Entwicklung eines kompakten Datenerfassungssystems

Die Datenerfassung (DAQ) ist eine Schlüsselfunktion bei einer Vielzahl von Forschungs- und Ingenieurstätigkeiten, die von der Designvalidierung und -verifizierung bis zu beschleunigten Lebensdauertests und Produktionstests reichen. Während die Schlüsselelemente eines DAQ-Systems mit Sensoren, Messhardware und Software vergleichsweise überschaubar sind, kann es im Anschluss komplizierter werden.

Das System muss unter Umständen eine Vielzahl von physikalischen Phänomenen messen und muss daher flexibel und skalierbar sein, gleichzeitig aber auch robust und zuverlässig. Daher ist die Spezifikation und der Aufbau eines DAQ-Systems komplex. Wenn das System überspezifiziert ist, wird es kostspielig und möglicherweise schwerfällig in der Anwendung sein. Ist sie zu wenig spezifiziert, ist sie für aktuelle oder zukünftige Aufgaben ungeeignet. Um dieses Dilemma zu lösen, können die Entwickler einen modularen Ansatz wählen, der mit einem robusten, leistungsstarken Gehäuse mit mehreren Steckplätzen für zusätzliche Verarbeitungsleistung, Funktionen und Vernetzungsoptionen beginnt, die im Laufe der Zeit erforderlich sein können.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Leistungskennzahlen von DAQ-Systemen, die von den Planern beachtet werden müssen. Dazu gehören die Digitalisierung analoger Signale, das Nyquist-Abtasttheorem und Aliasing, Eingangsbereiche, Abtastraten sowie Multiplex- und Simultanabtastung. Anschließend wird ein modularer Ansatz vorgestellt, der auf einem CompactDAQ-Chassis von National Instruments, analogen und digitalen I/O-Modulen sowie Softwarekomponenten wie Entwicklungsumgebungen, Treibern und Analyse-/Protokollierungstools basiert.

DAQ-Anforderungen und Leistungsmetriken

Wie bereits erwähnt, besteht ein DAQ-System auf einer grundlegenden Ebene aus Sensoren, Signalaufbereitung, Analog/Digital-Wandlern (ADCs), Prozessoren und zugehöriger Software (Abbildung 1). Die Aufgabe der Entwickler besteht darin, die Systemelemente auf die zu messenden und zu analysierenden Daten abzustimmen und dabei die Kosten und die Einrichtungszeit im Griff zu behalten.

Abbildung 1: DAQ-Systeme bestehen aus Sensoren, DAQ-Messgeräten, die für die Signalaufbereitung und Datenumwandlung sorgen, und Computerressourcen, die Treiber und Anwendungssoftware umfassen. (Bildquelle: NI)

Um die Elemente aufeinander abzustimmen, ist es wichtig zu verstehen, dass Präzision, Signalamplitude und Signalfrequenz die grundlegenden Parameter eines DAQ-Systems sind. Dies entspricht der Messauflösung, dem Messbereich bzw. der Messrate. Bei vielen Anwendungen ist die Auflösung das wichtigste Kriterium. Die Auflösung definiert die Anzahl der verfügbaren Messwerte. Beispielsweise kann ein Gerät mit 3-Bit-Auflösung 8 mögliche Werte (2³) messen, während ein Gerät mit 6-Bit-Auflösung 64 (2⁶) mögliche Werte messen kann (Abbildung 2). Eine höhere Auflösung führt zu Messungen, die das Signal genauer wiedergeben.

Abbildung 2: Die Präzision eines Messgeräts entspricht der Auflösung; ein Messgerät mit 6-Bit-Auflösung liefert die 8-fache Menge an Informationen (8-mal so präzise) wie ein Gerät mit 3-Bit-Auflösung. (Bildquelle: NI)

Ein bestimmter ADC wird so eingestellt, dass er über einen bestimmten Eingangsbereich misst, z. B. ±10 Volt, und die Auflösung des DAQ-Geräts gilt für den gesamten Bereich. Wenn eine Messung über einen kleineren Bereich, z. B. ±2 Volt, durchgeführt wird, ergibt sich eine Messung mit einem Bruchteil (in diesem Fall etwa 20 %) der angegebenen Auflösung des Messgeräts (Abbildung 3). Die Verwendung eines Messgeräts mit wählbaren Eingangsbereichen kann dieses Problem lösen. Übliche Eingangsbereiche sind ±10 Volt, ±5 Volt, ±1 Volt und ±0,2 Volt. Die Skalierung des Eingangsbereichs auf den Signalbereich führt zu einer besseren Messqualität.

Abbildung 3: Die Verwendung eines Messgeräts mit 3-Bit-Auflösung und einem Bereich von ±10 Volt (rote Linien auf der linken Seite und gelbe gestrichelte Linien am oberen bzw. unteren Ende des Bereichs) zur Messung eines ±2-Volt-Signals (weiße Sinuskurve) führt zu einem erheblichen Verlust an Genauigkeit. (Bildquelle: NI)

Abtastrate, Nyquist und Überabtastung

Die Abtastrate ist die Rate, mit der der ADC den analogen Eingang in digitale Daten umwandelt. Abtastrate und Auflösung können umgekehrt korreliert sein. Höhere Abtastraten sind oft nur durch eine Verringerung der Auflösungsbits möglich, da eine höhere Rate dem ADC weniger Zeit für die Digitalisierung des Signals lässt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Abtastrate zu optimieren.

