusammenhang mit den Digital-Kanälen softwarekonfigurierbare Zähler- und Timer-Funktionen auf. Noch komplexere Messdatenerfassungskarten können rechenintensive Funktionen der Messdatenverarbeitung selbständig durchführen. Das entlastet die Messdaten-Applikation bzw. den eigentlichen Computer-Prozessor. Die FFT- (Fast-Fourier-Transformation-)Karten analysieren das Spektrum selbstständig und in sehr kurzer Zeit.

Ein Blick auf den PC-internen Bus und wie sie arbeiten

Bild 2: Ein typischer Aufbau einer PC-Einsteckkarte, um Messdaten zu erfassen.
Bild 2: Ein typischer Aufbau einer PC-Einsteckkarte, um Messdaten zu erfassen.
(Bild: Prof. Böttcher )

Neben PCI-Steckplätzen (Slots) bieten aktuelle PCs den schnelleren PCI-Express-Standard. Hier existiert computerseitig ein Switch, der zur Kommunikation mit einer Einsteckkarte eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die Lane, schaltet. Eine Lane ist eine sehr schnelle bitserielle Verbindung mit je einem Adernpaar für jede Senderichtung, so dass in beiden Richtungen gleichzeitig übertragen werden kann - man spricht von einer Voll-Duplex-Kommunikation. Die Lanes werden jeder Einsteckkarte individuell zugewiesen, wobei diese je nach Bauart auch mehrere Lanes gleichzeitig benutzen kann.

Speziell für industrielle Anwendungen, wo es auf hohe Robustheit ankommt, sind PC-Systeme mit CompactPCI verbreitet. Hierbei handelt es sich um ein Backplane-basiertes Aufbausystem, bei dem die CPU und sämtliche Erweiterungskarten in standardisierten 19-Zoll-Gehäusen installiert sind. Diese Größenangabe bezieht sich auf die Gehäusebreite; es gibt hierzu zwei unterschiedlich große Bauformen für die Einsteckkarten, die dem Eurocard-Formfaktor folgen.

Über die Backplane werden die normalen PCI-Bussignale geführt, für anwendungsspezifische Zwecke stehen zusätzlich freie Nutzer-Signale zur Verfügung. Alternativ gibt es auch hier die Lane-basierte Express-Variante (CompactPCI-Express). CompactPCI ist eine alternative Bauform für PC-Systeme. Messdatenerfassungskarten gibt es in deutlich kleinerer Zahl und von weniger Herstellern. Meist sind diese Karten sehr leistungsfähig und für High Performance-Applikationen vorgesehen.

Im Gegensatz zu CompactPCI wurde PXI speziell für die Mess- und Automatisierungstechnik definiert. Der Backplane-basierte Aufbau ist für standardisierte Chassis ausgelegt. Der Backplane-Bus umfasst sämtliche Standard-PCI-Signale, wobei es ebenfalls eine Variante für PXI-Express gibt. Zusätzlich sind spezielle Trigger- und Taktsignale definiert. Sie lassen sich bei Echtzeitanwendungen nutzten. Muss die Messdatenerfassung robust und/oder erhöht echtzeitfähig sein, ist der höhere Preis von PXI-Systemen gerechtfertigt.

Ein Mess-System mit externen Modulen aufgebaut

Ein Messaufbau mit einem externen Mess-Modul.
Ein Messaufbau mit einem externen Mess-Modul.
(Bild: Prof. Böttcher )

Laptops werden für die Messdatenerfassung häufiger eingesetzt. Vor allem dann, wenn es um räumlich nicht zu weit verteilte Installationen geht: Der Aufbau erfolgt mit einem externen Modul und kommuniziert per USB oder über Ethernet/WLAN mit dem Computer. Vorteil: Ein flexibler Ausbau mit mehreren Modulen ist möglich. Das PC-Gehäuse muss auch nicht geöffnet werden. Im Signalpfad bis zum A/D-Wandler unterscheidet sich ein typisches externes Messmodul nicht von einer Messdatenerfassungskarte für den PC.

Es verfügt jedoch immer über ein eigenes Gehirn in Form eines je nach Komplexität des Moduls mehr oder weniger leistungsfähigen Mikrocontrollers. Dieser steuert auf der einen Seite sämtliche Funktionsblöcke im Signalpfad, während er auf der anderen Seite im Verbund mit der Busanbindung die Kommunikation zum PC durchführt. Neben der elektrischen Spannung sind die häufigsten standardmäßig von PC-Einsteckkarten wie auch externen Messmodulen direkt messbaren Größen:

  • elektrische Spannung,
  • elektrischer Strom,
  • ohmscher Widerstand,
  • Temperatur über externen Sensor (häufig Pt100 oder Thermoelement),
  • mechanische Größen wie Kraft, Druck, Beschleunigung oder Drehmoment über externen Piezo-Sensor (häufig mit Sensoranschluss gemäß IEPE-Standard, „Integrated Electronics Piezo-Electric“),
  • mechanische Größen über externe Sensoren mit integrierter Brückenschaltung,
  • Winkel über externen Drehgeber (Quadratur-Encoder) und
  • digitale Messgrößen (wie Frequenz, Zählerstand oder Zeit).

