Einfach Messen

Einfach messen! 1 © National Instruments Germany GmbH

Einfach messen!Kostengünstiges Erstellen

skalierbarer Messsysteme

- Seminar -

Ausgabe Januar 2003

Artikelnummer 350953A-01

Georg Heckelmann


UrheberrechtCopyright © 2002 National Instruments Corporation. Alle Rechte vorbehalten.Laut Urheberrecht darf diese Unterlage nicht ohne vorherige Genehmigung von National Instruments Corporation auf irgendeine Art elektronisch oder mechanisch – einschließlich Fotokopien, Aufnahmen, Speichern auf einem Datenwiedergewinnungssystem oder Übersetzung – ganz oder in Teilen vervielfältigt oder übertragen werden.

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National Instruments’ Firmenhauptsitz11500 N Mopac Expwy, Austin, TX 78759-3504, USA – Tel: 001 512 683-0100


Inhaltsverzeichnis

• Vorwort 4

• Einleitung 6

• Themen und Inhalte 7

• National Instruments 8

• Anwendungsbereiche 10

• Das Konzept der Virtuellen Instrumente 12

• Integrierte Softwarearchitektur 17

• Was ist ein Datenerfassungssystem 18

- Systemaufbau 20

- Die Multifunktions-Datenerfassungskarte 21

- Bauteile einer Datenerfassungskarte 27

- Datenerfassungskarten von National Instruments 32

- Die Datenerfassungskarte im PC 34

�Der Measurement and Automation Explorer 35

• Einfach messen mit NI 40

- Integrierte Softwarearchitektur 40

�Die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW 41

�Textbasierte Programmierung 47

�Software zur Systemverwaltung 50

�Die Entwicklungsumgebung DIAdem 51

- Einfach messen mit NI – Teil I 52

- Einfach messen mit NI – Teil II 62

- Zusammenfassung 66

• Weitere Möglichkeiten 67

• Anhang 85

• Literaturverzeichnis 88

• Datenblätter 89


Vorwort

Zurzeit wachsen Datenerfassungskarten, die scheinbar alles können, eine Anbindung an LabVIEW bereitstellen und auch noch billig sind, wie Pilze aus dem Boden. Soweit die Marketing-Message. Jeder, der sich aber ernsthaft mit dieser Thematik auseinandersetzt, weiß, dass hinter diesen plakativen Aussagen meist ein enttäuschendes Etwas steckt. Umso kritischer ist es für den potenziellen Anwender, die in den Datenblättern spezifizierten Kenngrößen genauer zu analysieren.

Mit diesem Seminar haben wir uns vorgenommen, dem Anwender ein Rüstzeug an die Hand zu geben, das es ihm erlaubt, hinter die Fassaden zu blicken. Vor allem geht es uns darum, das Thema "Datenerfassung" in einem Gesamtkontext zu betrachten, denn die Erfassung von Daten ist weitaus mehr als eine Steckkarte, die mit irgendeiner Software kombiniert wird. Wir demonstrieren Ihnen einerseits, wie Sie schnell und kostengünstig skalierbare, leistungsfähige sowie hochpräzise Messsysteme erstellen, und anderseits, wie einfache Messaufgaben zeitsparend realisiert werden können, die langfristig auch höheren Anforderungen gerecht werden. Hier die einzelnen Themenbereiche im Überblick:

• Vorstellung des Aufbaus und der Funktionalität der NI-Datenerfassungshardware

• Auswahlhilfen und Entscheidungskriterien für präzise, erweiterbare Messsysteme

• Konfiguration und Programmierung von skalierbaren Datenerfassungsapplikationen

• Beispielapplikationen und Live-Demonstrationen mit LabVIEW, DIAdem etc.

Auf der Basis von Standardschnittstellen wie PCI, PCMCIA, aber auch USB undFireWire vermitteln wir Ihnen einen tiefen Einblick in die Erstellung leistungsfähiger auf NI-Hard- und -Software basierender Datenerfassungsapplikationen. Lernen Sie die integrierte NI-Software-architekturkennen, die skalierbare Lösungen ermöglicht, welche jederzeit an zukünftige Aufgaben anpassbar sind!

Rahman Jamal

Technical & Marketing Director, Central Europe



Einfach messen!Kostengünstiges Erstellen skalierbarer

Messsysteme

Seit Computer durch die technische Weiterentwicklung immer leistungsfähiger werden, nutzen Ingenieure und Wissenschaftler den PC immer häufiger, um Mess- und Automatisierungs-aufgaben anspruchsvoller zu gestalten. Der Einsatz von Computern bietet Flexibilität im Systemdesign und ermöglicht somit auch ein kostengünstiges Anpassen der Systeme auf spätere Anwendungen. Dieser Wandel in der Messtechnik wurde vor mehr als 20 Jahren mit der Schnittstelle GPIB eingeleitet. Standardmessgeräte wurden und werden bei dieser Technik über einen externen Bus zur Steuerung und zum Datenaustausch mit dem Rechner verbunden. Durch Weiterentwicklung dieser Technologien haben sich computergestützte Mess- und Automatisierungssysteme von weniger flexiblen "Stand-alone"-Geräten hin zu leistungsstarken, in den Rechner integrierten Mess- und Automatisierungssystemen gewandelt, welche die volle Flexibilität des Rechners nutzen.

Seit dieser Zeit ist auch National Instruments in der computergestützten Mess- und Automatisierungstechnik zu Hause. Bereits seit mehr als 25 Jahren entwickeln wir Produkte, welche die vorhandenen Schnittstellen der Computer bestmöglich nutzen, um Messdaten zu erfassen und bearbeitete Ergebnisse wieder auszugeben. Unsere Software-Tools unterstützen Sie dabei, die Messkarten einfach zu konfigurieren sowie Anwendungen zu erstellen, die ansprechend gestaltet sind, Daten in verschiedensten Formaten speichern, Benutzeroberflächen im Internet publizieren und vieles mehr.

Die Produktpalette reicht hierbei von PC-Steckkarten auf PCI- oder ISA-Basis über externe Geräte für USB oder FireWire bis hin zu industriellen Systemen auf der Basis von PXI. Durch plattformübergreifende Programmiersprachen sind die Systeme skalierbar und eine kürzere Time-to-Market wird ermöglicht.


Themen und Inhalte

• Vorstellung des Seminars• Wer ist National Instruments?

• Was ist DAQ?– Datenerfassung mit unterschiedlichen Schnittstellen– Datenerfassung mit NI-Produkten (der NI-Hardware-Layer)

• Einfach messen mit NI-Produkten

– Die Softwareplattformen– Einfache Anwendungen

• Und was jetzt?

– Ausbaumöglichkeiten

Zu Beginn des Seminars möchten wir Ihnen National Instruments vorstellen und Ihnen einen kurzen Überblick über typische Anwendungen der Mess- und Automatisierungstechnik geben.

Die Mess- und Automatisierungstechnik nimmt im gesamten Design- und Produktionsprozess in zahlreichen Industriebereichen einen immer größeren Stellenwert ein. Durch seine ständig wachsende Leistungsfähigkeit kann unser täglicher Begleiter – der Computer – auch eine Viel-zahl dieser Aufgaben mit Bravour lösen. Die einfache Messdatenerfassung und die Ausgabe physikalischer Größen sind Bestandteil von sowohl weniger anspruchsvollen als auch aufwändigeren Industrieanwendungen. Aus diesem Grund soll dieses Seminar eine Einführung in die computergestützte Messtechnik geben und an Beispielen zeigen, wie Sie mit National Instruments kostengünstig ein Messsystem konfigurieren können und gleichzeitig die Möglichkeit für spätere Erweiterungen wahren.

Nach der generellen Erläuterung der Theorie der computergestützten Messdatenerfassung werden wir Ihnen an einfachen Beispielen die Funktionalität unserer Datenerfassungskarten demonstrieren und dabei verschiedene Messmethoden vorstellen.


National Instruments

• 2.900 Angestellte

• Mehr als 1.000 Produkte

• 600 Alliance Partner

• Weltweit mehr als 30 Niederlassungen

• Hauptsitz in Austin, TXNI HQ

Seit mehr als 25 Jahren revolutioniert National Instruments die Art und Weise, wie Wissenschaftler und Ingenieure auf der Basis des PCs und der damit verbundenen Technologien arbeiten. Technologien, die einen PC in ein leistungsstarkes, computergestütztes und netzwerkfähiges Mess- und Automatisierungssystem verwandeln, werden von National Instruments konsequent aufgenommen und vorangetrieben.

Produktentwicklung und Hauptsitz von National Instruments befinden sich in USA (Austin, Texas). Hier werden National Instruments' Hardware- und Softwarekomponenten entwickelt, getestet und unterstützt. Support- und Kundenunterstützung durch Schulungen sind außerdem durch die über 37 Niederlassungen weltweit vertreten.

Das Konzept der virtuellen Instrumente, das später im Seminar genau erläutert wird, ist für National Instruments das Schlüsselkonzept zur Entwicklung kompakter, flexibler und skalierbarer Mess- und Automatisierungsplattformen mit einer unvergleichbaren Leistungsfähigkeit. Seien es Tests für Automobile bei Honda in Japan, die Auswertung von Defibrillatoren bei Teletronics in Australien, wachsende Testanforderung von Telefonleitungen bei British Telecom in England oder auch Tests von Komponenten in der Automobilindustrie wie bei Bosch in Deutschland – weltweit erreichen Firmen, die unsere Produkte nutzen, ihre Ziele schneller, besser und preiswerter.


Was macht NI einzigartig?

• Integration von Standardtechnologien- Die Revolution in der Messtechnik (ni.com/revolution)

• Entwicklung integrierter Lösungen- Nahtlose Integration von Hard- und Software

• Weltweiter Service und Support- Nahezu in allen Regionen der Welt präsent

• Kundenorientierte Lösungen- Modulare und skalierbare Konzepte

• Innovation- Schlüssel für den Erfolg unserer Produkte

Unser Erfolg stützt sich im Wesentlichen auf fünf Säulen, die uns in der computergestützten und vernetzten Mess- und Automatisierungstechnik von anderen Unternehmen unterscheiden. Diese fünf Prinzipien sind die treibende Kraft hinter der Verwirklichung unserer Ziele.

• Integration von Standardtechnologien: Die rasanten Fortschritte in der Computertechnologie ermöglichen immer mehr Ingenieuren und Wissenschaftlern die Realisierung kompletter Systeme. Mit der Erstellung von Messsystemen mittels neuester Standardtechnologien profitieren unsere Kunden von hoher Leistungsfähigkeit und niedrigeren Systemkosten.

• Entwicklung integrierter Lösungen: Integrierte Mess- und Automatisierungssysteme bieten enorme Vorteile – höhere Leistungsfähigkeit, niedrigere Kosten, geringere Time-to-Market und verbesserte Qualität. Durch die Nutzung von Technologien von gestern, heute und morgen können unsere Produkte auch nahtlos mit anderer Hard- und Software eingesetzt werden, so dass stets für hohe Integration gesorgt ist.

• Weltweiter Service und Support: Wir sind in nahezu allen Regionen der Welt vertreten, mit Niederlassungen in fast 40 Ländern und zusätzlichen Vertriebsbüros in 18 Ländern. Weltweit arbeiten unsere erfahrenen und hochmotivierten Ingenieure mit Kunden zusammen, um eine geeignete Lösung für ihre Anforderungen zu finden.

• Kundenorientierte Lösungen: Mit dem Einsatz von NI-Produkten entwickeln unsere Kunden Lösungen zur Erleichterung des Alltags – seien es hochwertigeres Trinkwasser, sicherere Automobile oder eine bessere Vernetzung unserer Welt. Seit der Gründung von National Instruments ist der Erfolg unserer Kunden unser größtes Anliegen.

• Innovation: Dies ist das Schlüsselkonzept von National Instruments, wie es etwa anhand des Konzepts der virtuellen Instrumente, auf das im Laufe des Seminars noch genauer eingegangen werden soll, ersichtlich ist.


Kein Industriebereich > 10% Umsatz

Telekommunikation ElektronikAutomobilindustrie Halbleitertechnik Computer

ATEPetrochemie

Militär/Raumfahrt Forschung Lebensmittel- und Textilindustrie

Anwendungsbereiche

Diese Folie zeigt die Vielfältigkeit der Industriezweige, in denen die Mess- und Automatisierungslösungen von NI zum Einsatz kommen. Egal, ob in der Telekommunikation, Automobilindustrie, Elektronik, Textilindustrie, Petrochemie, im Bereich der automatisierten Prüfungen, in der Lebensmittelindustrie, Forschung oder in anderen Bereichen – überall finden sich computergestützte Mess- und Automatisierungslösungen, da es immer Daten zu erfassen, zu digitalisieren und darzustellen gibt.

NI bietet ein umfangreiches Programm an Serviceleistungen, wie z. B. Start-up Assistance, Installationsdienste und Produktschulungen, sowie Beratungsdienste und das Alliance Program. Somit können unsere Kunden stets die Expertise von Industrie- und Produktspezialisten nutzen. Mit unserem breiten Spektrum an Dienstleistungen – angefangen bei der erweiterten Garantie und Softwareverträgen (SSP) bis hin zur Kalibrierung – unterstützen wir unsere Kunden bei der Erstellung ihrer Lösung und sorgen so für optimale Funktionsfähigkeit über viele Jahre hinweg. Ferner haben wir weltweite Beziehungen mit zahlreichen Industriepartnern aufgebaut, so dass unsere Kunden ihren Anforderungen entsprechend auf eine breite Palette an Lösungen zurückgreifen können – von Komponenten und Beratung bis hin zu schlüsselfertigen Systemen.


Virtuelle Instrumente im gesamten Design- und Produktionsprozess

97% der Entwicklungsingenieure begleiten ein Produkt durchalle Phasen eines Design- und Produktionsprozesses.Quelle : Cahners Research, "Mind of the Engineer" 2001

Entwicklung/Modellierung

Analyse/Simulation

Prototypen/Verifizierung

Validierung Produktion

Produktions-test

Validierungs-test

Verifizierung, Nachbildungdes Systems/der Komponenten

Modellbildung,Adaptierung

Entwicklungs-test

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Das Konzept der virtuellen Instrumente bringt entscheidende Vorteile für die unterschiedlichsten Bereiche der Industrie. Unter dem Begriff "virtuelles Instrument" ist zu verstehen, dass der Computer das Messinstrument darstellt. Leistungsfähige Steckkarten zur Datenerfassung, Datenausgabe oder auch Motorensteuerung verbinden den Rechner zur Außenwelt. In einer Programmiersprache wird die Anwendung erstellt, die dann auf dem Monitor ein instrumenten-ähnliches Front-End bietet.

Betrachtet man die Designmethodik heutiger Entwicklungsingenieure etwas genauer, so stellt sich heraus, dass sich die unterschiedlichen Phasen des Designprozesses wie Modellierung, Simulation, Verifizierung und Produktion nicht mehr eindeutig trennen lassen. Eine Studie mit dem Titel "Mind ofthe Engineer" des US-Marktforschungsinstituts Cahners Research zeigt, dass 97% der Entwicklungsingenieure die Produktentwicklung durch alle Phasen des Produktionsprozesses hindurch begleiten. Mess- und Automatisierungsprozeduren werden während des gesamten Designprozesses durchgeführt und stellen damit einen wichtigen Bestandteil dar.

