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MESSTECHNIK
Signale aller Art
Teil 1
Markus Kötterl, Marian Koop Bei PC-basierten Datenerfassungssystemen stellt
die Signalaufbereitung neben der Datenerfassungskarte und der Anwendersoftware die wichtigste Komponente dar. Die meisten Messwertaufnehmer
und Umformer im Mess- Prüf- und Automatisierungsbereich generieren Signale, die zuerst verstärkt, gefiltert
oder galvanisch getrennt werden
müssen, um von der Datenerfassungskarte optimal digitalisiert zu
werden. Der zweiteilige Beitrag beschreibt die Möglichkeiten und Unterschiede moderner PC-basierter
Signalaufbereitungssysteme wie SCXI (Signal Conditioning Extentions
for Instrumentation) oder der SCCSerie.
D
ie Offenheit PC-orientierter Systeme, sogenannter Virtueller Instrumente,
bringt Vorteile mit sich, die in der Vergangenheit kaum denkbar waren.Virtuelle Instrumente haben sich aufgrund
ihrer Vielfältigkeit in Bezug auf Hardund Softwareerweiterungen seit der
Einführung der grafischen Programmiersprache LabVIEW vor 14 Jahren in
allen Bereichen der Industrie etablieren
können. Hardware-Modullösungen geben dem Anwender die Möglichkeit, das
minimal Notwendige für die jeweilige
Applikation herauszufiltern und garantieren die Ausbaufähigkeit des Systems
in der Zukunft. National Instruments (NI)
bietet als weltweit operierendes Unternehmen für diese Produkte auch den
geforderten weltweiten Support und
die einfache Austauschbarkeit dieser
Module. Aus diesem Grund wurden
Signalaufbereitungssysteme entwickelt,
die aus einer Grundeinheit (Chassis oder
Modulträgereinheit) bestehen und
dann mit Hilfe vielzähliger einzelner
Module der aktuellen MSR-Aufgabe angepasst werden können. Im Falle des
SCXI-Systems kann die Kanalzahl durch
SCXI-Multiplexermodule in Verbindung
mit nur einer Datenerfassungskarte im
PC auf mehrere hunderte Kanäle erweitert werden (Bild 1). Das SCC-System ist
von der Kanalzahl auf 20 Kanäle beschränkt, da dieses System speziell für
portable Lösungen z. B. in Verbindung
mit einem Notebook konzipiert wurde
(Bild 2). Der wahre Kundennutzen zeigt
sich dabei auch in der einfachen und
kurzen Implementierungsphase dieser
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Bild 1: Die gesamte Kette vom Sensor über die Signalkonditionierungseinheit bis
hin zur Datenerfassungskarte im PC
Systeme – vom Anschluss des Sensors
bis hin zur Steuerprogrammerstellung
mit LabVIEW oder Measurement Studio
( Progamme LabWindows/CVI, Component Works für Visual Basic und Component Works++ für VisualC++). Weiterhin
spielt dabei auch die nahtlose Integration unterschiedlichster Komponenten
wie Datenerfassung, Motorensteuerung,
serieller Schnittstellen, CAN oder Bildverarbeitung eine entscheidende Rolle. Signalaufbereitungssysteme wie SCXI oder
SCC stellen dabei die Brücke zwischen
dem Prozess oder der zu messenden
Einheit und dem PC dar. Unabhängig
von der Art des Sensors stellt das Signal-
konditionierungssystem die Genauigkeit bzw. Qualität des Messwerts durch
Verstärkung, Filterung oder galvanischer
Trennung sicher.
Signalaufbereitung
PC-basierte Datenerfassungssysteme
erlauben problemlose Messungen von
Signalen in Form von Spannungen. Bei
einem Überblick über die auf dem Markt
angebotenen Sensoren fällt jedoch
schnell auf, dass die Art der Ausgangssignale von Sensoren sehr vielfältig ist.
Häufig zu messende Ausgangssignale
von Sensoren sind unterschiedlich große Spannungspegel, Ströme bis
zu 20 mA, Frequenzen
und Widerstände. Auf
vielen Datenerfassungseinsteckkarten ist bereits
ein Minimum an Möglichkeiten zur Signalaufbereitung integriert. Typisch sind hier Differenzialverstärker zur optimalen Anpassung des
analogen Signals an den
Eingangsmessbereich
des verwendeten Analog-Digital-Wandlers sowie verschiedene, nicht
Bild 2: Die SCC-Trägereinheit mit einzelnen Modulen
einstellbare Filter. Eben- E
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MESSTECHNIK
falls bei der Ausgabe digitaler Signale
sind externe Einheiten nötig, um z. B.
mehrere Ampere schalten zu können.
Ausgehend von der Lücke zwischen
den Möglichkeiten, die eine Datenerfassungskarte bietet, und den Anforderungen durch die Sensortechnik müssen
zusätzliche Vorkehrungen zur Anpassung von Sensorsignalen getroffen werden. Diese Vorkehrungen beinhalten die
Gewährleistung der in einem Sensorsignal enthaltenen Informationen und werden allgemein unter dem Begriff Signalaufbereitung zusammengefasst.
