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1Heim Systems GmbH

Wer ist Heim Systems GmbH?Wer ist Heim Systems GmbH?

Wir sind eine deutsche Firma

und Teil des Zodiac Konzerns

Unser Fokus ist

InstrumentationInstrumentation

Data Data AcquisitionAcquisition und und RecordingRecording SystemeSysteme

Weltweit

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Heim Systems GmbH

42 Jahre Erfahrung im Bereich Messdatenerfassung und Signalkonditionierung mit weltweitem Bekanntheitsgrad

Heim Systems - HistorieHeim Systems - Historie

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3Heim Systems GmbH

HEIM SYSTEMS GMBHStandorte

HEIM SYSTEMS GMBHStandorte

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Heim Systems GmbH

November 2007Wolfgang Isermann

Herausforderungen bei der Konzeption

von verteilten Messdatenerfassungs - Systemen

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5Heim Systems GmbH

EntwicklungszieleEntwicklungsziele

Das Entwicklungsziel bei der DATaRec4 Serie war die Konzeption eines Signalkonditionierungssystems, welches aus autarken Einzelkomponenten (Modulen) besteht. Diese Module können einzeln als auch im Verbund zentral oder „distributed“ betrieben werden. Dieses Konzept erlaubt die optimale Anpassung des Systems auf die unterschiedlichsten Applikationen innerhalb der Messtechnik.

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6Heim Systems GmbH

Signal ModuleSignal Module

Anforderungen bei Single Modul Applikationen:

• Integriertes Netzteil

• Integriertes USB Interface

• Integrierte Kalibrier Einheit

Anforderungen bei Multi Modul Applikationen:

• Einheitliches elektrisches Interface

• Einheitliche Mechanik

• Master Modul Funktionalität

Unterschiedliche Signalmodule stehen für unterschiedliche Sensoren bzw. Datenquellen zur Verfügung. Diese können sowohl einzeln (autark) als auch kombiniert mittels eines Linkmoduls betrieben werden.

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7Heim Systems GmbH

Kontakt remote Schnittstelle

Zeit und GPS Eingang

GigaBit Ethernet

Bis zu 8 Link SchnittstellenJeder Link unterstützt bis zu 8 Module

Display und Tasten

USB 2.0 hostGigaBit Ethernet host1394 b hostSAS host

USB 2.0 host

Service Port

USB 2.0 target

FireWire b

USB 2.0 targetGigaBit Ethernet target1394 b target

Link ModulLink Modul

BD

Bei kombinierten Systemen bildet das Linkmodul die Zentraleinheit zwischen Signalmodulen und Rechner (bei Front-end-Betrieb) oder zwischen Signalmodulen und Speichermodul (bei Recorder-Betrieb).

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8Heim Systems GmbH

Elektrisches InterfaceElektrisches Interface

Pin 1/5) Power

Pin 3/4) twisted pair Daten Richtung eins

Pin 7/8) twisted pair Daten Richtung zwei

Pin 2/6) Schirmung

Pin 9) frei

Maximale Kabellänge 10m

Das elektrische Interface zwischen den Modulen wird mittels eines Spezialkabels realisiert. Die maximale Länge zwischen 2 Modulen beträgt 10 Meter. Die maximale Länge einer Kette (8 Signalmodule) beträgt 50 Meter.

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9Heim Systems GmbH

Start up PhaseStart up Phase

C

C C

• Wie viele Module

• Kabel Länge

• Zeit Synchronisation

Short message

Paket

Puls

Broadcast message

Link Modul Signal Modul Signal Modul

In der „Start up Phase“ schickt das Linkmodul eine „Broadcast“-Nachricht an alle in der Kette befindlichen Module. Als Antwort schickt jedes Signalmodul eine Nachricht an das Linkmodul. Damit erhält das Linkmodul die Information über die Konfiguration der Signalkette.

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10Heim Systems GmbH

Kabel LängeKabel Länge

C

C C

Short message

Paket

Puls

Broadcast message

Signal Modul Signal ModulLink Modul

Um die Laufzeiten insbesondere bei verteilten Systemen in den Kabeln zu kompensieren, sendet das Linkmodul einen Start/Stop-Puls mit definiertem zeitlichen Abstand. Dieser Abstand wird dem Signalmodul mittels einer Shortmessage mitgeteilt. Im Signalmodul wird mit Hilfe eines TDC-Chips (Time to Digital Converter) der Pulsabstand hochgenau (60 ps) gemessen. Das Ergebnis wird dem Linkmodul mittels Shortmessage mitgeteilt. Somit sind Laufzeiten im Kabel bekannt und können kompensiert werden. Die Laufzeit pro Meter Kabel beträgt ca. 4 ns.

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11Heim Systems GmbH

Zeit SynchronisationZeit Synchronisation

C

C C

Short message

Paket

Puls

Broadcast message

Kontinuierliche Zeit Synchronisation

Signal Modul Signal ModulLink Modul

Durch Anklicken der Kreise während der Präsentation werden Hyperlinks geöffnet, die detaillierte Informationen beinhalten.