Durch unsere leistungsfähigen Komponenten geben wir unseren Kunden die Möglichkeit, ihre Lösung frei zu definieren, also ihren eigenen Bedürfnissen anzupassen. Mit unseren auf offener Plattform basierenden Konfiguratoren und Entwicklungsumgebungen haben Kunden die Flexibilität, ihre auf NI-Produkte gestützten Messsysteme und die jeweilige Hardware ihren Anforderungen entsprechend zu nutzen. Da wir auf der Basis von offenen Standards arbeiten, können unsere Produkte mit denen von Drittherstellern oder bereits existierenden Messsystemen kombiniert werden.

Das Seminar Einfach messen! betrachtet die Bereiche Erfassung, Analyse und Ausgabe von Analog-und Digitalsignalen wie beispielsweise das Erfassen von Temperaturen.


Das Konzept der virtuellen Instrumente

Das Yin-Yang-Symbol an dieser Stelle soll die fundamentalen Elemente der eben erwähnten virtuellen Instrumente symbolisieren. Es gibt hier also zwei Elemente: die Software und die Hardware.

Die Hardware bietet beispielsweise bei Analogdatenerfassungskarten die nötige Leistungsfähigkeit. Bei der Auswahl der geeigneten Hardware stellen sich Fragen wie: Welche Abtastraten werden benötigt, um ein bestimmtes Signal zu digitalisieren? Wie hoch muss die Auflösung sein?

Die Software bietet die Flexibilität, Funktionalitäten wie das Erfassen, Analysieren und Darstellen, aber auch Speichern oder Ausgeben von Daten zu realisieren. Das Zusammenspiel beider Komponenten ergibt das Konzept der virtuellen Instrumente.

Das Konzept der virtuellen Instrumente besteht seit nunmehr 15 Jahren und fand seinen Anfang sicherlich mit der Entwicklung von LabVIEW. Bei genauer Betrachtung stellt man jedoch fest, dass auch schon die Vernetzung von Computern mit Instrumenten mittels GPIB und der seriellen Schnittstelle dem Grundgedanken der virtuellen Instrumente folgte – nur hat es damals noch niemand so genannt.

Das Yin-Yang-Symbol spiegelt den traditionellen chinesischen Glauben daran wider, wie Dinge zusammenspielen. Die kreisförmige Grundform steht für das Gesamte, während die dunklen und hellen Teilformen im Kreis das Zusammenspielen zweier Energien – Yin (schwarz) und Yang (weiß) –repräsentieren, die alles beeinflussen. Die Teilformen sind nicht komplett schwarz bzw. weiß, genau wie die Dinge im Leben nicht nur schwarz oder weiß sind, sondern sich ständig gegenseitig beeinflussen und ohne ihren Gegenpart nicht existieren können.


"The Software is the Instrument"

Erfassen Analysieren Präsentieren

Signalverschaltung & Konditionierung

Steckkarten

Separate Instrumente

Trig

geru

ng

Formatierung

Berechnung

GUI

Datei-I/O

Interprozess-kommunikation

Netzwerk

Datenmanagement

Steuerung

Das Konzept der virtuellen Instrumente basiert darauf, dass die Software die Funktionalität des Instrumentes bestimmt. Dabei teilen sich die Aufgaben im Allgemeinen immer in 3 Blöcke: Erfassen, Analysieren, Präsentieren.

Durch diesen Ansatz, die Leistungsfähigkeit heutiger Computer und das Zusammenspiel von NI zur Entwicklung von effizienten Softwarewerkzeugen können wir Wissenschaftlern und Ingenieuren die Möglichkeit geben, ihre eigenen Mess- und Automatisierungsinstrumente und -systeme zu entwickeln. Mit diesen vereinfachten Konstruktionsblöcken können auch anspruchsvolle Messanwendungen in einfachere und somit leichter zu realisierende Strukturen zerlegt werden.

In der Realität sind die von Kunden entwickelten Anwendungen – sei es für den Bereich der Brennstoffzellen oder die Automatisierung von Überwachungsprozessen in der Halbleiterindustrie –natürlich sehr komplex, aber letztendlich kann man sie in irgendeiner Form immer wieder auf diese drei Blöcke zurückführen. Daher kann dieses Schema als eine adäquate Darstellung der Idee, die sich hinter dem Konzept der virtuellen Instrumente verbirgt, betrachtet werden. Die Messkapazitäten, die vielseitigen Analysemöglichkeiten, Verbindungen über Ethernet oder andere Schnittstellen (zu weiteren Systemkomponenten) werden hauptsächlich durch die Software realisiert.

Letztendlich ist es auch die Software, die den Charakter und den Wert eines Instruments festlegt. Wir gehen davon aus, mit diesen elementaren Konstruktionsblöcken auch weiterhin den Bereich der Messung und Automatisierung sowie die Produktivität der Wissenschaftler und Ingenieure revolutionieren zu können, und zwar in vielfältigerer Art und Weise als wir es bereits mit LabVIEWund anderen Softwaretools getan haben.


NIs Hardware-Sicht

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Oscilloscopes RF

Ein Bestandteil der virtuellen Instrumente ist die Hardware, deren Leistungsfähigkeit auf den gewünschten Einsatzbereich abgestimmt sein muss.

In diesem Diagramm ist wiedergegeben, welche Bandbreite (Auflösung vs. Frequenz) ein Messsystem bei der Erfassung elektronischer Signale abdecken muss. Es umfasst nicht alle Aspekte der Digitalisierung, aber es verdeutlicht unsere Sichtweise und die Entwicklungs-grundlage virtueller Instrumente.

Außerdem zeigt dieses Diagramm die Entwicklung unserer auf kommerziellen Technologien basierenden Produkte im Laufe der Jahre. Der grüne Bereich zeigt die Bandbreite der modernsten Technologien, die National Instruments 1995 in Form von Datenerfassungskarten vertrieben hat. Der rote Bereich zeigt die Evolution der Bandbreite von 2000, fünf Jahre später, und der blaue Bereich schließlich den Stand von 2002. Somit hat National Instruments weite Industriebereiche abgedeckt.

Muss beispielsweise ein Signalpegel mit hoher Genauigkeit erfasst werden, so bieten unsere Digitalmultimeter eine maximale Auflösung von bis zu 26 Bit. Hochfrequenzmessungen sind bis zu 2,7 GHz möglich. Auch der komplette Bereich zwischen diesen beiden Randfaktoren – sei es ein Digitalsignalanalysator (DSA), ein Standard-Datenerfassungssystem oder auch eine Oszilloskop-Anwendung – kann mit NI-Produkten abgedeckt werden.


Kontinuität und Produktivität als Teil unserer Plattform

VBXOCX OLE

ActiveXDCOM

.NET ??

LabVIEW™, TestStand™, LabWindows™/CVI™,Measurement Studio™, DIAdem und IVI

1996 1998 2000

NI-Software

Beispiel Microsoft: Schnittstellentechnologie

Es ist sehr wichtig zu verstehen, wie wir bei National Instruments auf den verschiedenen Betriebssystem-Plattformen aufbauen, um die Kontinuität unserer Produkte für aktuelle und auch zukünftige Softwaretechnologien ermöglichen zu können. Obwohl beispielsweise Microsoft-Produkte einen De-facto-Standard darstellen, führt die Monopolstellung von Microsoft doch häufig zu Problemen für den Anwender. Im Jahr 1996, als Visual Basic aufkam, wurde ein Schnittstellenmodell namens VBX genutzt. Dieses wurde in OCX umgewandelt, als Microsoft zur 32-Bit-Technologie überging. Anschließend gab es kleine Änderungen von OLE zu ActiveX, und obwohl dies mehr eine Marketingstrategie war, beinhaltete es COM – das Component Object Model. Mittlerweile bewegen wir uns auf .NET-Technologien zu.

Um eine einheitliche Arbeits- und Entwicklungsumgebung zu wahren, integrieren wir neue Softwaretechnologien wie ActiveX oder .NET als zusätzliches Modul in bestehende NI-Entwicklungsumgebungen (ADE), anstatt komplett auf neue Technologien und Schnittstellen umzustellen, wenn diese sich sehr wahrscheinlich bald wieder ändern werden. Was wir also in den letzten 15 Jahren sehr erfolgreich umgesetzt haben, ist eine enge Zusammenarbeit mit Microsoft, deren Ziel es ist, diese Übergänge zu glätten und neue Technologien in all unsere Entwicklungsumgebungen wie LabVIEW, TestStand, LabWindows/CVI sowie Measurement Studio und DIAdem zu integrieren. Der Anwender kann somit auch neue Betriebssystem-technologien nutzen, ohne erst neue Befehlssätze erlernen zu müssen.

Davon auszugehen, dass .NET die Zukunft für unsere Plattformen darstellt wie es z. B. bei USB und IEEE 1394 der Fall war, wäre der falsche Ansatz. Die Vorteile einer Plattform liegen vielmehr darin, dass sie flexibel und skalierbar bleibt, so dass auf neue Technologien (und somit auch Plattformen) reagiert werden kann. Wir sehen für die technologische Evolution eine große Zukunft und sind sehr auf .NET-orientierte Software von Microsoft gespannt, da dies bedeutet, dass aktuelle Mess- und Automatisierungsanwendungen, die auf Microsoft-Plattformen entwickelt wurden, leichter zu erweitern sind, weil alle Netzwerktechnologien bereits Bestandteile des Betriebssystems sein werden.


Kontinuität und Produktivität als Teil unserer Plattform

Datenerfassungstreiber (NI-DAQ)Konfigurations-Tool (MAX)

NI-Datenerfassungshardware

ISA PCI USBFireWire

PCMCIA ??

Diese Kontinuität versuchen wir nicht nur auf der Software-, sondern auch auf der Hardwareseite sicherzustellen. So wie sich die Microsoft-Betriebssysteme und die damit verbundenen Softwaretechnologien verändern und weiterentwickeln, kommen auf dem Markt auch immer mehr Hardware-Schnittstellen auf. Bei älteren Desktop-PC-Versionen wurden die Steckkarten in ISA-Slotsgesteckt. Neuere Generationen brachten PCI und damit auch Plug& Play mit sich. Notebooks bieten so genannte PCMCIA-Einschübe für externe Karten und schließlich können über USB und FireWireexterne Geräte an den Rechner angeschlossen werden.

National Instruments' Datenerfassungshardware baut auf einem gemeinsamen Treiber auf, der mit allen Datenerfassungskarten von National Instruments kommunizieren kann. Das Erkennen der Karte, egal ob Plug&Play-gestützt oder nicht, egal ob PCI oder noch ISA, erledigt ein Treiber. Konfiguriert werden alle Karten in einem zentralen Konfigurations-Tool – dem Measurement and Automation Explorer –und schließlich gibt es in den Programmiersprachen einen einheitlichen Grundbefehlssatz, der mit allen Datenerfassungskarten funktionstüchtig ist.

Auch in Zukunft werden wir versuchen, neue Schnittstellen und Softwaretechnologien in unsere Treiber und Programmierumgebungen zu integrieren, um somit die Kontinuität in unserer Produktpalette aufrechtzuerhalten.


Datenerfassung und Signal-

konditionierung Bildver-

arbeitung

PXI Verteilte I/Os SPSenGPIB/seriell und VXI

Modulare Instrumente

Treiber und KonfigurationIVI, Instrumententreiber, NI-DAQ,MAX, NI-VISA, NI-488.2

Motoren-steuerung

Integrierte Softwarearchitektur

EntwicklungsumgebungenLabVIEW, Measurement Studio, LabWindows/CVI, Visual C++, .NET

Systemmanagement-SoftwareTestStand DIAdem

Systementwickler fordern heutzutage sowohl etablierte Standards als auch neueste Technologien, die sie durch den gesamten Design- und Produktionsprozess eines Produktes begleiten.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat NI das Konzept des "Integrated Software Framework" entwickelt. Dieses Konzept beschreibt den Aufbau eines Systems von der Treiberebene, die eine gemeinsame Schnittstelle zu den darauf basierenden Entwicklungsumgebungen darstellt, bis hin zur Systemmanagement-Software und bietet folgende Vorteile:

• Signifikant erhöhte Produktivität im gesamten Entwicklungs-, Installations-, Wartungs- und Modifikationsprozess aufgrund von effizienten Entwicklungsumgebungen aus dem Bereich der Mess- und Steuertechnik.

• Höhere Leistungsfähigkeit der Mess- und Steuerungssysteme, da alle Softwarewerkzeuge durch interaktive Zusammenarbeit ein Maximum an Flexibilität bieten.

• Stärker integrierte Systeme kombinieren zahlreiche verschiedene Messinstrumente auf Systemebene, die wiederum mit anderen Prozessen des gesamten Unternehmens kooperieren können.

• Gesenkte Kosten für den gesamten Produktionszyklus.

Die Wettbewerbsfähigkeit wird durch diese Vorteile gesteigert, da Produkte höherer Qualität modelliert und getestet sowie schneller und kostengünstiger auf den Markt gebracht werden können. Um diese Eigenschaften einer integrierten Softwarearchitektur genauer zu erläutern, haben wir LabVIEW als Entwicklungsumgebung für die Demos dieses Seminars ausgewählt.


Was ist ein Datenerfassungssystem?

Datenerfassungssystem

V

0 1 01

Eingangssignal

Ausgangssignal0 1 01

V

i

Treiber und Anwendersoftware

Signal-konditionierung

D/AA/DDIOTIO

Zunächst soll der grundsätzliche Aufbau eines computergestützten Datenerfassungssystems erläutert werden.

Am Anfang steht natürlich immer das physikalische Phänomen. Es soll eine Temperatur, eine Spannung, ein elektrischer Widerstand oder auch die Rotationsgeschwindigkeit eines Motors gemessen werden. Der erste Schritt zur messtechnischen Erfassung des Signals ist die Auswahl eines geeigneten Sensors, der das physikalische Phänomen in eine messbare elektrische Größe umwandelt. Der somit in ein elektrisches Signal umgewandelte Messwert kann dann an das computergestützte Datenerfassungssystem übergeben werden, egal ob es sich um analoge oder digitale Signale handelt.

Allerdings steht Datenerfassung bei National Instruments nicht nur für das Aufnehmen von Daten sondern auch für das Ausgeben. Der PC kann gewünschte Signalverläufe berechnen und diese dann an den Analogausgängen als Spannung ausgeben – sozusagen als Funktionsgenerator funktionieren. Digitalein- und -ausgänge sowie Counter/Timer ergänzen die Palette der Funktionalitäten.

Einige Signale, seien es sehr hohe Spannungen im Kilovoltbereich oder sehr niedrige Amplituden im Millivoltbereich, können nicht direkt von einer Datenerfassungskarte aufgenommen werden. Zur Komplettierung eines solchen Systems bietet National Instruments deshalb Signalkonditionierungshard-und -software an.


Entwicklungsumgebungen

PCI USB, FireWirePCMCIA

Computergestützte Datenerfassung

Treiber-Engines und -algorithmenDatenerfassung

KonfigurationMeasurement and

Automation Explorer

Programmierschnittstelle (API)NI-DAQ, NI-488, NI Scope, NI DMM, NI-IMAQ,

NI-Motion, NI-CAN, IVI, OPC

Bei einem computergestützten Datenerfassungssystem bei National Instruments besteht die Hardwareseite aus Datenerfassungskarten in ihren verschiedensten Ausführungen.