Signalaufbereitung mit
SCXI?
SCXI ist die Bezeichnung für ein modulares Signalaufbereitungs- und Datenerfassungssystem zur Erfüllung von Messaufgaben auf der Basis eines PCs. Die
SCXI-Produktlinie umfasst Module für
analoge und digitale Signale, Datenerfassungs- und Steuermodule, Module
für Schalt- und Umschaltaufgaben, Gehäuse und Anschlusstechnik.
SCXI-Module erweitern ein Datenerfassungssystem um zusätzliche Isolierung,
verstärken Signalpegel und sind der erste Schritt zur Auswertung von elektrischen Signalen. Darüber hinaus beinhalten alle SCXI-Module die Fähigkeit zur
Vervielfältigung der zur Verfügung stehenden Messkanäle. Ein komplettes SCXI-System zur Signalaufbereitung kann
je nach Anwendung aus mehreren
Komponenten bestehen und beinhaltet
häufig auch Elemente wie Schalter, Umschalter und Multiplexer.
Das SCXI-System
Ein SCXI-Gesamtsystem besteht aus verschiedenen Modulen zum Anschluss
und zur Aufbereitung von Mess-Signalen, der notwendigen Anschlusstechnik
zum PC und einem oder mehreren Gehäusen als Basis. NI bietet eine Vielzahl
von verschiedenen SCXI-Gehäusen, denen eines gemeinsam ist: Sie sind in der
Lage vier bis zwölf SCXI-Module aufzunehmen und erlauben die Ansteuerung
aller Modulslots von einem beliebig gewählten Modulslot aus. Zu diesem
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Zweck ist in die Gehäuse ein Daten- und
Steuerbus integriert. Der SCXI-Bus ermöglicht Datentransferraten von bis 333
kS/s (= 666 KByte/s) und erlaubt, jeden
beliebigen Modulslot und jeden in einem Modul vorhandenen Signalkanal anzusprechen und auszulesen. Die Spezifikationen zu diesem Bus sind frei zugänglich und ermöglichen die Verwendung von anwenderspezifischen Modulen.
SCXI-Module sind für verschiedenste
Anwendungen verfügbar. Allen gleich
sind die integrierten Fähigkeiten zur Remotesteuerung über den SCXI-Bus und
ein definierter Ausgangssignalpegel
Auswahlphase für seine Komponenten
bestimmt. Die Tabelle 1 verdeutlicht die
wesentlichen Kriterien die ein Signalaufbereitungssystem zu erfüllen hat.
Vorgehensweise bei der Auswahl eines
SCXI-Signalaufbereitungssystems:
1. Auswahl der SCXI-Module Aufbereitung/Verbesserung des zu messenden Signals (siehe Tabelle 1),
2. Auswahl der Anschlussblöcke, Direkt,
auf DIN-Schiene oder anwenderspezifisch,
3. Auswahl des SCXI-Gehäuses (vier
oder zwölf Slots), Entsprechend der
Anzahl der ausgewählten SCXI-Module und Anwendungsspezifika
tion (stationär, mobil, remote,
Kombination mit CompactPCI/
PXI),
4. Auswahl der Datenerfassungskarte, entsprechend Anwenderspezifikation (Gesamtab
tastrate, Auflösung),
5. Auswahl der zu verwendenden Verbindungskabel,
6. Gegebenenfalls Auswahl von Zubehör.
von ±10 V. Neben
den verschiedenen
Funktionen zur Signalaufbereitung
bieten einige SCXIModule die Fähigkeit zur parallelen Bild 3: Konfiguration der einzelnen Module mit der GeräteDatenübertragung. und Schnittstellensteuerung mit dem MAX (Measurement
Unter Verwendung & Automation Explorer)
von schnellen Datenerfassungskarten sind hiermit Hoch- Definition und Auswahl
geschwindigkeitsanwendungen mög- eines SCC-Systems
lich. Zum Anschluss von Sensoren an
SCXI-Module stehen zwei verschiedene Die SCC-Serie ist ein portables SignalAnschlussvarianten zur Auswahl. Die er- konditionierungssystem in der Größe eiste besteht in einem an das SCXI-Modul nes handelsüblichen Notebooks für bis
montierbaren Anschlussblock. Alterna- zu 16 analogen Eingängen und acht ditiv können auf DIN-Standard-Schienen gitalen I/Os. Pro Modul können dabei bis
montierte Anschlussblöcke zum Einsatz zu zwei Signale aufbereitet werden. Eine
kommen, die über ein geschirmtes Ka- Multiplexereinheit ist im SCC-System
bel mit dem SCXI-Modul verbunden nicht enthalten. Die Signale werden
nach Aufbereitung an den jeweiligen
sind.