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12Heim Systems GmbH

Link ModuleLink Module

Time source26 MHz

Clock104 MHz

MGTPar-Seriell

XILINC FPGA

3,1 Gbit/s

8/ 10 bit codingrandomiser

Link

1,04 Gbit/s

Data

Blockdiagramm des MGT

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13Heim Systems GmbH

Signal module / clock recoverySignal module / clock recovery

De-randomiser / randomiser

Connector

to LMMGT

Serial / Par

Data

XILINC FPGA

3,1 Gbit/s

MGTSerial / Par

8/ 10 bit codingRandomiser / de-randomiser

Clock ConverterTuneable

26MHz crystal104 MHz

104

MH

z

I/O part of the module

Analogue sampling clock

gen. data

delay compensation

Connector

to SM

Die Kommunikation zwischen den Signalmodulen bzw. zwischen Signalmodul und Linkmodul erfolgt über die MGTs (Multi Gigabit Tranceivers – im XILINC FPGA integriert).

In jedem Signalmodul erfolgt eine „Signalkonditionierung“ der Clock, um zu verhindern, dass sich die Flankensteilheit und somit die Genauigkeit innerhalb einer Kette von mehreren Modulen verschlechtert.

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14Heim Systems GmbH

DatenflußDatenfluß

C

C C

Short message

Paket

Puls

Broadcast message

Signal Modul Signal ModulLink Modul

Jedes Modul kann bis zu 1 Sekunde Datenpakete speichern. Der DMA Prozess zumLink hat eine Netto Datenrate von ca. 700MBIT/s . Max. theoretischer Wert ist 3,3 GBit. Die Datenkommunikation und damit die Steuerung der Prozesse erfolgt durchShortmessages. Die einzelnen Pakete der Signalmodule werden im Linkmodul zusammengefügt und über die Computer-Schnittstellen Gigabit Ethernet, USB2, Firewireund SATA dem Computer (Front-end-Modus) oder einem Speichermedium (Recorder-Modus) zur Verfügung gestellt.

Der Maus-Klick auf den blauen Smiley im Linkmodul öffnet einen weiteren Hyperlink.

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15Heim Systems GmbH

6 channel Voltage/ICP Module

Signal moduleSignal module

Das 6-Kanal-Analog-Modul DIC6B beinhaltet 3 Platinen, wobei der Analog-Teil (Eingang) durch den Digitalteil (ADC- und Prozessor-Platine) durch eine Abschirmung separiert ist.

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16Heim Systems GmbH

I / O partI / O partFPGAi.AC/DC/ICP

HP/LPAmpli. A/D

converter

MGT R

MGT T

Data collection

Packet gen.

Time stamp.

Mod

ule

cont

rolle

r

DataHeaderCHS TS

Latest every 100ms or depending on the block size

AC/DC/ICP

HP/LPAmpli. A/D

converter

AC/DC/ICP

HP/LPAmpli. A/D

converter

AC/DC/ICP

HP/LPAmpli. A/D

converter

AC/DC/ICP

HP/LPAmpli. A/D

converter

AC/DC/ICP

HP/LPAmpli. A/D

converter

Jeder Kanal besitzt eine eigene Signalkonditionierungs-Hardware. Mittels eines FPGAswerden Pakete generiert, die Checksummen (CHS), Header-Informationen sowieZeitstempel (time stamps) und Daten enthalten. Diese Pakete gelangen über MGTs(Multiple Gigabit Tranceivers) zum Controller Board.

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17Heim Systems GmbH

Controller partController part

CHSHeader

Transport packet

Check CHS

yes

no

Module ID

Module controller

link

DataHeaderCHS TS

DataHeaderCHS TS

Pakete, die vom IO-Board generiert wurden, werden als Erstes durch den Controller auf korrekte Checksumme überprüft. Ist diese Checksumme inkorrekt (fehlerhafteÜbertragung), wird das Paket vom Controller nochmal angefordert.

Danach generiert der Controller ein neues Paket, welches dann zum Linkmodul gesendetwird. Dieses Paket enthält als Zusatzinformation die Modul-ID sowie am Ende eineChecksumme, die wesentlich einfacher aufgebaut ist als die Checksumme innerhalb des Pakets. Dadurch wird eine schnelle Übertragung der Pakete erreicht.

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18Heim Systems GmbH

RecordRecordT0

T0

Power on: Signal Modul generiert Pakete; die Paketgröße hängt von der Bitrate ab

T1

Link Modul sendet ‚Start Nachricht‘ mit zwei Zeit Marker max. delay 50ms

TA1 TB1

Signal Modul sendet die Pakete, die jünger als TB sindWenn alle Pakete die jünger als TA sind gesendet wurden, erfolgt eine ‚ready Nachricht‘ an das Link Modul

T3

T3,5

T4

Erhält das Link Modul von allen Signal Modulen die ‚ready Nachricht‘,wird eine neue ‚Start Nachricht‘ mit TA und TB generiert

TA2 TB2

T6

T6

Beim Ereichen der Marke TB werden keine Pakete mehr von den Signal Modulen gesendet

Time position

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19Heim Systems GmbH

Datenfluß 2Datenfluß 2

C

C C

Short message

Paket

Puls

Broadcast message

Signal Modul Signal ModulLink Modul

Im Normalfall schickt jedes Modul Datenpakete über den Link zum Linkmodul. Die Kommunikation zwischen den Signalmodulen und dem Linkmodul wird dabeidurch „Shortmessages“ realisiert.