• Bei Desktoprechnern ist der heutige Standard der PCI-Bus. Die Datenerfassungskarte kann in einen freien Einschub gesteckt werden und analoge oder digitale Daten erfassen oder ausgeben.

• Ein Notebook hat im Allgemeinen zwei Einschübe für externe Hardware, die so genannten PCMCIA-Slots. Auch für diese Variante bietet National Instruments Möglichkeiten.

• Eine dritte Möglichkeit ist das Anschließen externer Datenerfassungsgeräte an den Rechner. Mittlerweile sind USB und FireWire integrierte Standardschnittstellen und gehören zur Grundausstattung eines PCs. Für diese Schnittstellen bieten wir externe Geräte.

Alle Geräte zur Datenerfassung werden von einem einheitlichen Datenerfassungstreiber – NI-DAQ –angesprochen. Dieser Treiber meldet das Gerät am Rechner an und fügt es in den Gerätemanager ein. Zur Konfiguration der Karten steht das Tool "Measurement and Automation Explorer" zur Verfügung, das alle NI-Hardware im Rechner auflistet und benutzerfreundliche Konfigurations- und Testwerkzeuge enthält.


Computer

Systemaufbau

• Ein Datenerfassungstreiber(NI-DAQ) für alle Datenerfas-sungsgeräte

• Ein zentrales Konfigurations-werkzeug

• Skalierbare Systeme

• Anwendungen verteilbar(Run-time Engine)

Computergestützte Datenerfassungssysteme basieren bei National Instruments somit generell auf einem gemeinsamen Treiber. Auf Basis der Treibersoftware NI-DAQ können die verschiedenen Datenerfassungskarten im Rechner eingebunden werden. NI-DAQ kann unabhängig von der Schnittstelle alle NI-Datenerfassungsgeräte ansprechen. Der Treiber stellt einen Standardbefehlssatz zur Verfügung, mit dem alle Karten von zahlreichen Programmiersprachen aus angesteuert werden können.

Das zentrale Konfigurations-Tool "Measurement and Automation Explorer", kurz MAX, übernimmt alle Test- und Konfigurationsaufgaben für die Datenerfassungskarten. Der Anwender kann überprüfen, ob die Karte korrekt installiert ist, eventuelles Zubehör anmelden und das Gerät für den späteren Einsatz konfigurieren.

Durch den einheitlichen Treiber wird ermöglicht, dass das System skalierbar ist. Die Grundfunktionen können im Prinzip für alle Datenerfassungskarten verwendet werden und somit ist das System für spätere Funktionserweiterungen einfach ausbaubar, ohne den erneuten kompletten Programmieraufwand.

Weiterhin bieten die verschiedenen Entwicklungsumgebungen von National Instruments die Möglichkeit, verteilte Anwendungen auf anderen Rechnern in Form einer sofort ausführbaren Datei (.exe-Datei) laufen zu lassen, ohne dass die komplette Entwicklungsumgebung dort installiert werden müsste.


Die Multifunktions-Datenerfassungskarte

CounterDigital

ADC

Computer-I/O

MUX

DAC

MUX

CounterDigital-I/O

ADC

Computer-I/O

MUX

DAC

MUXRTSI-Bus

FIFO

• Analogein- und -ausgänge• Digitalein- und -ausgänge• Zähler/Zeitgeber• On-Board-FIFO-Speicher

• Multilayer-Platinen• Geschirmte Steckverbinder• NI-PGIA• PCI Bus Mastering

Da es sehr unterschiedliche Formen der Datenerfassung gibt, gibt es auch verschiedene Definitionen des Begriffs "Datenerfassung". Eine Multifunktions-Datenerfassungskarte von National Instruments besteht aus Ein- und Ausgängen und gegebenenfalls einem FIFO, die in Kommunikation mit dem Rechner stehen, der als Steuer-und Speichereinheit genutzt wird.

Eine Multifunktions-Datenerfassungskarte besteht daher aus:

• Analogein- und -ausgängen

• Digitalein- und -ausgängen

• Einem Zähler/Zeitgeber (Counter/Timer)

• Einem On-Board-FIFO-Speicher

Um hochgenaue Messungen zu ermöglichen, stützten sich NI-Produkte auf verschiedene Technologien, die die Qualität der Messungen verbessern, u. a. auf:

• Multilayer-Platinen, die das Übersprechen durch zusätzliche Schirmungsflächen reduzieren. Digital- und Analogleitungen können aufgeteilt werden.

• Geschirmte Steckverbinder, die Störstrahlung verhindern und somit die Messgenauigkeit erhöhen.

• NI-PGIA – einen schnell einschwingenden Messverstärker.

• PCI Bus Mastering, das die Bus-Geschwindigkeit ausreizt, wodurch der Mikroprozessor entlastet wird.

Im Folgenden soll genauer auf den Aufbau von Multifunktions-Datenerfassungskarten eingegangen werden.


Counter

ADC

Computer-I/O

MUX

DAC

MUX

I/O-AnschlussVerbindet das Signal (über einen Anschlussblock und ein Kabel) mit der Datenerfassungskarte

Computerschnittstelle

• Verbindet die Datenerfassungs-kartemit dem Rechner

• Erhältlich für verschiedene Schnittstellen:PCI, PXI/CompactPCI, ISA/AT, PCMCIA, USB, IEEE 1394 (FireWire)


Digital-I/O

Der Aufbau der verschiedenen Datenerfassungskarten ist immer ähnlich:

• Am I/O-Anschluss können die zu messenden Spannungen direkt angeschlossen werden. Ein 68-poliger Stecker (in manchen Fällen auch 100-polig) verbindet den Anschluss mit einem Anschlussblock, einer Klemmleiste für alle Anschlüsse.

• Die Computerschnittstelle verbindet die Datenerfassungskarte mit dem Rechner. Der Datenerfassungstreiber NI-DAQ erkennt das Modul. Sämtliche Standardschnittstellen werden unterstützt.

1. PCI: (Peripheral Component Interconnect) PCI ist in der momentanen Computerwelt das Standardbussystem. Seine Markteinführung fand mit den Pentium Prozessoren statt, kommt allerdings auch in anderen Systemen wie zum Beispiel Apple Macintosh zum Einsatz. In der aktuellen Ausführung hat der PCI-Bus eine maximale Übertragungsrate von 132 MB/s und wird mit 33 MHz getaktet. National Instruments' PCI-Karten erreichen Abtastraten von 100 kS/s bis hin zu 100 MS/s.

2. PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association): PCMCIA-Karten verbrauchen verhältnismäßig wenig Strom. Deshalb werden sie hauptsächlich in Laptops eingesetzt. Standard-Laptops bieten 2 PCMCIA- Steckplätze.

3. USB (Universal Serial Bus): Seit einigen Jahren gehört der USB, ein serielles Bussystem zum Anschluss externer Geräte zur Standardausstattung eines PCs.

4. FireWire (IEEE 1394): Serieller Hochgeschwindigkeits-Bus.

5. ISA (Industry Standard Architecture): Der ISA-Bus ist der Vorgänger von PCI und mit 8,33 MHz getaktet.


Counter

ADC

Computer- I/O

MUX

DAC

MUX• Analogeingänge

– Multiplexer (MUX) • Schaltet jeweils einen

Kanal auf die Verstärkerstufe

• Intervall Sampling• Round Robin Sampling

– Verstärkerstufe• Verstärkt das Signal oder

schwächt es ab• Programmierbare

Verstärkung

Kanal 1

Kanal 2

Kanal n

AMP


Digital-I/O

Geht es darum, mehrere Signale parallel zu erfassen, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Bei aufwändigen Simultan-Sampling-Karten wird jedes Eingangssignal von einem eigenenAnalog-/Digitalwandler in ein diskretes Signal umgesetzt. Die zweite Möglichkeit ist, die Signale Kanal für Kanal nacheinander mittels eines Multiplexers auf die Wandlerstufe zu übergeben. Der Multiplexer ist ein Teil der Analogeingänge.

• Der Multiplexer (MUX) ist programmierbar und schaltet zwischen den zu messenden Kanälen hin und her.

• Intervall Sampling ist ein mögliches Multiplex-Verfahren bei National Instruments' Datenerfassungskarten. Die Schaltzeit des Multiplexers, also die Zeit, die beim Schalten zwischen den Kanälen vergeht, kann eingestellt werden und beträgt im besten Fall minimal 5 µs.

• Das zweite Multiplex-Verfahren ist das Round Robin Sampling. Das Interchannel Delay, also die Zeitverzögerung zwischen den zu erfassenden Kanälen, wird mitt = (Abtastrate/Zahl der Kanäle) gleichmäßig aufgeteilt.

• Nach dem Multiplexen wird das Signal an die ebenfalls programmierbare Verstärkerstufe weitergegeben. Analog-/Digitalwandler können ihre volle Bandbreite nur zwischen bestimmten Schwellen ausnutzen. Das bedeutet, dass die volle Auflösung von beispielsweise 16 Bit nur bei einer Signalamplitude von ±10 Volt erreicht wird. Damit auch bei Signalen mit niedrigem Pegel eine gute Auflösung erreicht werden kann, wird das Signal vor der Digitalisierung vorverstärkt.

• Bei National Instruments' Datenerfassungskarten ist die Verstärkerstufe auf bestimmte Signalmaxima programmierbar. NI-PGIA ist eine Technologie, die den Messverstärker unabhängig vom Verstärkungsfaktor schnell einschwingen lässt. Bei einer Genauigkeit von 12 Bit liegt dieser Wert unter 2 µs.


CounterDigital-I/O

ADC

Computer-I/O

MUX

DAC

MUX • Analog-/Digitalwandler(ADC)

– Wandelt das analoge Signal in eine digitale Größe um

– Anwendungen:• Schaltkreistest• Dynamometertest• Wetterstation• Geophysikalische

Studien • Filteranalyse


Der Analog-/Digitalwandler setzt den analogen Pegel, der zum Abtastzeitpunkt anliegt, in eine digitale Größe um. Eine Sample-and-Hold-Stufe garantiert, dass der erfasste Wert für die Zeit der Wandlung festgehalten wird. Nach der Analog-/Digitalwandlung wird der nun digitalisierte Wert in einem Speicher auf der Karte abgelegt und kann an den Arbeitsspeicher des Rechners übergeben werden, um dort von einem Programm interpretiert werden zu können. Die Analogeingänge und der Analog-/Digitalwandler können schließlich ein Signal erfassen und zusammen mit einem Anwenderprogramm die Signalverläufe darstellen, analysieren oder speichern.

Die Genauigkeit eines Analog-/Digitalwandlers ist von seiner Auflösung abhängig. Üblich sind Auflösungen von 12 oder 16 Bit.

Liegt der Signalpegel beispielsweise zwischen 0 und 10 Volt, so können diese bei 12 Bit durch maximal 4096 Stufen dargestellt werden. Das entspricht einer Spannung von ca. 2,44 mV. Die Notwendigkeit eines Messverstärkers wird an dieser Stelle besser sichtbar. Angenommen, das Signal bewegt sich nun nur in einem Bereich von 0 bis 0,1 Volt könnte dies nur mit 40 Genauigkeitsstufen dargestellt werden. Durch eine 100fache Verstärkung vor der Digitalisierung kann die Genauigkeit von 4096 Stufen dennoch gewährleistet werden.


CounterDigital-I/O

ADC

Computer-I/O

MUX

DAC

MUX • Digital-/Analogwandler(DAC)

– Wandelt die digitale Größe in ein analoges Signal um

– Anwendungen• Systemsteuerung• Funktionsgenerator• Ton-Generator

• Servomotor-steuerung

• Ventilsteuerung


Multifunktions-Datenerfassungskarten bieten im Allgemeinen neben Analog-/Digitalwandlern auch Digital-/Analogwandler. Eine messtechnische Anwendung verlangt oft auch die Ausgabe von Analogwerten. Soll zum Beispiel die Vibration eines Kugellagers gemessen werden, damit dann per Spektralanalyse beurteilt werden kann, ob dies intakt ist, so muss nicht nur ein Sensor die Vibration messen, sondern auch ein Motor angesteuert werden, der das Kugellager mit einer bestimmten Geschwindigkeit rotieren lässt. Mit einem Analogausgang kann der Anwender in diesem Fall Motorstellgrößen ausgeben.

Der Analogausgang kann als Funktionsgenerator genutzt werden, indem in der Programmiersprache der auszugebende Signalverlauf berechnet und dann ausgegeben wird. Ebenso können Ventile oder andere Systemkomponenten angesteuert werden.


CounterDigital-I/O

ADC

Computer-I/O

MUX

DAC

MUX • Digital-I/O– Kann digitale Signale

einlesen und ausgeben– Keine

Frequenzmessungen möglich

• Kein Handshaking, kein Timing

– Anwendungen• Statusmessung• Relais-Steuerung• Steuerung von LEDs

• Zähler– Kann digitale Signale ein- und ausgeben– Kann Frequenzen messen– Anwendungen

• Steuerung von Schrittmotoren• Messen von Frequenzen an einer rotierenden Achse• Test von Oszillatoren


Weitere Komponenten eines Datenerfassungssystems sind Zähler und Digitalein- und -ausgänge.

Digitalein- und -ausgänge sind dazu da, TTL-Pegel einzulesen bzw. auszugeben. Über eine Breite von 8, 16 oder 32 Bit kann der Status von digitalen Quellen abgefragt werden bzw. ein Zustand am Digitalausgang gesetzt werden, um beispielsweise Relais anzusteuern.

Auch die Zähler können als Ein- oder Ausgänge verwendet werden. Sie können Impulsfolgen erzeugen, die dann Schrittmotoren ansteuern, Quadraturencoder auslesen oder Periodendauern bestimmen.

Damit bietet eine Multifunktions-Datenerfassungskarte neben der Möglichkeit, Analogsignale zu erfassen auch die Optionen, analoge Signale auszugeben, TTL-Signale zu verarbeiten und mit Countern und Timern zu arbeiten.


Bauteile einer Datenerfassungskarte

A. Temperatur-Drift-Sicherung• Maßgeschneidertes Widerstandsnetzwerk• Hochwertige Komponenten• Hochgenaue On-Board-Quelle

B. Technologie zur Verbesserung der Auflösung

• OP Amps mit Rauschunterdrückung• Verbesserte Masseführung• Dithering (12-Bit-Produkte)

C. Verstärkerstufe

• VerstärkungsunabhängigeEinschwingzeiten

• Hoher Eingangswiderstand

D. On-Board-Selbstkalibrierung• Hochstabile Referenzspannung• EEPROM für Kalibrierungsinformation• On-Board-Temperatursensor

(nur Karten der E- und S-Serie)

Zur Erhöhung der einwandfreien Funktionsweise dieser Komponentenverwendet National Instruments verschiedene Technologien.

A. Eine Temperatur-Drift-Sicherung verhindert durch ein maßgeschneidertes Widerstandsnetzwerk, hochwertige Komponenten und eine hochgenaue On-Board-Spannungsquelle Messwertschwankungen, die durch Schwankungen in der Umgebungstemperatur ausgelöst werden können.

B. Durch spezielle Operationsverstärker mit Rauschunterdrückung, verbesserte Masseführung und Dithering (12-Bit-Produkte) werden die zu messenden Signale weniger verrauscht, was zur Verbesserung der Auflösung beiträgt.

C. Die dem Multiplexer nachgeschaltete Verstärkerstufe schwingt schnell ein, unabhängig von der eingestellten Verstärkung. Ein hoher Eingangswiderstand verhindert zu starke Belastungen der Quelle.