Umfangreiche Laboraufbauten und Laborbusse

Ein Messaufbau mit externen Bussen über eine PC-Einsteckkarte.
Ein Messaufbau mit externen Bussen über eine PC-Einsteckkarte.
(Bild: Prof. Böttcher )

In der Produktion finden sich häufig automatisierungstechnische Systeme, die über eine räumliche Distanz betrieben werden. Hier setzt man auf eine Verkabelung und auf industrielle Bussysteme (Feldbus, Industrial Ethernet). Bei umfangreicheren Labortestaufbauten oder Prüfständen kommen Laborbusse zum Einsatz. Eine Messdatenerfassung setzt typischerweise auf die jeweils verbreiteten externen Bussysteme als Transportmedium der Messdaten. Insbesondere Sensoren werden in stark steigendem Maße mit Feldbus- und Industrial Ethernet-Anschlüssen angeboten, während nur vereinzelte Ausführungen mit USB- oder konventionellem LAN-Anschluss existieren. Für eine Messdatenerfassung mit vielen Sensoren wird diese Systemlösung verwendet.

Aufgrund der eng auf das jeweilige Sensorelement fokussierten Funktion ist oft nur die nötigste Elektronik im Sensorgehäuse integriert. Das ist eine auf das jeweilige Sensorelement zugeschnittene analoge Signalvorverarbeitung. Bei einem resistiven Sensorelement, dessen ohmscher Widerstand sich in Abhängigkeit der Messgröße ändert, könnte eine Brückenschaltung verbaut sein, die eine elektrische Spannung zur weiteren Signalauswertung generiert. Je nach Signalgröße muss die Spannung noch verstärkt werden. Ähnlich den externen Messmodulen arbeitet bei busfähigen Sensoren zwischen A/D-Wandler und Busanbindung ein Mikrocontroller. Seine Programmierung ist ausschließlich auf die spezifische Sensorfunktion ausgelegt.

Der Mikrocontroller wird ebenfalls dazu benutzt, Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung ablaufen zu lassen, um das Messergebnis zu verbessern. Nichtlineare Sensorkennlinien lassen sich einfach linearisieren oder zu einer anderen Größe umwandeln. Eine Kalibriermessung inkl. des damit zusammenhängenden Einschreibens von Korrekturparametern sind möglich. Selbst relativ mächtige Signalverarbeitungsfunktionen in Sensoren werden im Mikrocontroller integriert. Beispiele sind Diagnosesensoren, die aus einem primär gemessenen Vibrationssignal über Algorithmen der Spektralanalyse auf schadhafte Maschinenkomponenten schließen.

Messgeräte mit einem Busanschluss

Schema eines Messgerätes mit Busanschluss.
Schema eines Messgerätes mit Busanschluss.
(Bild: Prof. Böttcher )

Messgeräte im Labor verarbeiten meist elektrische Signale, primär Spannungen und Ströme. Messtechnisch werden Ströme hierbei im einfachsten Fall über einen kleinen ohmschen Widerstand, dem Shunt-Widerstand, oder hochwertiger über entsprechende Strom/Spannungs-Wandler in Spannungen umgewandelt. Das elektrische Signal wird meist über parametrierbare Verstärker und optional auch Filter an den A/D-Wandler geführt. Im Unterschied zu typischen Einsteckkarten und externen Messmodulen wird jedoch abgesehen von einem einfachen Multimeter jedem Eingangskanal ein eigener analoger Signalpfad inkl. A/D-Wandler zugewiesen. Bei Messgeräten mit höhere Abtastraten müssen die Messdaten schnell weiterverarbeitet werden. Und das parallel von allen Kanälen. Zudem ist das Bedien-Panel mit der integrierten Messdatenanzeige anzusteuern. Das übernimmt ein messgeräte-interner Rechner. Dazu setzt man Embedded-PC-Plattformen ein.

Viele Labormessgeräte verfügen über einen standardisierten Laborbusanschluss (IEEE 488, auch GPIB – General Purpose Instruction Bus). Es sind seit einiger Zeit auch Messgeräte mit USB-Anschluss erhältlich. Ethernet ist noch nicht so stark verbreitet. Im Rahmen einer Messdatenerfassungsanwendung mit einem zentralen Computer werden die Messgeräte über den Laborbus ferngesteuert. Viele Messgeräte müssen dazu in eine spezielle Remote-Betriebsart geschaltet werden, in der dann die Bedienfunktionen am Bedien-Panel deaktiviert sind.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Literaturempfehlung

Jörg Böttcher: Kompendium Messtechnik und Sensorik. ISBN 978-3-7448-5626-3 (Paperback), Verlag: Books on Demand. Der Autor ist außerdem Herausgeber des Open-Access-Online-Kompendiums mit einem Zertifikatstest.

Kompaktseminar: Elektrische und physikalische Größen messen

Im Grundlagenseminar erhalten Interessierte einen Überblick, wie man elektrische und physikalische Größen misst. Prof. Böttcher vermittelt im Seminar notwendiges Basis-Know-how, um messtechnische Aufgabenstellungen selbständig anzugehen. Es bietet einen Grundlagenüberblick zwischen rein akademischer Theorie und ausschließlich geräte-bezogener Anwendungspraxis.

Im ersten Block werden allgemeine messtechnische Grundlagen behandelt wie Kennlinien, Messabweichungen, Kalibrierprozesse oder Wechselgrößen. Der zweite Block beschäftigt sich mit dem Messen elektrischer Größen inkl. der im Laboreinsatz wichtigen Geräte Oszilloskop und Spektrumanalysator sowie mit PC-basierter Messtechnik. Der dritte Block umfasst die Arbeit mit Sensoren und die Signalverarbeitung.

* Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher hat eine Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik an der Universität der Bundeswehr in München inne.

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