Eingangskanal der Datenerfassungskarte weitergeleitet. Bei der Auswahl eines
Auswahl eines SCXI-Systems SCC-Systems werden zuerst die einzelnen Module wie z. B. DehnungsmessDer Nutzen eines jeden Datenerfas- Streifen- oder Thermoelementmodule,
sungssystems wird entscheidend in der oder ein digitales Modul und an-
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Konfiguration mit dem
Measurement & Automation
Explorer
Nach der Auswahl der für eine bestimmte Anwendung notwendigen Hardwarekomponenten besteht der nächste
Schritt in der Konfiguration der einzelnen Module mit der Geräte- und
Schnittstellensteuerung von National Instruments MAX (Automation & Measurement Explorer). Neben GPIB- und Datenerfassungskarten oder Bilderfassungskarten werden in dieser gemeinsamen
Softwareoberfläche auch die einzelnen
SCXI- oder SCC-Module konfiguriert
(Bild 3). Im Menüpunkt Geräte und
Schnittstellen werden alle konfigurierten
Hardwarekomponenten aufgelistet und
können auch nachträglich sehr einfach
umkonfiguriert werden. PC-Einsteckkarten wie Datenerfassungskarten werden
dabei automatisch über das Betriebssystem (Windows 95/98/NT/2000) erkannt.
Das SCXI-Chassis als externe Komponente wird dann manuell durch Menüauswahl hinzugefügt. Nach Angabe
der Datenerfassungskarte, die das SCXIChassis steuert, werden die Module des
Chassis wiederum automatisch erkannt.
Eine weitere Konfigurierungsmöglichkeit des MAX stellt die Vergabe von logischen Namen für jeden zu verwendenden Eingangskanal dar. Die Konfiguration beschränkt sich nicht nur auf die Vergabe von logischen Namen (z. B. Thermoelement_1) sondern erlaubt auch
die Anpassung der elektrischen Signale
(z. B. in Volt) an die gemessenen physikalischen Werte (z. B. Grad Celsius).
(jj)
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NATIONAL I NSTRUMENTS
Dipl.-Ing. Markus Kötterl ist Vertriebsingenieur und Dipl.-Ing. Marian Koop Applikationsingenieur in der deutschen Niederlassung von National Instruments.
Der zweite Teil dieses Beitrags wird sich vor
allem mit der Programmierung von Signalkonditionierungssystemen mit der grafischen Programmiersprache LabVIEW
und Praxisbeispielen wie z. B. Temperaturmesswerterfassung beschäftigen.
MESSTECHNIK
schließend die passende Modulträgereinheit (Carrier) ausgewählt. Bei den
Modulträgereinheiten gibt es zwei Varianten. Eine Variante mit wählbaren Anschlüssen (BNC, D-Sub (neun Pins), SMB,
Thermoelement) und mit wählbaren
Schaltern, LEDs oder einem Potentiometer als Anzeige bzw. als Eingabemöglichkeit. Bei der zweiten Variante wird der
Sensor bzw. das Signal direkt über
Schraubklemmen am Modul angeschlossen. Diese Konfiguration erlaubt
ein schnelleres Ändern und Austauschen der einzelnen Module.
Literatur
[1] Rahman Jamal, Herbert Pichlik: LabVIEW - Programmiersprache der 4. Generation,Prentice Hall Verlag,2.revidierte Auflage
[2] National Instruments Application Note
048, Signal Conditioning Fundamentals for PC-Based Data Acquisition Systems (November 1997)
[3] National Instruments Application Note
083,SCXI Product Selection Guide (März
1997)
[4] Rahman Jamal, Heinrich Illig: Von LabWindows/CVI zu Measurement Studio,
elektronik industrie 2/2000
Sensor-/Signalart
Wichtige Charaktere des Signales
Notwendige Signalaufbereitung
Besondere Anforderungen
Thermoelement
langsame Änderung
hohe Empfindlichkeit
hohe Störempfindlichkeit
Signalverstärkung
Signalfilterung
Kaltstellenkompensation
RTD
langsame Änderung
hohe Empfindlichkeit
Signalverstärkung
Konstantstromquelle
Messbrücke
(DehnungsmessStreifen)
komplexer Aufbau
hohe Empfindlichkeit
Konstantstromquelle
Messbrückenabgleich
Thermistor
Konstantstromquelle
Spannung < 1 V
hohe Störempfindlichkeit
Signalverstärkung
Signalfilterung
Spannung ≤ 300 Veff
erhöhte Gefahr durch Kontakt mit
Signal
Signalreduktion
Strom (4-20 mA)
Störunempfindlichkeit
Umwandlung in Spannungspegel
Frequenz
Spannungsbereich ist häufig > 10 V=
Umwandlung in Spannungspegel
Digitaler Schaltpegel
Highsignal anwendungsabhängig
Digitales Schalten
von Lasten
Highsignal anwendungsabhängig
viele, statische
Signale
viele und unterschiedliche
Eingangssignalbereiche
zusätzliche Isolierung
zusätzliche Isolierung
zusätzliche Isolierung
Multiplexer/Matrix
zusätzliche Isolierung
Tabelle 1: Anforderungen an die Signalaufbereitung
elektronik industrie 4-2000
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