D. Durch eine On-Board-Selbstkalibrierung kann die Karte nachkalibriert werden.


Temperatur-Drift-Sicherung

Tem

pera

turfe

hler

(%)

• Maßgeschneidertes Widerstands-netzwerk, hochwertige Komponenten

• Selbstkalibrierung auf hochgenaue On-Board-Spannungsquelle

• On-Board-Temperatursensor

Genaue Messergebnisse bei sich ändernden Umgebungsverhältnissen

0,000

0,018

0,035

10 25 40

Temperatur (°C)

NI

Sonstige

Die Temperatur im Computer oder Messinstrument kann schwanken. Datenerfassungskarten mit dem Measurement-Ready-Zertifikat – dem NI-Zertifikat für geeichte Datenerfassungskarten – garantieren genaue Messungen bei Temperaturen zwischen 0 und 55° C. Maßgeschneiderte Widerstandsnetzwerke und hochwertige Bauteile halten den Temperatur-Drift auf einem Niveau von unter 6 ppm/°C. Zusätzlich dazu kann die Datenerfassungskarte durch Aufruf einer einfachen Funktion selbst kalibriert werden und dadurch den Temperatur-Drift auf unter 0,6 ppm/°C bringen. Karten der E- und S-Serie verfügen weiterhin noch über einen Temperatursensor, mit dem sich die Umgebungstemperatur erfassen lässt. Sie können diesen Temperatursensor programmatisch durch eine einfache Funktion ansprechen, um sicherzustellen, dass die Karte auf den entsprechenden Bereich spezifiziert ist.


Technologie zur Verbesserung der Auflösung

0,0

0,6

1,2

1,8

1 50 100

Raus

chen

und

Q

uant

isie

rung

sfeh

ler

(LSB

)

Anzahl der gemittelten Abtastwerte

Sonstige

NI

• Op Amps mit Rauschunterdrückung

• Verbesserte Masseführung für verringertes Rauschen

• Dithering

Durch Rauschunterdrückung wird die Auflösung verbessert.

Datenerfassungskarten von National Instruments sind mit qualitativ hochwertigen Verstärkern mit hohem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis ausgerüstet. Das bedeutet, dass sie einen hohen Rauschanteil, der an beiden Eingängen des Verstärkers anliegt, unterdrücken können, wodurch die Messungen weniger empfindlich gegen Rauschen werden. Dadurch wird eine höhere Genauigkeit erreicht.

Datenerfassungskarten der E-Serie verfügen über eine getrennte Masseführung, die auf eine gemeinsame Massereferenz geführt wird. Getrennte Masseführung verbessert die Rauschemp-findlichkeit deswegen, weil Analog-/Digitalwandler- und Digital-/Analogwandler-bausteinenormalerweise die digitalen Signale auf der einen, die analogen auf der anderen Seite des Chips verarbeiten. Wird der Wandlerbaustein so angebracht, dass er den Abstand zwischen der analogen und der digitalen Masse vergrößert, kann Rauschen von der digitalen Seite das auf der analogen Seite nicht beeinflussen und umgekehrt.

NI-Karten der E-Serie mit einer Genauigkeit von 12 Bit können die Auflösung außerdem durchDithering verbessern. Dithering ist softwaregesteuert. Bei eingeschaltetem Dithering werden im Mittel 0,5 LSBrms gaußverteiltes weißes Rauschen zum Eingangssignal addiert. Durch die Tatsache, dass gaußverteiltes weißes Rauschen zufällig ist, kann durch Mittelwertbildung die Auflösung verbessert werden, falls genauere Messungen notwendig sind. Mit einer 12-Bit-Karte können bis zu 14 Bit Auflösung erreicht werden, wenn die Dithering-Funktion aktiviert ist. Ist eine hohe Messgeschwindigkeit nötig, wird das Dithering wieder deaktiviert.


Messverstärker

0.0

20.0

40.0

60.0

0 150 300

Abtastrate (kS/s)

Eins

chw

ingz

eit (

LSB)

Sonstige

NI

Eine speziell angefertigte Verstärkerstufe mit niedrigen Einschwingzeiten, auch bei großen Verstärkungen.

Der programmierbare Differenzverstärker von National Instruments (NI-PGIA) wird auf den meisten Karten der E-Serie verwendet, um volle 12 oder 16 Bit an Auflösung zu erreichen, auch bei hohen Abtastraten, beim Erfassen über mehrere Kanäle und hohen Verstärkungen.

Standard-Verstärkerkomponenten erreichen oft nicht die Ansprüche, die an die Einschwingzeiten bei hohen Abtastraten gestellt werden. Kann der Verstärker zwischen den Analog-/Digitalwandlungen nicht einschwingen, führt dies zu einem Verlust der Genauigkeit. Ein bis zu 16 Bit genauer Wandler könnte so bei 100facher Verstärkung eventuell nur 12 Bit effektive Genauigkeit liefern.

Karten der E-Serie können mehrere Kanäle in beliebiger Reihenfolge abtasten, auch bei maximaler Messfolgegeschwindigkeit. Außerdem lässt sich jedem Kanal in der Messkette eine individuelle Verstärkung zuweisen: bipolar oder unipolar sowie differenziell oder single-ended.


On-Board-Selbstkalibrierung

0.000

0.005

0.010

0 mo 6 mo 1 yr

Drift

-Feh

ler (

%)

Zeit

NI

Sonstige

Einfache Selbstkalibrierung auf einestabile On-Board-Spannungsquellespart Zeit und Kosten und reduziert den Einfluss von Temperatur-Drift.

Zur Korrektur von Verstärkungs- und Offsetfehlern können die Ein- und Ausgänge kalibriert werden. Die Kalibrierung kann per Software vorgenommen werden, wodurch Fehler durch Zeit- und Temperaturunterschiede zur Laufzeit minimiert werden. Es werden keine externen Geräte benötigt. Ein hochstabile interne Referenzspannung stellt Genauigkeit und Stabilität selbst über lange Zeit und bei Temperaturschwankungen sicher. Die Kalibrierungseinstellungen des Auslieferzustandes sind permanent in einem EEPROM gespeichert und können nicht geändert werden. In einem separaten Speicherbereich des EEPROMs werden veränderbare Kalibrierungswerte gespeichert, bei falscher Kalibrierung kann das Gerät immer wieder in den Auslieferungszustand zurückgesetzt werden.


Datenerfassungskarten von National Instruments

S-Serie

E-Serie

6013/6014"Gr

und-

Funkti

onali

tät"

"Komp

lette

Funkti

onali

tät"

"Hohe

Leistun

gsfäh

igkeit

Funktionalität

Leis

tung

sfäh

igke

it

National Instruments' Datenerfassungskarten sind im Allgemeinen auf ein und derselben Technologie aufgebaut. In einem Teil der im Anschluss folgenden Übungen werden wir die so genannte "Low-Cost"-Serie, repräsentiert durch NI PCI-6013 und NI PCI-6014, verwenden.

Die "Low-Cost"-Serie ist eine neue Produktgruppe, die aus den Karten der E-Serie entstanden ist. Die verwendete Technologie ist dieselbe, allerdings mit etwas reduziertem Funktionsumfang. Die NI PCI-6014 ist mit Analogein- und -ausgängen ausgestattet und bietet Digital-I/Os sowie Counter/Timer.

Mit den Karten der E-Serie erhält man an zusätzlicher Funktionalität unter anderem erweiterte Trigger-Möglichkeiten. Ein spezielles Bussystem, über das mehrere Datenerfassungskarten intern verbunden werden können erlaubt die Synchronisation der Karten beziehungsweise mehrerer Kanäle aufeinander. Außerdem erreichen Karten der E-Serie höhere Abtastraten, bis hin zu 1,25 MS/s.

"S-Serie" steht für "Simultaneous Sampling". Das heißt, mehrere Kanäle auf einer Karte können exakt simultan erfasst werden. Bisher haben wir gesehen, dass ein Multiplexer die einzelnen Kanäle nacheinander auf einen Wandlerbaustein schaltet. Dies verursacht eine Zeitverschiebung im Mikrosekunden-Bereich zwischen den einzelnen Kanälen. Einige Signalklassen erfordern allerdings exakt simultanes Erfassen der Signale. Deshalb sind Karten der S-Serie mit einem eigenen A/D-Wandler für jeden Kanal ausgestattet und ermöglichen somit exakt simultane Erfassung.


Gut, besser, am besten!NI

6013 / 6014

Max. Abtastrate (kS/s) 200

Kanalzahl 16

DC-Genauigkeit gut

Dynamische Genauigkeit gutAnalogausgänge

Genauigkeit gut

Signalverlaufsausgabe -

Externe Spannungsreferenz -

Kalibrierung

Automatische On-Board-Kalibrierung X

On-Board-Temperatursensor -

Low-Cost-Karten der

E-Serie

200

16

besser

gut

X

X

E-Serie

100-1250

16 - 64

besser

gut

XX

X

X

S-Serie

800-10000

2 - 4

am besten

am besten

X

X

Analogeingänge

besser am besten am besten

- X

- -

Dieses Konzept zeigt anschaulich, dass alle Datenerfassungskarten von National Instruments auf der gleichen Technologiegrundlage aufbauen. Hier wird NIs Konzept der Skalierbarkeit sichtbar. Der gemeinsame Treiber lässt es zu, dass für die "Low-Cost"-Karte entwickelter Programmcode auch mit einer Karte der S-Serie arbeitet. Ändert sich eine Messaufgabe in ihren Anforderungen etwa nur in sofern, dass höhere Abtastraten verlangt werden, kann einfach die vorhandene Datenerfassungskarte durch eine weitere ersetzt werden, die den neuen Ansprüchen genügt, ohne dass der Programmcode verändert werden müsste. Die Programmiertechnik bleibt immer gleich und erfordert somit selbst bei neuen Messaufgaben kein Um- oder Neulernen. Für den Anwender bedeutet dies, dass sich die Entwicklungszeit seiner Anwendung reduziert und die Time-to-Market verkürzt wird.


Die Datenerfassungskarte im PC

Datenerfassungskarte

Measurement & Automation Explorernidaq32.dll

Windows Registry

Windows-Gerätemanager

Datenerfassungsfunktionen der Anwendersoftware(LabVIEW, DIAdem,...)

Das oben gezeigte Schema erklärt das Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Systemkomponenten: der Datenerfassungskarte, dem Treiber (NI-DAQ), dem Measurement and Automation Explorer (MAX) und der Anwendersoftware auf einem Windows-System. Die Hauptkomponente des Treibers ist die DLL "nidaq32.dll". Diese führt direkt Funktionsaufrufe aus, die die Datenerfassungskarte ansprechen. Die ausgeführte Aktion hängt vom jeweiligen Funktionsaufruf ab. Sowohl MAX als auch die Anwendersoftware können direkt mit der DLL kommunizieren.

Betrachten wir zuerst den Measurement and Automation Explorer. Der MAX wird primär dazu genutzt, die Datenerfassungskarte zu testen und zu konfigurieren. Doch können nicht nur die Geräte konfiguriert werden, sondern der Benutzer bekommt auch angezeigt, welche NI-Karten momentan installiert sind. Um dies zu ermöglichen, muss MAX mit dem Windows-Gerätemanager und der Windows Registry zusammenarbeiten. Neben den Informationen über die Hardware hat der Anwender hier auch die Möglichkeit, abzufragen, welche NI-Software auf dem System installiert ist sowie welche Einstellungen bereits vorgenommen wurden.

Weiterhin wollen wir die Kommunikation zwischen dem Treiber und der Anwendersoftware am Beispiel von LabVIEW betrachten. Eine Funktionsbibliothek für die Datenerfassung stellt dem Programmierer Funktionen zur Verfügung, mit denen er die Datenerfassungskarte ansteuern kann. Dieser Befehlssatz greift direkt auf die DLL nicaq32.dll zu. Sowohl MAX als auch die Anwendersoftware nehmen also Zugriff auf nidaq32.dll. Die im MAX vorgenommenen Einstellungen können von der Entwicklungsumgebung abgefragt und dort weiterverwendet werden.


• Zeigt alle NI-Geräte imRechner an

• Bietet Möglichkeit zum Testen und Konfigu-rieren

Der Measurement and Automation Explorer• Geräte und Schnittstellen

Der Measurement and Automation Explorer ist ein Test- und Konfigurations-Tool, das vom Datenerfassungstreiber mitinstalliert wird.

In einem Konfigurationsbaum (Mein System) erscheinen

die Verzeichnisse

• Datenumgebung

• Geräte und Schnittstellen

• IVI-Instrumente

• Skalierungen

• Historische Daten

• Software

• Netzwerkumgebung,

mit denen die verschiedenen Geräte getestet und konfiguriert werden können.

Unter "Geräte und Schnittstellen" werden alle NI-Karten, die momentan installiert sind, aufgelistet. Hier erhalten Sie Informationen über die Gerätenummern der Karten, können prüfen, ob sie richtig eingerichtet sind, und verschiedene Einstellungen vornehmen. Durch einen Klick mit der rechten Maustaste auf die entsprechende Karte kann ein Testpanel geöffnet werden, in dem sich Analogdaten erfassen sowie Zähler und Digitalein- und -ausgänge testen lassen. Im Konfigurationspanel wird die Karte für die spätere Anwendung eingerichtet, eventuelles Zubehör angemeldet und der Anwender kann festlegen, in welchen Eingangs- und Ausgangsbereichen die Karte arbeitet.


• Zeigt sämtlicheauf dem Rechner installierte NI-Software an

Der Measurement and Automation Explorer• Software

Unter dem Verzeichnis "Software" wird auf dem System installierte National-Instruments-Software angezeigt.

Hier erscheinen Entwicklungsumgebungen wie LabVIEW oder LabWindows/CVI genauso wie alle installierten Treiber auch mit Informationen über die aktuell installierte Version.


• Möglichkeit der Definition virtueller Kanäle

Der Measurement and Automation Explorer• Datenumgebung

In der Datenumgebung können so genannte virtuelle Kanäle eingerichtet und aufgelistet werden.

Soll eine Anwendersoftware eine Datenerfassungskarte ansprechen, so muss sie im Normalfall die Kartennummer und den gewünschten Kanal spezifizieren.

Bei der Nutzung von virtuellen Kanälen kann einem bestimmten Kanal einer bestimmten Karte ein aussagekräftiger Name gegeben werden. Der Programmierer kann dann von den NI-Entwicklungsumgebungen aus direkt den virtuellen Kanal ansprechen und muss nicht mehr auf die Karten- und Kanalnummern achten.

Außerdem kann ein virtueller Kanal Programmieraufwand und auch Code-Overhead, der durch eventuell nötige Kalibrierung auftreten kann, verhindern. Jedem virtuellen Kanal wird eine benutzerdefinierte Skalierung zugeordnet, die unter "Skalierungen" gespeichert wird. Für Standardsensoren sind die nötigen Skalierungen bereits hinterlegt. Diese enthalten Verstärkungsein-stellungen, Linearisierungen und weitere Einstellungen, die erforderlich sind, um den Sensor von einer NI-Entwicklungsumgebung aus ansprechen zu können. Diese Umrechnungen müssen jedoch nicht in der Entwicklungsumgebung erfolgen.