Für den Fall, dass der interne Speicher eines Signalmoduls die „High water mark“erreicht (in unserem Beispiel das grüne Modul), wird dem Linkmodul dies per SMSsignalisiert. Als Reaktion wird der Datentransfer des roten Moduls gestoppt, um denSpeicher des grünen Moduls auszulesen und so einen Datenverlust zu verhindern.

Ist der Inhalt des Speichers entsprechend ausgelesen, erfolgt Normalbetrieb.

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20Heim Systems GmbH

Datenfluß 3Datenfluß 3

C

C C

CHS Fehler

Short message

Paket

Puls

Broadcast message

Link Modul Signal Modul Signal Modul

Für den Fall, dass die Checksumme ein fehlerhaftes Datenpaket detektiert (hier rotdargestellt), wird durch das Linkmodul dieses Datenpaket noch mal vomentsprechenden Signalmodul angefordert. Auch hier erfolgt die Kommunikation mittelsSMS.

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21Heim Systems GmbH

DATaRec-4

Applikationen

Heutzutage werden immer höhere Ansprüche hinsichtlich Genauigkeit, Flexibilität und Geschwindigkeit an die Messlabore gestellt. In immer kürzeren Zyklen müssen Prototypen bzw. Modifikationen durchgemessen und Berichte erstellt werden. Durch diese kürzeren Intervalle und die erhöhten Anforderungen wird die Genauigkeit und die jeweilige Kanalanzahl, die gleichzeitig gemessen und verarbeitet werden muss, immer weiter steigen. Des Weiteren werden Systeme benötigt, die den „normalen“ Messtag hinsichtlich der jeweiligen Kanalanzahl ermöglichen, aber auch Systeme, die eine wesentlich größere Kanalanzahl unterstützen. Auch sogenannte Trouble-Shooting-Einsätze sind in vielen Bereichen schon fast an der Tagesordnung. Diese Einsätze werden in den meisten Fällen nur mit einer geringen Kanalanzahl durchgeführt. In diesem Fall muss der Anwender aber extrem flexibel reagieren können, da er nur dort messen kann, wo das Problem auftaucht. Und dieser Einsatzort kann z.B. in einem anderen Land sein. Für diese unterschiedlichen Applikationen musste ein Messlabor bisher unterschiedliche Hardwarekomponenten zur Verfügung haben. Dies bedeutet natürlich eine immense Bindung von Kapital, da ein gewisser Teil der Hardware zwar bevorratet werden muss, aber nicht täglich zum Einsatz kommt. Außerdem können die verschiedenen Hardwarekomponenten in den seltensten Fällen miteinander kombiniert werden, um ein Vielkanalsystem aufzubauen. Die Bedienung ist unterschiedlich, und inwieweit alle Messsysteme das 100% identische Ergebnis liefern, ist fraglich. Neben dem Aspekt, die Genauigkeit weiter zu optimieren, ist der oben aufgeführte Sachverhalt für Heim Systems die Triebfeder gewesen, ein vollkommen neues Konzept im Bereich der Messtechnik zu realisieren.

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22Heim Systems GmbH

Applikation PrüfstandApplikation Prüfstand

Eine typische Applikation für die DATaRec4 Serie ist die Datenerfassung bei Prüfständen. Durch die Möglichkeit der verteilten Messanordnung können die Signalkonditionierungsmodule in Sensor-Nähe innerhalb des Prüfstands angeordnet werden. Mittels nur eines Kabels (Link) können die Daten in diesem Beispiel aus der Kabine zu einem Kontroll- und Analyseraum geleitet werden.

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23Heim Systems GmbH

Applikation PrüfstandApplikation Prüfstand

• Nur ein Kabel aus der Kabine

• Signalkonditionierung in Sensor Nähe

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24Heim Systems GmbH

Applikation FahrversuchLoad Collective Measurement

Applikation FahrversuchLoad Collective Measurement

Zurückgelegte Strecke

Stadt 45 km

Landstraße 100 km

Autobahn 82 KM

Stadt 33%

Landstraße 46%

Autobahn 21%

Ein weiteres Anwendungsgebiet für die DATaRec4 Serie ist der mobile Einsatz wie hier bei einem „load collective measurement“ dargestellt. Die Kompaktheit und Robustheit des Systems gepaart mit hoher Messgenauigkeit bilden hier die wesentlichen Vorteile.

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• Kompaktheit

• Scalierbar

• Kostengünstig

• Hohe Genauigkeit

FahrversuchFahrversuch

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Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!

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