Der Measurement and Automation Explorer

Add-on-Tool für den Measurement and Automation Explorer– Einfach zu konfigurierender Datenlogger

– Fenster zur Datenanzeige• Echtzeitdaten• Historiedaten

– Daten exportierbar nach Microsoft Excel, DIAdem,...

• VI Logger

Der VI Logger von National Instruments ist ein benutzerfreundliches, flexibles Tool, das speziell für Datenprotokollierungsaufgaben entwickelt wurde. Intuitive Dialogfenster ermöglichen die Konfiguration der Anwendung und somit einfaches Erfassen, Anzeigen und Verteilen der Daten. Der NI VI-Logger erfordert keinen Programmieraufwand, die gewünschte Applikation muss lediglich konfiguriert werden. Der VI Logger arbeitet mit allen Karten der E-Serie sowie mit NI-4351, NI-611x und NI-4350, SCXI und SCC zusammen und erlaubt somit das Erfassen und Speichern von sich langsam ändernden Signalen wie Temperaturen bis hin zu Hochfrequenzmessungen für komplexe Vibrationsanalysen.


Demo: Measurement and Automation ExplorerKonfiguration des virtuellen Instruments

• Konfiguration einer Datenerfassungskarte im MAX• Hardware und Software• VI Logger

Demo: Measurement and Automation Explorer

Konfiguration des virtuellen Instruments

• Testen und Konfigurieren einer Datenerfassungskarte im Measurement

and Automation Exporer

• Einrichten eines virtuellen Kanals in der Datenumgebung

• Verwenden des VI Loggers


Integrierte Softwarearchitektur

Software zur SystemverwaltungTestStand, DIAdem

Measurement StudioLabVIEWLabWindows/

CVIandere

Software

TreibersoftwareDatenerfassungstreiber NI-DAQ

Konfigurations-Tool Measurement and Automation Explorer (MAX)

Auf der Treibersoftware – für Datenerfassungskarten NI-DAQ – bauen wie schon erwähnt die verschiedenen Entwicklungsumgebungen auf.

Die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW bietet die Möglichkeit, die gewünschte Anwendung in grafischem Programmcode zu erstellen. LabWindows/CVI ist eine auf ANSI C basierende Programmierumgebung, mit Funktionen, die speziell auf die Mess- und Automatisierungstechnik abgestimmt sind. Measurement Studio enthält diese Funktionserweiterungen für Visual Basic und Visual C++.

Generell ist es natürlich auch möglich, die Hardware basierend auf der Treiber-DLL von anderen Programmiersprachen wie beispielsweise Delphi oder Pascal anzusprechen.

Über den Entwicklungsumgebungen ist die Software zur Systemverwaltung anzuordnen. TestStand kann beispielsweise das Testmanagement übernehmen, den kompletten Produktionsablauf steuern und Berichte erzeugen. Auch DIAdem ist an dieser Stelle anzusiedeln. Der starke Offline-Teil von DIAdem kann Daten analysieren und präsentieren. Gleichzeitig kann DIAdem, je nach Ausbaustufe, auch als Datenerfassungstool dienen.


Software zur Systemverwaltung

LabVIEWLabWindows/CVI

Measurement Studio

Treibersoftware

Andere Software

LabVIEW


Toolsets(Anbindung an Datenbanken, Berichterstellung,

PID-Regelung, Wavelets, u. v. m.)

Vision Development

Module

Dataloggingand

SupervisoryControlModule

Real-TimeModule …

Die Entwicklungsumgebung LabVIEW ist in 3 Ausbaustufen erhältlich.

• Das Base Package enthält Bedien- und Anzeigeelemente zur Gestaltung von Benutzeroberflächen, so genannten Frontpanels. Der Funktionsumfang erstreckt sich von Funktionen zur Daten- und Bilddatenerfassung über Datei-I/O- und ActiveX-Funktionen bis hin zu Web-Publishing-Tools.

• Das Full Development System ergänzt das Base Package um komplexe mathematische Routinen und Signalverarbeitungsbibliotheken sowie weitere wichtige Funktionalitäten zum Entwickeln komplexer Anwendungen.

• Das Professional Development System baut den Funktionsumfang weiter aus und bietet zusätzlich die Möglichkeit, Applikationen zu erstellen. Das bedeutet, dass eine fertig programmierte Anwendung in eine sofort ausführbare Datei (.exe-Datei) konvertiert und auf andere Rechner portiert werden kann, ohne dass zusätzliche Lizenzkosten anfallen.

Die Entwicklungsumgebung LabVIEW besteht aus einem Diagramm und einem Frontpanel. Die programmierte Anwendung nennt sich VI – virtuelles Instrument.

• Das Frontpanel wird das spätere Front-End für den Benutzer der Anwendungen. Anspruchsvoll gestaltete Bedien- und Anzeigeelemente machen das Erstellen einer benutzerfreundlichen Applikation einfach.

• Im Diagramm werden den Elementen des Frontpanels Funktionen zugewiesen. Umfangreiche Funktionspaletten enthalten fertige VIs und häufig benötigte Funktionalitäten wie z. B. eine Fourier-Transformation, digitale Filter oder Datenerfassungsfunktionen.


Die grafische EntwicklungsumgebungLabVIEW

• Frontpanel- Bedienelemente- Anzeigeelemente- Gestaltungselemente

• Diagramm- grafische Programmierung- umfangreiche Funktionen

Für spezielle Anwendungen können verschiedene Module und Toolsets die Einsatzmöglichkeiten erweitern.

• Das Real-Time Module ermöglicht es, Anwendungen von nicht echtzeitfähigen Windows-Betriebssystemen zu entkoppeln. Der entwickelte Code wird auf ein Rechnersystem mit Echtzeitbetriebssystem geladen und dort deterministisch ausgeführt.

• Das Vision Development Module bietet fortgeschrittene Funktionen zur Bildanalyse.

• Das Datalogging and Supervisory Control Module ist ideal für hohe Kanalanzahlen und verteilte Applikationen geeignet. Es bietet Datenmanagement-Werkzeuge wie beispielsweise benutzerfreundliche I/O-Konfiguratoren für Anwendungen mit hoher Kanalanzahl, einen automatischen Datenlogger, Funktionen zum Alarmmanagement sowie zur Ereignisspeicherung und Anzeige von Echtzeit- und historischen Trends.

• Weitere Module und Toolsets können die Anbindung an Datenbanken, Berichterstellung und vieles mehr erleichtern.


Applikationsbeispiel: Erfassung einer Temperatur

• Temperatursensor• Datenerfassungshardware: DAQPad-6020E

- Maximale Abtastrate 100 kS/s- Auflösung 12 Bit- Schnittstelle: USB

Applikationsbeispiel: Erfassung einer Temperatur

Mittels eines externen Gerätes, das an die USB-Schnittstelle des PCs angeschlossen ist, soll ein Temperaturverlauf aufgezeichnet werden. Die gewählte Hardware ist das DAQPad-6020E, das eine maximale Abtastrate von 100 kS/s bietet.


Demo: Einzelwerterfassung in LabVIEW

• Verwendung des virtuellen Kanalszur Erfassung skalierter Messwerte

• Vorteile der Skalierung mit einemvirtuellen Kanal

Demo: Einzelwerterfassung in LabVIEW

Im folgenden Beispiel sollen Temperatureinzelwerte erfasst und in einem Diagramm dargestellt werden. Dazu wird eine Funktion zur Einzelwerterfassung verwendet. Es sollen auch die Vorteile der Verwendung virtueller Kanäle erläutert werden.


Datenerfassung mit virtuellen Kanälen

Im oben dargestellten Diagramm sehen Sie den Programmieraufwand für das Abtasten eines Kanals bei der Verwendung virtueller Kanäle.

In der letzten Demo wurde im Measurement and Automation Explorer ein virtueller Kanal mit Skalierung zur Erfassung von Temperaturen erstellt. Somit muss in LabVIEW nur noch der virtuelle Kanal an die Datenerfassungsfunktion angeschlossen werden. Die Werte werden somit schon vorskaliert aufgenommen.


Datenerfassung ohne virtuelle Kanäle

Ohne virtuelle Kanäle ist ein deutlich höherer Programmieraufwand nötig. Im einfachsten Fall liefert der Sensor ein lineares Signal und der Messwert muss lediglich mit einem Skalierungsfaktor multipliziert werden.

Eine genaue Temperaturmessung wird allerdings im Normalfall mit Thermoelementen durchgeführt. Diese sind nicht über den vollen Temperaturbereich linear. Außerdem benötigt ein Thermoelement eine Kaltstellenkompensation. Das heißt, ein weiterer Kanal muss eingelesen und zur Berechnung der linearisierten Kennlinie an die Skalierungsfunktion angeschlossen werden. Erst dann kann das Signal angezeigt werden.

Alle Karten von National Instruments für Analog- und Digitalein- und -ausgänge, sowie die Signalkonditionierungsmodule unterstützen virtuelle Kanäle. Somit ist an dieser Stelle die Einbindung von NI-Hardware deutlich einfacher als die von Produkten von Drittanbietern. Weiterhin sind im Measurement and Automation Explorer bereits Skalierungen für eine Auswahl von Standardsensoren hinterlegt, was das Erstellen virtueller Kanäle weiter vereinfacht.




Measurement Studio

Treibersoftware

Andere Software

Measurement Studiofür

Visual C++Visual Basic



PID-Regelung, Wavelets, u.v.m.)

Vision Development

Module

Motion ControlModule

LabWindows/CVI



PID-Regelung, Wavelets, u.v.m.)

Vision Development

Module

Motion ControlModule

LabWindows/CVI und Measurement Studio sind Entwicklungsumgebungen für Anwender, die die textbasierte Programmierung bevorzugen.

• LabWindows/CVI von National Instruments ist eine ANSI-C-basierte Entwicklungsumgebung. Die flexiblen integrierten Bibliotheken für Datenerfassung, -analyse und -visualisierung ermöglichen die Erstellung individueller Messsysteme mit der vollen Funktionalität von C und der Einfachheit von Visual Basic. Da LabWindows/CVI eine für Mess-und Automatisierungsanwendungen optimierte Programmierumgebung ist, enthält es umfangreiche Bibliotheken für die Gerätesteuerung, Datenerfassung, Analyse und Gestaltung von Benutzeroberflächen. Dank unterstützender Funktionen gestaltet sich das Programmieren mit LabWindows/CVI wesentlich einfacher als es bei vielen anderen C-basierten Entwicklungsumgebungen der Fall ist.

• Um die Lücke zwischen Standard-Softwareentwicklungsumgebungen, virtuellen Instrumenten sowie Prüf-, Mess- und Automatisierungsanwendungen zu schließen, hat National Instruments Measurement Studio entwickelt. Unter Zuhilfenahme von Standard-entwicklungsumgebungen wie Microsoft Visual Basic, Visual C und Visual Studio.Net können Sie Ihre Anwendung mit den für die jeweilige Entwicklungsumgebung typischen Tools erstellen. Mit Measurement Studio können Sie Ihrer Applikation leistungsstarke messtechnische Funktionen verleihen wie etwa zur erweiterten Hardwareanbindung, Signalanalyse, Datenvisualisierung sowie den Zugriff auf Live-Daten via Netzwerk ermöglichen – und das, ohne dass Sie zuerst eine neue Programmiersprache erlernen müssten. Measurement Studio nutzt die beliebten, intuitiven Entwicklungsumgebungen Microsoft Visual C++ und Visual Basic und verringert sowohl die Kosten als auch die Time-to-Market.

Genauso wie LabVIEW sind LabWindows/CVI und Measurement Studio in verschiedenen Ausbaustufen erhältlich.


Textbasierte Programmierung

LabWindows/CVI• ANSI-C-Entwicklungsumgebung• Einfache Gestaltung von Benutzer-

oberflächen• Auf die Mess- und Automatisierungstechnik

zugeschnittene Funktionsbibliotheken

Measurement Studio für Visual Basic• ActiveX-Steuerelemente• Algorithmen zur Datenerfassung und -analyse

Textbasierte Programmierung

• Bei LabWindows/CVI kann in einem User Interface Editor die gewünschte Benutzeroberfläche erstellt werden. LabWindows/CVI generiert anschließend das zugehörige Codeskelett, in welches dann die Funktionen eingebettet werden können. Der Funktionsumfang erstreckt sich, genauso wie bei LabVIEW, von Datenerfassungs-, über Motorensteuerungs- und Framegrabber-Funktionen bis hin zu mathematischen Bibliotheken, wodurch sich Standardaufgabenstellungen aus dem Ingenieurbereich schnell und genau lösen lassen.

• Measurement Studio für Visual Basic enthält ActiveX-Steuerelemente zur Gestaltung der Benutzeroberfläche. Auch diese Programmierumgebung enthält Befehlssätze und Algorithmen zur Datenerfassung und -analyse sowie die Möglichkeit, beispielsweise Framegrabber anzusteuern oder durch das zusätzlich erhältliche Vision Development Module auch eine Bildanalyse durchzuführen. In die Standardentwicklungsumgebung Visual Basic werden Funktionen zur Lösung von Mess- und Automatisierungsaufgaben eingebettet.

Beide Entwicklungsumgebungen können durch Module und Toolsets in ihrem Funktionsumfang erweitert werden.


Demo: Einzelwerterfassung mit LabWindows/CVI oderVisual Basic

Verwendung des virtuellen Kanalszur Erfassung skalierter Messwerte

Demo: Einzelwerterfassung mit LabWindows/CVI oder Visual Basic

Die zuvor in LabVIEW demonstrierte Temperaturerfassung wird nun in LabWindows/CVI oder Visual Basic gezeigt.


Datenverwaltung(DIAdem – Anbindung an

Datenbanken, Berichterstellung)

Testmanagement(TestStand)

Konfiguration und

Asset-management

(Oracle, SQL Server,

Access, etc.)Daten-banken

(XML, HTML, Word, etc.)

Berichte

Planungs-software

(MES & ERP)




Measurement Studio

Treibersoftware

Andere Software

NI DIAdem ist ein interaktives Werkzeug von National Instruments für die Aufbereitung, Dokumentation und Verwaltung von Daten. DIAdem vereint durch seinen modularen Aufbau leistungsfähige Funktionen für die Datenerfassung, -analyse und Berichterstellung mit einer einfachen interaktiven Bedienbarkeit ohne Programmierung.

TestStand von National Instruments ist eine sofort ablauffähige Test Executive (Prüfplattform), die für die Organisation, die Steuerung und den Betrieb automatisierter Prüfanwendungen beispielsweise zum Testen von Prototypen oder solcher in den Bereichen Validierung und Produktion konzipiert ist. TestStand ist zusammen mit DIAdem auch im Bereich Systemverwaltungssoftware einzuordnen und soll hier nur kurz erwähnt werden.

DIAdem ist das ideale Werkzeug für die häufig wechselnden Aufgabenstellungen von Messtechnikern, Ingenieuren und Wissenschaftlern. Messanwendungen können in einer grafischen Oberfläche definiert werden, indem der Anwender verschiedene Blöcke miteinander verbindet. Die Blöcke selbst sprechen dann die Hardware an, führen Speicherfunktionen oder einfache Berechnungen durch und sind konfigurierbar. Eine Makrosprache und die integrierte Entwicklungsumgebung ermöglichen darüber hinaus die Erstellung aufgabenspezifischer Systemlösungen mit auf die Anwendung und den Endanwender zugeschnittenen Bedienoberflächen.


Die Entwicklungsumgebung DIAdem

Modularer Aufbau- DIAdem-DATA- DIAdem-VIEW- DIAdem-CALC- DIAdem-GRAPH- DIAdem-DAC- DIAdem-VISUAL- DIAdem-AUTO

Datenerfassung, Präsentation und Offline-Verarbeitung

Hier sehen wir einen Ausschnitt aus der modular aufgebauten Entwicklungsumgebung DIAdem. Der so genannte DIAdem-DAC-Teil bietet Möglichkeiten, Datenerfassungshardware einzubinden. Hier wird gerade eine Datenerfassungskarte von National Instruments mit einem geeigneten Abtasttakt konfiguriert, so dass die Messergebnisse schließlich mithilfe von DIAdem-VISUAL in einem Grafen angezeigt werden können.

Durch einen zusätzlichen Speicherblock im DAC-Teil könnten die Daten nun gespeichert und in DIAdem-DATA abgelegt werden. Dort werden Mess- und Berechnungsergebnisse in tabellarischer Form gespeichert und können auch an andere Programme wie zum Beispiel Microsoft Excel übergeben werden.

DIAdem-GRAPH kann Berichte und Präsentationsgrafiken erzeugen. Dabei werden den Grafiken Formatierungen hinterlegt, so dass die Ergebnisse jeweils aktueller Messungen und Berechnungen dargestellt werden können, ohne dass die Grafik dabei neu erstellt werden müsste.

DIAdem-CALC ermöglicht es, Offline-Berechungen durchzuführen. Der Funktionsumfang reicht hierbei von einfachen Additionen oder Multiplikationen über Fourier-Transformationen bis hin zu Crashtest-Analysen.

All diese Module zusammen bieten eine attraktive Entwicklungsumgebung zum einfachen Konfigurieren von Anwendungen zur Datenerfassung und -verarbeitung, sowie Berichterstellung und Datenbankanbindung. Die in DIAdem-AUTO eingebettete Makrosprache ermöglicht darüber hinaus die Erstellung aufgabenspezifischer Systemlösungen mit auf die Anwendung und den Endanwender zugeschnittenen Bedienoberflächen.


Einfach messen mit NI – Teil I

• Aufgabenstellung:- Messen von Vibration und Geräusch im Automobil

- Analyse der erfassten Frequenzen

- Möglichkeit der Simulation im Labor

• Demonstrationsmaterial- Lüfter mit einstellbarer Geschwindigkeit

- Mikrofon zur Aufnahme des Lüftergeräusches

Wir haben gesehen, dass im Prinzip mit allen Entwicklungsumbebungen von National Instruments das Ansteuern von Datenerfassungskarten, durch den flexiblen Treiber auch schnittstellenunabhängig, möglich ist. Dieses Wissen soll nun bei der Erstellung eines ersten kleinen Projekts angewandt werden.

Die Aufgabenstellung:

• In einem Automobil sollen Vibrationen und Geräusche gemessen werden. Beispielsweise soll eine Lautsprechermembran auf die während der Fahrt auftretenden Schwingungen hin untersucht werden. So kann z. B. eine Aussage über die wiedergegebene Klangqualität getroffen werden, gemessenes Luftgeräusch könnte Aufschluss über zu große Spaltmaße geben, und so weiter.

• Dazu ist es nötig, die erfassten Frequenzen am besten gleich während der Messdatenaufnahme auf die enthaltenen Frequenzanteile hin zu untersuchen.

• Die Anwendung soll vorerst im Labor simuliert werden.

Das Demonstrationsmaterial:

• Ein Lüfterrad mit einstellbarer Geschwindigkeit simuliert das zu untersuchende Geräusch.

• Ein am Lüfter angebrachtes Mikrofon erfasst das Lüftergeräusch.


Auswahl von Hard- und Software

• Anforderungen an die Software:

- Ansteuern von Analogausgängen zum Einstellen der Lüftergeschwindigkeit

- Kontinuierliches Einlesen von Analogeingängen für das Mikrofonsignal

- Fourier-Transformation des Signals zur Analyse der Geschwindigkeit

Hardware

Demnach muss die verwendete Software folgenden Anforderungen genügen:

• Analogausgänge müssen zum Einstellen der gewünschten Lüftergeschwindigkeit ansteuerbar sein.

- LabVIEW enthält einfache Funktionen zum Ansteuern von Analogausgängen.

• Analogeingänge sollten so programmiert werden können, dass das Geräusch mit einer möglichst hohen Abtastrate möglichst kontinuierlich erfasst werden kann.

- LabVIEW enthält Funktionen zum kontinuierlichen Einlesen.

• Zur Analyse des Geräusches muss eine Fourier-Transformation durchgeführt werden, die eine Aussage über die Drehgeschwindigkeit gibt.

- Die mathematische Funktionspalette von LabVIEW enthält Fourier-Transformations-Funktionen.


Auswahl der Datenerfassungskarte

Die Datenerfassungskarten NI PCI-6013/6014NI PCI-6013 NI PCI-6014

Analogeingänge 16 SE/8 DE 16 SE/8 DE

- Auflösung 16 Bit 16 Bit

- Maximale Abtastrate 200 kS/s 200 kS/s- Eingangsspannungsbereich ±0,1V – ±10V ±0,1V – ±10V

Analogausgänge 2

- Auflösung 16 Bit

- maximale Update-Rate 10 kS/s

- Ausgangsbereich ±10V

Digitalein- /-ausgänge 8 8

Counter/Timer 2, 24 Bit 2, 24 Bit

Trigger Digital Digital

NEU

Die Hardware muss demnach folgenden Anforderungen genügen:

• Analogeingänge

• Analogausgänge

Zur Gruppe der Low-Cost-Datenerfassungskarten von National Instruments zählen die NI PCI-6013 und NI PCI-6014. Beide Karten verfügen über 16 single-ended, bzw. 8 differenzielle Analogeingänge mit einer Auflösung von 16 Bit. Mit der maximalen Abtastrate von 200 kS/s können Signale mit einer Frequenz von bis zu 100 KHz erfasst werden.

Acht Digitalein-/-ausgänge und zwei Counter/Timer erweitern die Funktionalität und können eventuell zur Auswertung digitaler Signale verwendet werden.

Die NI PCI-6014 hat zusätzlich noch zwei Analogausgänge mit einer Genauigkeit von 16 Bit und einer maximalen Update-Rate von 10 kS/s. Somit ist die NI PCI-6014 ausreichend für die gewünschte Anwendung.


Auswahl der Datenerfassungskarte

• On-Board Temperatursensor

• Höhere Genauigkeit

• RTSI• Non-Referenced

Single Ended

NI PCI-6024E NI PCI-6034E

Analogeingänge 16 SE/8 DE 16 SE/8 DE

- Auflösung 12 Bit 16 Bit

- Maximale Abtastrate 200 kS/s 200 kS/s- Eingangsspannungsbereich ±0,05V – ±10V ±0,05V – ±10V

Analogausgänge 2 2

- Auflösung 16 Bit

- maximale Update-Rate 10 kS/s

- Ausgangsbereich ±10V

Digitalein- /-ausgänge 8 8

Counter/Timer 2, 24 Bit 2, 24 Bit

Trigger Digital Digital

12 Bit

±10V

Die Datenerfassungskarten NI PCI-6024E/6034E

10 kS/s

Die Karten NI-PCI-6024 und NI-PCI-6034 sind aus der E-Serie. An dieser Stelle ist, was die Funktionalität betrifft auf den ersten Blick kein Unterschied zu der Karte NI-PCI-6014 zu sehen. Jedoch verfügen E-Serien Karten über einen On-Board Temperatursensor, der die Messgenauigkeit bei schwankenden Temperaturen erhöht.

Der Real-Time-System-Integration-Bus (RTSI) kann Triggersignale auf einen internen Bus zu einer oder mehreren weiteren Karten weiterleiten.

Die Karte kann auch Non-Referenced Single Ended messen.


11100011

11110000

00110011

10101010

10101010

....

....

11100011

01010101

11100011

00001111

11110000

11001100

01010101

10101010

...

....

11100011

01010101

11100011

00001111

Kontinuierliche Erfassung

DMA-Req.

Kartenpuffer Datenerfassungsspeicher LabVIEW-Speicher

Schreiben

Lesen

Das Projekt erfordert eine kontinuierliche Erfassung des Mikrofonsignals. Das Abtasten des Signals muss dabei deterministisch, also von Abtastzeitpunkt zu Abtastzeitpunkt in immer gleichen Zeitabständen, erfolgen. Da Windows kein echtzeitfähiges Betriebssystem ist und sich immer auch auf Bildschirmupdates, Tastatureingaben etc. konzentrieren muss, ist es sinnvoll, das Timing an die Karte zu übergeben.

National Instruments' Datenerfassungskarten sind mit einem eigenen Timer versehen, der für gleichbleibende Abtastraten sorgt. Die erfassten Daten können in einem Ringpuffer auf der Karte abgelegt werden. Schon seit der Einführung des PCI-Busses setzt National Instruments auf DMA-Transfer. Läuft der Ringpuffer nun mit Daten voll, stellt die Datenerfassungskarte einen so genannten DMA-Request, also eine Aufforderung zum Senden der Daten, an Windows. Noch bevor der Puffer überläuft, werden die erfassten Daten an den reservierten Datenerfassungsspeicher im Rechner übergeben. Von dort kann LabVIEW die Daten zur weiteren Verarbeitung in seinen eigenen Speicherbereich übernehmen.

Diesen Vorgang nennt man kontinuierliches gepuffertes Erfassen von Daten. Es wird sichergestellt, dass die Messwerte unabhängig von Windows in deterministischen Zeitabständen erfasst und an den Arbeitsspeicher übergeben werden.


Kontinuierliche Erfassung (Fortsetzung)

Fehlerzeigen

Fertig?Nein

Ja

Daten aus demPuffer holen

Konfigurationder Karte

Ressourcenfreigeben

Start der Erfassung

Das Programmieren einer kontinuierlichen Erfassung in LabVIEW gestaltet sich relativ einfach.

• Zuerst muss die Datenerfassungskarte konfiguriert werden.

• Danach wird die Karte mittels eines Befehls dazu aufgefordert, mit der Datenerfassung zu beginnen.

• Der nächste Schritt ist dann das Lesen der Daten aus dem Puffer. Dieser Schritt wird kontinuierlich in einer Schleife ausgeführt, bis eine Abbruchbedingung erreicht ist. An dieser Stelle findet später im Projekt auch die Analyse der Daten statt.

• Ist die Abbruchbedingung erreicht, werden die Ressourcen wieder freigegeben und eventuelle Fehler angezeigt.

In obigem Programmablaufplan wurden die im später zu sehenden Programmcode verwendeten virtuellen Instrumente (VIs) der Entwicklungsumgebung LabVIEW genutzt. Hier soll gezeigt werden, dass der Weg vom Programmablaufplan zum fertigen Projekt in LabVIEW aufgrund der datenflussorientierten Programmierung sehr leicht ist.


Ausgabe von Analogdaten

• Einstellung der Geschwindigkeit durchAnlegen einer Spannung an den Analogausgang

Fertig?Nein

Ja

AO auf 0setzen

Daten generieren

Mit dem Analogausgang soll die Lüftergeschwindigkeit eingestellt werden. Hier ist keine kontinuierliche Ausgabe nötig, da der Lüfter kein bestimmtes Geschwindigkeitsprofil abfahren soll. Um eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen, wird der Lüfter einfach mit einer festen Spannung angesteuert.

Das heißt für die Programmierung in LabVIEW, dass in der Schleife, in der die Daten kontinuierlich erfasst werden, außerdem noch die Steuerspannung für den Lüfter gesetzt wird.


Programmierung

Diese Folie zeigt den LabVIEW-Programmcode für das besprochene Projekt.


Demo

Ermitteln der Lüftergeschwindigkeit

mit LabVIEW

Demo: Ermitteln der Lüftergeschwindigkeit mit LabVIEW

• Die Lüftergeschwindigkeit wird dadurch verändert, dass der Analogausgang der Datenerfassungskarte auf unterschiedliche Spannungen gesetzt wird.

• Der Analogeingang erfasst das Lüftergeräusch durch Auslesen des Mikrofonsignals.

• LabVIEW führt eine Fourier-Transformation zur Geschwindigkeits-ermittlungdurch.


Weitere Eigenschaften

• Digital-I/Os- Zur Erkennung eines Leitungsstatus- Schreiben auf einen digitalen Kanal (z. B. Ansteuern

eines Relais)

• Zähler- Zählen von Ereignissen- Auswerten von Quadraturencodern- Zeit- und Frequenzmessungen

Wie zuvor erwähnt, bieten alle Multifunktionskarten von National Instruments auch Digitalein- und -ausgänge sowie Zähler.

• Digitalein- und -ausgänge können sowohl zum Erkennen eines Leitungsstatus sowie zum Setzen von Ausgangsbits verwendet werden. Damit können digitale Zustände überprüft oder beispielsweise auch Schalter angesteuert werden.

• Zähler arbeiten wie Digital-I/Os auch mit TTL-Signalen. Multifunktionskarten von National Instruments arbeiten mit einem so genannten DAQ-STC Counter, der von einem 20-MHz-Zeitgeber gesteuert wird.

- Unter dem Zählen von Ereignissen versteht man beispielsweise das Hochzählen des Zählerregisters bei jeder erfassten steigenden Flanke des TTL-Signals.

- Bei Zeit- und Frequenzmessungen kann der Zähler auf der Basis seines internen Takts die Zeit zwischen zwei steigenden oder einer steigenden und einer fallenden Flanke messen und somit Frequenzen oder Periodendauern bestimmen.

- Quadraturencoder liefern TTL-Signale. Der Zähler kann also zur Bestimmung von Motorrotationen genutzt werden.


Einfach messen mit NI – Teil II

• Aufgabenstellung:– Messen einer Motorrotation– Möglichkeit der Simulation im Labor

• Demonstrationsmaterial:– Demobox

Wir wollen nun einen Quadraturencoder unter Zuhilfenahme eines Zählers auswerten.

Die Aufgabenstellung:

• Die Rotation eines Motors soll gemessen werden. Der Motor verfügt über einen Quadraturencoder, dessen Pulse ausgelesen werden sollen.

• Das Projekt soll vorerst im Labor simuliert werden.

Das Demonstrationsmaterial:

• Eine Demobox enthält einen Quadraturencoder, dessen Achse durch einen Drehknopf gedreht werden kann.


Quadraturencoder

LichtquelleLichtsensor

Achse

Rotierende Scheibe

Codierung

Kanal B

Kanal A

– Achse und Scheibe rotieren

– Kodierung sperrt das Licht

oder lässt es durch

– Lichtsensor generiert zwei

Kodierungssignale

Ein Quadraturencoder ist eine Scheibe, die an der rotierenden Achse des Motors angebracht wird. In diese Scheibe sind zwei Spuren von zueinander versetzten Löchern eingeprägt. Diese Lochcodierung wird mit Licht bestrahlt, welches auf der anderen Seite der Scheibe von Lichtsensoren wieder ausgelesen wird.

Die Lichtsensoren generieren dann die Kodierungssignale des Quadraturencoders. Es entstehen zwei Rechtecksignale, Kanal A und Kanal B. Durch die zueinander verschobenen Löcher der Codierung der Scheibe eilt Kanal B im Vergleich zu Kanal A je nach Richtung entweder um 90 Grad voraus oder hinkt um 90 Grad hinterher.

Ein Zähler kann also die Pulse der Spur A zählen, um die Position der Achse zu bestimmen. Über Spur B wird bestimmt, ob sich die Achse in oder gegen den Uhrzeigersinn dreht.


Demo

Auslesen eines Quadraturencodersmit

DIAdem

Demo: Auslesen eines Quadraturencoders mit DIAdem

Der Quadraturencoder wird so angeschlossen, dass die Pulse der Spur A gezählt werden. Spur B dient zur Richtungserkennung.


Programmierung

Das Erstellen der Anwendung in DIAdem ist recht einfach.

Der Block NI-DAQ IN ist konfigurierbar und spricht die Datenerfassungskarte mit all ihren Funktionen an. Ist die Datenerfassung konfiguriert, können die Inhalte des Zählerregisters an einen Anzeigeblock übergeben werden.

Das Konfigurationsfenster des Blocks NI-DAQ IN bietet die Möglichkeit, auszuwählen, von welchem Zähler der Quadraturencoder ausgewertet werden soll. Im obigen Beispiel ist dies Zähler 0 von Gerät 3. Der Zähler wird in der hier gezeigten Konfiguration dann so programmiert, dass er Spur A zählt und den Digitaleingang DIO 6 zur Richtungserkennung nutzt.


Zusammenfassung

EntwicklungsumgebungenLabVIEW, DIAdem, LabWindows/CVI,

Measurement Studio

Digitalein-und -ausgänge

Counter/Timer

Analogein-und -ausgänge

Einzelwert-erfassung

KontinuierlicheErfassung

Signal-analyse

Wir haben gesehen, dass die verschiedenen Entwicklungsumgebungen von National Instruments Daten sowohl als Einzelwerte als auch kontinuierlich erfassen und gegebenenfalls auch analysieren können. Eine Multifunktionskarte bietet, je nach Ausstattung, Analog- und Digitalein- und -ausgänge sowie Counter- und Timer-Funktionen.

Durch die offene Treiberarchitektur von NIs Hardware können die Datenerfassungskarten mit jeder Programmiersprache angesprochen werden. Der Mesasurement and Automation Explorer, ein im Lieferumfang enthaltenes Konfigurationswerkzeug, ermöglicht Test und Konfiguration der installierten Komponenten.

Mit den NI-Entwicklungsumgebungen LabVIEW, DIAdem, LabWindows/CVI sowie Measurement Studio werden umfangreiche Funktionsbibliotheken mitgeliefert, deren einfache Funktionsaufrufe das Erstellen von Datenerfassungsanwendungen erleichtern.

• Virtuelle Kanäle ermöglichen das Auslesen von Sensoren ohne aufwändiges Programmieren von Skalierungen.

• Die offene Treiberarchitektur ermöglicht den Austausch der Datenerfassungskarten durch andere Module mit höherer Funktionalität.

• Die Integrität von NIs Hard- und Software erleichtert das Programmieren von Mess- und Automatisierungsanwendungen.


Ausblick – Software

• Erstellen eines HTML-, Word- oder Excel-Berichts

• Speichern der Daten und Durchführen einer Offline-

Analyse

• Veröffentlichung der Anwendung im Internet (Netzwerkpanel) – Demo

Das Ansteuern von Hardware deckt nur einen Teil der Anforderungen ab, die heute an ein modernes Messdatenerfassungssystem gestellt werden. Grundsätzlich ist natürlich ein anspruchsvolles Design der Anwendung wünschenswert. Dies wird von allen Entwicklungsumgebungen von National Instruments, auch durch die teilweise dreidimensionalen Bedienelemente, unterstützt.

Oft ist es auch nötig, die erfassten Daten oder die berechneten Ergebnisse in Berichten abzulegen. Deshalb bieten NIs Entwicklungstools Werkzeuge zur Berichterzeugung im HTML-, Word- oder auch Excel-Format.

Datenanalyse ist in vielen Anwendungen genauso wichtig wie das Erfassen der Daten selbst. Dies kann in einigen Fällen online, also gleich während der Erfassung, geschehen, bei aufwändigen Datensätzen aber auch offline, also im Nachhinein.

In Zeiten des Internets wachsen die Anforderungen an eine Anwendung natürlich auch in Bezug auf Netzwerktechnologien. Ein vernetzter Messrechner in der Produktion soll beispielsweise von einem Bürorechner aus überwacht und auch bedient werden können. Mit der Netzwerkpanel-Funktion inLabVIEW kann das Frontpanel der Anwendung im Internet als HTML-Seite publiziert werden, wodurch die Bedienung der in der Benutzeroberfläche enthaltenen Bedienelemente auch von anderen Rechnern aus ermöglicht wird – ohne zusätzlichen Programmieraufwand.

Diese beispielhafte Auflistung einiger Zusatzfunktionen der verschiedenen Programmierumgebungen soll die softwareseitige Skalierbarkeit von National Instruments' Produkten sichtbar machen.


Ausblick – Hardware

• Triggerung einer Erfassung- Digitaler Trigger- Analoge Triggerung auf Schwelle (Software)- Analoger Hardware-Trigger (E-Serie)

• Synchronisation von Karten- RTSI-Bus synchronisiert Kanäle

Auch National Instruments' Hardware bietet neben den schon erwähnten Funktionen weitere Möglichkeiten.

Schon die "Low-Cost"-Serie ermöglicht es, eine Datenerfassung oder auch das Ausgeben von Daten durch einen digitalen Trigger zu steuern. Triggerung auf eine analoge Schwelle kann per Software realisiert werden. Der Eingangswert eines Kanals wird dabei ständig auf das Erreichen einer bestimmten Schwelle überprüft. Wird diese Schwelle überschritten, beginnt die Datenerfassung.

Einige Karten der E-Serie bieten auch eine in die Hardware integrierte Triggerstufe. Wird die Trigger-Schwelle bereits von der Datenerfassungshardware überprüft, erhöht dies die Leistungsfähigkeit.

Der ab den Modulen der E-Serie auf allen Datenerfassungskarten integrierte RTSI-Bus (Real-Time System Integration Bus) ermöglicht die Synchronisation von Karten und Kanälen.

Das Zusammenspiel verschiedener Module untereinander könnte dann wie folgt aussehen: Auf eine analoge Schwelle hin soll eine Datenerfassung gestartet werden. Karte 1 wartet auf die Schwelle und startet bei Erreichen dieser die Datenerfassung. Gleichzeitig soll auf einer zweiten Karte ein Signal synchron ausgegeben werden. Das Signal ScanStart muss dann über den RTSI-Bus an Karte 2 übergeben werden und kann somit auf die Datenerfassung synchronisiert werden. Beide Prozesse laufen dann parallel, mit demselben Taktsignal.


Real-Time System Integration (RTSI)

CounterDigital-I/O

ADC

Computer-I/O

MUX

DAC

MUXRTSI

• Real-Time System Integration Bus (RTSI-Bus)– Synchronisation

mehrerer Datenerfas-sungskarten

– Timing- und Trigger-Signale können vonmehreren Kartengleichzeitig verwendetwerden

Der Real-Time System Integration Bus ermöglicht es NI-Hardware, miteinander zu kommunizieren, ohne dabei den "Umweg" über das Betriebssystem gehen zu müssen. RTSI ist ein internes Bussystem, das die Karten durch ein aufsteckbares Kabel rechnerintern miteinander verbindet. Dabei ist der Anwender nicht auf Datenerfassungskarten alleine beschränkt. Motion-Karten für die Motoransteuerung und Framegrabber zur Bilddatenerfassung wie auch andere NI-Hardware reihen sich mit in die Familie der RTSI-gestützten Module ein.

Die so verbundenen Karten können nun aufeinander synchronisiert werden, indem sie Timing- und Trigger-Signale untereinander austauschen.


Skalierbare Datenerfassung

Laptop

PCMCIA

PCI, ISA

Desktop

PXI

Industrie-PCTragbarer PC

IEEE-1394USB

Treiber ermöglicht plattformübergreifenden Einsatz der Applikation

Skalierbarkeit ist einer der wichtigsten Vorteile von NIs Hard- und Software. Unabhängig von den Anforderungen an die Applikation bietet National Instruments hochwertige Lösungsmöglichkeiten. Alle Messkarten nutzen den gleichen, gemeinsamen Satz an Funktionen, die plattformübergreifend auf verschiedenen Bussystemen einsetzbar sind.

Dies kann ausschlaggebend sein, wenn Sie Industrie-PC- oder PXI-Systeme verwenden und trotzdem planen, die Anwendung dazu auf einem Laptop mit einer DAQCard oder PCMCIA- Karte zu entwickeln. Vielleicht wollen Sie Ihre Messkarten auch über das Internet ansteuern. Mit NIs Hard- und Software wird die Applikation an die Hardware gebunden, ist aber ständig für Erweiterungen bereit. Durch die einheitliche Treiberarchitektur kann die Anwendung ohne Treiber-Updates um weitere Geräte erweitert oder auch auf andere Rechnersysteme portiert werden.


Ausbaumöglichkeiten• Anschlusstechnik• DDK – Tool zur Treiberentwicklung• Signalkonditionierung

– Aufbereitung physikalischer Größen

• Software-Toolkits und -Toolsets– Beispielsweise: VISION, Internet Toolkit,...

• PCI eXtension for Instrumentation (PXI)– RTSI-Bus integriert– Weitere Synchronisationsmöglichkeiten– Industriestandard

Neben Karten zur Datenerfassung bietet National Instruments auch Hard- und Software für viele weitere Zwecke:

• Anschlusstechnik

• DDK-Tool – das Driver Development Toolkit.

• Produkte für die Signalkonditionierung. Signalkonditionierung bietet die Möglich-keit, Messsignale vor der Digitalisierung aufzubereiten.

• Software-Toolkits für die verschiedenen Entwicklungsumbebungen. Diese erweitern den Funktionsumfang der verschiedenen Standardbibliotheken.

• PCI eXtension for Instrumentation (PXI). PXI steht für ein Industrierechnersystem im CompactPCI-Format, das speziell auf messtechnische Anforderungen zugeschnitten ist.


Anschlusstechnik

• Kabel- geschirmt- ungeschirmt

• Anschlussblöcke- geschirmt- ungeschirmt- BNC- Schraubkelmmen- ...

Für die Verschiedenen Datenerfassungskarten bietet National Instruments auch die nötige Anschlusstechnik. Je nach Anforderung gewährleisten

• Geschirmte Kabel

• Ungeschirmte Kabel

• Flachbandkabel

• Geschirmte Anschlussblöcke

• Ungeschirmte Anschlussblöcke

• BNC Anschlüsse

die sichere Anbindung der Signale an die Datenerfassungskarte.


Das Measurement Hardware Driver Development Kit

Programmierung auf Registerebene für OEMs

• Beispielprogramme für Standard-anwendungen

• API (in C/C++) zum Zugriff auf Hardware-register von Datenerfassungskarten

• Generische Schnittstelle für– Momentan: Windows, Linux, PocketPC– Evaluiert: WinCE, Mac OS X, QNX– Möglich: RTX, VxWorks u. a.

Betriebssystemspezifische Funktionen

Busschnittstelle

API auf Registerebene

Beispielprogramme

Datenerfassungshardware

Das Measurement Hardware Driver Development Kit (DDK) von National Instruments enthält Entwicklungswerkzeuge und eine Schnittstelle zur Programmierung auf Registerebene zur Treiberentwicklung für NI-Datenerfassungshardware. Dieses Paket eignet sich besonders für OEM-Kunden, die Anwendungen erstellen, deren Anforderungen den Funktionsumfang von Standardbetriebssystemen übersteigen. Das Treiberentwicklungswerkzeug (DDK) ermöglicht den Zugriff auf das Register-Mapping jeder Karte und liefert Beispiele zu Standard-Mess- und -Steuerfunktionen. Zudem arbeitet das Toolkit mit Multifunktionskarten der E-Serie sowie Analogausgabe-, Digital-I/O- und Counter/Timer-Karten zusammen.


Signalkonditionierung

• Verstärkung• Filterung• Linearisierung• Messumwandleranregung• Messbrückenvervollständigung• Isolierung• Schalter• Multiplexer und Matrix

Signalkonditionierung bietet die Möglichkeit, die vom Sensor erfassten Signale aufzubereiten und an die Möglichkeiten der Datenerfassungskarte anzupassen.

• Ein Thermoelement zur Erfassung von Temperaturen liefert Spannungen im Millivolt-Bereich. Damit die volle Bandbreite des Analog-/Digitalwandlers ausgenutzt und das Signal-/Rauschverhältnis reduziert werden können, sollte das Signal verstärkt werden.

• Oft kommt es vor, dass Signale verrauscht sind oder nur ein gewisser Frequenzbereich für die Analyse interessant ist. Filtermodule bieten die Möglichkeit, ungewollte Signalbestandteile schon vor der Wandlung herauszufiltern.

• Viele Sensoren verhalten sich aufgrund physikalischer Eigenschaften nicht linear. Generell kann die Linearisierung zwar per Software vorgenommen werden, linerarisiert man allerdings auf der Hardwareseite, spart dies Rechenzeit.

• Messumwandleranregung ist nötig, wenn ein Sensor ohne Spannungs- oder Stromversorgung kein Signal liefern kann.

• Viele Messmethoden zum Auswerten von Sensordaten beruhen auch auf Messbrücken. So arbeiten Dehnungsmessstreifen oft in einer Wheatstone-Brücke.

• Signale müssen isoliert, gemultiplext oder per Schalter oder Matrix verschaltet werden.

Für all diese Anwendungsbereiche bietet National Instruments hochwertige Komponenten zur Signalkonditionierung und -aufbereitung.


Module zur Signalkonditionierung

32

32

32

6

8

8

8

8

8

8

8

16

4

8

8

32

32

32

Kanäle

LVDT/RVDT-KonditionierungAnalogeingangSCXI-1540

Isolierter AnalogausgangAnalogausgangSCXI-1124

HalbleiterrelaisHalbleiterrelaisSCXI-1163R

Isolierter DigitalausgangDigitalausgangSCXI-1163

Isolierter Digitaleingang für 5 V TTL und hohe SpannungenDigitaleingangSCXI-1162/HV

Thermoelemente, RTD, Thermistor, hohe SpannungenIsolierter AnalogeingangSCXI-1121

Niedrige, mittlere und hohe Spannungen, Strom, ThermoelementeIsolierter AnalogeingangSCXI-1120/D

Frequenz-Spannungs-WandlungIsolierter FrequenzeingangSCXI-1126

Track-and-HoldAnalogeingangSCXI-1140

Drei verschiedene programmierbare Filter 4. OrdnungAnalogeingangSCXI-1141/2/3

Dehnungsmessstreifen, Druck- und KraftsensorenAnalogeingangSCXI-1520

Signalkonditionierung für piezoelektrische IC-Beschleunigigungsmesser

AnalogeingangSCXI-1530/1



ThermoelementeAnalogeingangSCXI-1112

Mittlerer Spannungsbereich, Millivolt/VoltAnalogeingangSCXI-1104/C

Thermoelemente; Volt/Millivolts; Strom; RTD; ThermistorAnalogeingangSCXI-1102/B/C

Thermoelemente; Volt/Millivolts; StromAnalogeingangSCXI-1100

Signalarten/Besondere EigenschaftenKanalartModul

SCXI (Signal Conditioning eXtension for Instrumentation) ist eine Produktfamilie von National Instruments, die die Konditionierung von Signalen ermöglicht. Hier ein Überblick über die erhältlichen Module.


Module zur Signalkonditionierung (fortgesetzt)

1 ISO

1 ISO

1 ISO

2 DI

2 DI

2 DI

1 DI

2 DI

2 DI

2 DI

2 ISO

2 ISO

Kanäle

TemperaturmessungThermocuouple EingangSCC-TC01

Volt/Millivolt, Frequenz-nach-SpannungAnalogeingangSCC-FV01

Eingänge zur StrommessungStrommessungSCC-CI20

Isolierter SpannungsausgangAnalogausgangSCC-AO10

Isolierter StromausgangAnalogausgangSCC-AO20

DigitaleingangIsolierter DigialeingangSCC-DI01

¼ - BrückeDehnungsmessstreifenSCC-G01

TemperaturmessungRTD EingangSCC- RTD01

Volt/Millivolt, Lowpass FilterAnalogeingangSCC-LP01

Millivolt/Volt, DämpfungAnalogeingangSCC-A10

Volt/Millivolt, Isolierter AnalogeingangAnalogeingangSCC-AI1x

Volt/Millivolt, Isolierter AnalogeingangAnalogeingangSCC-AI0x

Signalarten/Besondere EigenschaftenKanalartModul

(Auszug)

SCC (Signal Conditioning for DAQ Sytems) ist eine Produktfamilie von National Instruments, die die Konditionierung von Signalen ermöglicht. Hier ein Überblick über die erhältlichen Module.


Toolkits, Toolsets und Module

EntwicklungsumgebungenLabVIEW, LabWindows/CVI,

Measurement Studio

SpectralMeasurements

Toolset...

Order AnalysisToolset

Real-Time ModuleVision

DevelopmentModule

DSC Module

Für die Entwicklungsumgebungen LabVIEW, LabWindows/CVI und Measurement Studio stehen verschiedene Toolkits, Toolsets und Module zur Verfügung, die den Funktionsumfang der Umgebungen erweitern.

• Das LabVIEW Real-Time Module bietet die Möglichkeit, kompilierten Programmcode auf ein Echtzeitbetriebssystem herunterzuladen und dort deterministisch auszuführen.

• Die Vision-Bibliothek enthält umfangreiche Funktionen zur Bildanalyse.

• Das LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module (DSC), das Order Analysis Toolset, das Spectral Measurements Toolset und einige mehr runden die Palette ab.

Weitere Toolsets sind:

• Das Sound and Vibration Toolset. Dieses Toolset erweitert die Umgebung um Funktionen für Geräuschpegelmessungen, fraktionale Oktavanalyse, erweiterte Frequenzanalyse und Transienten-Analyse.

• Das Enterprise Connectivity Toolset. Dieses Toolset bietet Werkzeuge zur Datenbankanbindung und Anbindung ans Internet.


PCI eXtension for Instrumentation

Controller• Nutzt Standardbetriebssystem• Hardware verwendbar mit

LabVIEW, LabWindows/CVI,Visual Basic,...

Präzisionsmessgeräte• FlexDMM PXI-4770• Downconverter PXI-5660• DSA

Standarddatenerfassung

Die PXI-Spezifikation (PXI = PCI eXtensions for Instrumentation) baut auf CompactPCI auf und wurde speziell auf die Belange der Mess- und Automatisierungstechnik zugeschnitten. Sie definiert eine robuste, PC-basierte Plattform speziell für Systeme aus den genannten Bereichen. PXI nutzt den PCI-Bus (PCI = Peripheral Component Interconnect), welcher einen De-facto-Standard für die heutige Hard- und Softwareentwicklung von MSR-Systemen darstellt, und kombiniert ihn mit der Spezifikation des robusten, modularen Formfaktors von CompactPCI. Zudem ergänzt PXI das System um elektrische, mechanische und Softwarebestimmungen, welche die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erheblich steigern. Ebenso wird dadurch die Integration einer PXI-Plattform vereinfacht. National Instruments ist ein Gründungsmitglied der VXI-Gruppe und wird weiterhin an der Leitung der PXI System Alliance (PXISA) beteiligt sein – ein Konsortium von mehr als 60 Unternehmen zur Pflege der PXI-Spezifikation.

Die Spezifikation von PXI wurde von National Instruments entwickelt und 1997 als offener Industriestandard herausgegeben. So kann jeder Hersteller PXI-Produkte auf den Markt bringen. Auf dem von der PICMG gepflegten Standard CompactPCI basierende Module und PXI-Module können konfliktfrei in ein und demselben System untergebracht werden, da die Kompatibilität zwischen CompactPCI und PXI – wie bereits erwähnt – ein Grundelement der PXI-Spezifikation ist. Die vollständige Spezifikation und weitere Informationen erhalten Sie unter ni.com/pxi .


Digitalisierer• 100 MS/s,• 32 MB/Kanal• 8 bis 21 Bit

Digitalmultimeter• 6½-Stellen-DMM• Spannung, Widerstand, Strom

Arbiträrer Funktionsgener.• Update-Rate von 40 MS/s• 12-Bit-Digital-/Analogwandler • Digitale Bitmuster von 16 Bit

Erfassung dynamischer Signale• Dynamikbereich von 120 dB• Alias-freie Bandbreite von 45 kHz • ICP-Konditionierung

Schaltmodule• PXI- & SCXI-Module• DC-Bandbreite von bis

zu 18 GHz

HF-Signalanalysator• HF-Messungen mit 2,7 GHz • Echtzeitbandbreite von20 MHz

• SFDR von 80 dB

Modulare Instrumentierung und Schaltmodule

• Digitalisierer sind speziell auf das Erfassen von Daten ausgelegte, also auf Produktionstests und automatisierte Messungen abgestimmte, Module.

• Digitalmultimeter sind speziell für hochgenaue Messungen entwickelt. Das FlexDMMNI-4070 erreicht eine Genauigkeit von 6 ½ Dezimalstellen bei 60 S/s.

• Arbiträre Funktionsgeneratoren können beliebige Signalverläufe bis zu einer Frequenz von40 MS/s ausgeben.

• Der HF-Signalanalysator PXI-5660 ist auf das Erfassen hoher Frequenzen ausgelegt. Seine maximale Abtastrate für Hochfrequenzmessungen liegt bei 2,7 GHz.

• Module für die Erfassung dynamischer Signale zeichnen sich durch einen Dynamikbereich von bis zu 129 dB aus.


LabVIEW Zone (www.ni.com/labviewzone)

*Ideen entwickeln *Artikel *LabVIEW-Kenntnisse erweitern

*Code austauschen *Interaktive User Groups *Expertennetzwerk

LabVIEW Zone – das Forum für LabVIEW-Entwickler

Seit bereits mehr als 16 Jahren wird LabVIEW für die Anwendungserstellung eingesetzt. Aus der anfänglich geringen Anzahl von "Pionieren", die hie und da mal eine Anwendung programmierten, wurde inzwischen eine schnell wachsende Gemeinschaft von LabVIEW-Entwicklern, die eine Vielzahl unterschiedlicher Applikationen erstellt haben, Code untereinander austauschen und auf verschiedenste Weise zusammenarbeiten. Diese Entwicklergemeinschaft und die von ihr zur Verfügung gestellten Codes trugen auch erheblich zur Beliebtheit von LabVIEW bei.

Um die Kommunikation zwischen den verschiedenen Programmierern zu fördern und zu vereinfachen hat NI nun die LabVIEW Zone ins Leben gerufen, in der Sie folgende Rubriken finden:

• Diskussionsforum (In diesem Forum können Sie mit anderen Anwendern rund um den Globus Erfahrungen, Tipps und Tricks austauschen.)

• Austauschen von Code (Stellen Sie Ihr neuestes Meisterwerk auf dieser Seite zur Verfügung oder suchen Sie selbst nach einer Anwendung.)

• User Groups (Hier finden Sie Termine von Anwendertreffen, Seminaren und anderen Veranstaltungen in Ihrer Region)

• Artikel (Vertiefen Sie Ihre Kenntnisse in der Anwendungsentwicklung mit LabVIEW und lesen Sie den neuesten Artikel unseres Online-Magazins "Developer Insights"!)

• Spiele, Wettbewerbe und mehr (Vergleichen Sie Ihre Fertigkeiten mit denjenigen andererLabVIEW-Entwickler und nehmen Sie am monatlich stattfindenden Programmierwettbewerb teil!)


LabVIEW – eigene Beispiele

Beim Erstellen von Anwendungen fehlt oftmals der richtige Ansatz – sei es weil eine neue Programmiersprache eingesetzt wird oder weil es ein neuartiges Problem zu bewältigen gilt. LabVIEW enthält genauso wie alle anderen Entwicklungsumgebungen von National Instruments eine umfangreiche Beispieldatenbank mit Lösungen zu Standardanwendungen wie kontinuierliche Datenerfassung, Netzwerkanwendungen, Analysefunktionen und vieles mehr.

Alle Toolkits und Toolsets liefern einen erweiterten Beispieldatensatz, der speziell für den Einsatzzweck des jeweiligen Tools konzipiert ist.

Standard-LabVIEW-Beispiele kommen aus den Bereichen:

• Signalanalyse/Signalverarbeitung

• Erstellen von Benutzeroberflächen

• Kommunikation mit externen Applikationen

• Grundlagen

• Hardwarein- und -ausgänge

� Analogeingänge

� Analogausgänge

� Zähler

� Digitalein- und -ausgänge

� SCXI

• Industrielle Anwendungen

und viele mehr.


NI Knowledge Base8.361 Einträge in der W

issens-

datenbank KnowledgeBase

Die NI Knowledge Base unter http://www.ni.com enthält zahlreiche Einträge und Hilfen zum Erstellen verschiedener Projekte.


NI Application Notes

187 App. Notes

In der Developer Zone (http://zone.ni.com) sind unter anderem Application Notes mit Hinweisen zur Entwicklung komplexer Anwendungen abgelegt.


NI Example Database

2.471 Online-Beispiele

Die Developer Zone enthält auch zahlreiche Programmierbeispiele für alle Programmiersprachen.


Das Alliance Program

Die Produkte von National Instruments bieten einmalige Leistungsfähigkeit, Flexibilität und Produktivität bei der Entwicklung von Mess- und Automatisierungssystemen. Bei eng gesteckten Terminplänen, begrenzten technischen Ressourcen oder anderen Engpässen bevorzugen Sie vielleicht eine persönliche Beratung oder Dienstleistungen der Systemintegration. In diesem Fall empfiehlt sich unser Alliance Program – ein weltweites Netzwerk von Experten, die Ihnen gerne mit Ihrem Fachwissen beratend zur Seite stehen.


Kundenschulung

• LabVIEW• DIAdem• LabWindows/CVI

• TestStand• Bildverarbeitung• Schnupperkurse

Trainingskurse bei National Instruments ermöglichen NI-Kunden das schnelle und effizienteKennenlernen unserer Anwendersoftware. Erfahrene Ingenieure geben ihnen grundlegende und spezifische Hilfestellungen, so dass die Teil-nehmer nach kurzer Einführungszeit bereits anwenderorientierte Mess- und Prüfapplikationen erstellen können. In den Kursen für Fortgeschrittene werden die Techniken vertieft und neue Möglichkeiten für komplexere Applikationen aufgezeigt.

Für unsere Produkte LabVIEW, TestStand, LabWindows/CVI, IMAQ Vision und zur Datenerfassung mit LabVIEW bieten wir zwei- und dreitägige Kurse für Einsteiger und Fortgeschrittene an.

National Instruments gibt Ihnen auch die Möglichkeit, die Kurse direkt in Ihrem Unternehmen im Haus - Onsite - durchzuführen. Gerne unterbreiten wir Ihnen dazu ein Angebot.


Kontakt

ni.com/germany

ni.com/switzerland

ni.com/austria

Deutschland:National Instruments Germany GmbHKonrad-Celtis-Straße 79D-81369 MünchenTelefon: (+49) 89 / 741 31 30Fax: (+49) 89 / 714 60 35E-Mail: [email protected]

Schweiz:National Instruments SwitzerlandSonnenbergstraße 53CH-5408 EnnetbadenTelefon: (+41) 56 / 200 51 51Fax: (+41) 56 / 200 51 55E-Mail: [email protected]

Österreich:National Instruments Ges.m.b.H.Plainbachstraße 12A-5101 Salzburg-BergheimTelefon: (+43) 662 / 45 79 90-0Fax: (+43) 662 / 45 79 90-19E-Mail: [email protected]


Aktuelle Veröffentlichungen:

[1] Roland Heinze: Experten im Disput Simulation und Echtzeit, Open Automation 4-5/2002, p. 24-27.

[2] Heiner Illig: Modular für die Messtechnik, F&M 09/2002, p. 12-14.

[3] Stephan Ahrends: Multifunktions-I/O-Karten einer neuen Generation, Elektronik Informationen 09/2002, p. 26-28.

[4] Ingo Schumacher: Datenerfassung-, verarbeitung und –management – alles aus einer Hand, etz 16/2002.

[5] Christian Hamp: Ereignisreiches LabVIEW, Technische Rundschau 19/2002, p. 44-46.

[6] Stephan Ahrends: Simultan und genau? Aber schnell bitte, Technische Rundschau 20/2002, p. 42-44.

[7] Rahman Jamal, Jochen Klier: Vernetzte Mess- und Automatisierungstechnik,MegaLink, 11/2002.

[8] Rahman Jamal: Grenzenlose Messtechnik, Aktuelle Technik 11/2002, p. 25-27.

[9] Rahman Jamal, Heiner Illig: Speed und Präzision im Board-Format. Elektronik23/2002, p. 78-82.

[10] Rahman Jamal: Design-Flow-begleitendes Messen, Design & Verification Tool Guide 2002, p. 12-13.

[11] Jochen Klier: PC-Messtechnik für höhere Leistungsbereiche, ElektronikInformation 11/2002, p. 64-65.

[12] Christian Spiss: Komplexe Schaltvorgänge vereinfachen, productronica 11/2002, p. 52-53.

[13] Georg Heckelmann: Die Plattform wird mächtiger, elektroAUTOMATION12/2002, p. 32

Bücher:

[1] R. Jamal, A. Hagestedt: LabVIEW – Das Grundlagenbuch, Addison-Wesley, 2001, 3. Auflage

[2] R. Jamal, H. Pichlik: LabVIEW – Programmiersprache der vierten Generation, Prentice Hall Verlag, 1999, 2. Auflage

[3] R. Jamal, H. Jaschinski: Virtuelle Instrumente in der Praxis – Messtechnik, Begleitband zum Kongress VIP 2001, Hüthig-Verlag, 2001

[4] R. Jamal, H. Heinze: Virtuelle Instrumente in der Praxis – Automation, Begleitband

zum Kongress VIP 2001, VDE-Verlag, 2001

Aktuelle Seminarhandbücher:

[1] Die Macht der Plattform, Seminar von National Instruments, September 2002

[2] Was bringt Windows XP für die Mess- und Automatisierungstechnik?, Seminar von National Instruments, Februar 2002[3] Hard- and Software Platforms for Real-Time Applications, Seminar von National

Instruments, Januar 2002[4] Messen statt schätzen - Signale einfach aufbereiten und richtig erfassen, Seminar von National Instruments, September 2001

[5] Wegweisende Technologien in der Mess- und Automatisierungstechnik, Seminar von National Instruments, Februar 2001

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