Das Nyquist-Abtasttheorem ist hier hilfreich: Es besagt, dass eine Abtastrate, f_s, die das Doppelte der maximalen Signalfrequenz übersteigt, zu einer genauen Messung der Frequenz des ursprünglichen Signals führt. Dies wird als Nyquist-Frequenz f_N bezeichnet. Um die Form und die Frequenz des ursprünglichen Signals genau zu messen, muss f_s nach dem Nyquist-Theorem das 5- bis 10-fache der maximalen Signalfrequenz betragen. Die Verwendung einer höheren Abtastrate als f_N wird als Oversampling (Überabtastung) bezeichnet.

Neben dem Verständnis von f_N sind auch Aliasing und Ghosting Herausforderungen, die bei der Optimierung von f_s zu bewältigen sind. Aliasing ist ein Effekt, der zu Verzerrungen im Spektrum eines abgetasteten Signals führt, weil die Abtastrate zu niedrig ist, um hochfrequente Inhalte genau zu erfassen. Oversampling kann Aliasing beseitigen. Oversampling ist auch nützlich, um schnelle Signalflanken, einmalige Ereignisse und Transienten zu erfassen. Ist f_s jedoch zu hoch, kann bei der Multiplexabtastung ein Phänomen namens Ghosting (Geisterbilder) auftreten.

Bei hohen gemultiplexten Abtastraten wird die Einschwingzeit der einzelnen Eingangskanäle zu einem Faktor. Ghosting tritt auf, wenn die Abtastrate die Einschwingzeit des DAQ-Geräts überschreitet. An diesem Punkt überlagern sich die Signale auf benachbarten Kanälen, was zu Geisterbildern und ungenauen Messungen führt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Auf der linken Seite ist die Abtastrate niedrig genug, um ein angemessenes Einschwingen zwischen den Messungen auf den Kanälen 0 (rot) und 1 (blau) zu ermöglichen. Auf der rechten Seite kommt es zu Geisterbildern, weil die Abtastrate zu hoch ist und Kanal 0 die Messung auf Kanal 1 beeinträchtigt. (Bildquelle: NI)

Die effektive Abtastrate eines DAQ-Geräts wird durch die Wahl einer Simultan- oder Multiplex-Architektur beeinflusst. Bei der gleichzeitigen Abtastung wird ein ADC pro Eingangskanal verwendet und die volle Abtastrate auf allen Kanälen bereitgestellt, unabhängig von der Anzahl der Kanäle (Abbildung 5).

Die gleichzeitige Abtastung ermöglicht die Erfassung mehrerer Signale auf einmal. Eine simultane Architektur ist relativ teuer und umfasst mehr Komponenten, was die Anzahl der in einem einzigen Messgerät verfügbaren Kanäle einschränken kann. In einer Multiplex-Architektur wird ein Multiplexer (Mux) verwendet, um einen einzigen ADC auf alle Kanäle aufzuteilen, wodurch die für jeden Kanal verfügbare maximale Rate reduziert wird. Die Abtastwerte werden nacheinander mit Verzögerungen zwischen den Kanälen erfasst. Multiplex-Architekturen kosten weniger und können zu einem Messgerät mit höherer Kanaldichte führen.

Abbildung 5: Bei der gleichzeitigen Abtastung wird die volle Datenrate auf allen Kanälen bereitgestellt, während bei der gemultiplexten Abtastung die volle Abtastrate auf alle Kanäle aufgeteilt wird, was zu einer niedrigeren Rate pro Kanal führt. (Bildquelle: NI)

Aufbau eines kompakten DAQ-Systems

Der erste Schritt beim Aufbau eines DAQ-Systems ist die Auswahl des CompactDAQ-Chassis. Chassis sind mit verschiedenen Kommunikationsbussen erhältlich, darunter PCI und PCI Express (PCIe), High-Speed-USB, PXI und PXI Express (PXIe) sowie Ethernet 2.0, und verfügen über einen bis 14 Steckplätze für I/O-Module der C-Serie von NI. Das 781156-01 hat beispielsweise acht Steckplätze und eine USB2.0-Schnittstelle (Abbildung 6). Durch einfaches Einstecken von Modulen kann das System um weitere Messarten und Kanäle erweitert werden. Alle Module werden automatisch erkannt und mit dem Taktgeber in der Backplane des Chassis synchronisiert.

Abbildung 6: Das CompactDAQ-Chassis 781156-01 verfügt über acht Steckplätze und eine USB2.0-Highspeed-Schnittstelle. (Bildquelle: NI)

Der Kommunikationsbus ist ein wichtiger Bestandteil der Chassisspezifikation (Tabelle 1). Die von USB gelieferten 60 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) reichen für die meisten Anwendungen aus, und USB ist sehr flexibel und portabel. Ethernet kann längere Kabelstrecken und verteilte Messsysteme in physikalisch großen Anwendungen unterstützen. PCI- und PCIe-Busse ermöglichen den Anschluss von Geräten an einen Desktop-Computer zur Datenerfassung und -analyse. PXI- und PXIe-Busse ähneln den PCI- und PCIe-Bussen, bieten jedoch überlegene Synchronisierungsfunktionen und ermöglichen die Konsolidierung und den Vergleich großer Datenmengen.

Tabelle 1: Die Auswahl des DAQ-Kommunikationsbusses ist ein wichtiger Bestandteil der Chassisauswahl. Der Bus sollte auf die erforderlichen Datenübertragungsraten, Entfernungen und den Bedarf an Portabilität abgestimmt sein. (Bildquelle: NI)

Nach der Auswahl des Chassis können Entwickler aus über 60 Modulen der C-Serie für Mess-, Steuer- und Kommunikationsanwendungen wählen. Es sind Module der C-Serie erhältlich, die an praktisch jeden Sensor oder Bus angeschlossen werden können und hochpräzise Messungen ermöglichen, die den Anforderungen von DAQ- und Steuerungsanwendungen entsprechen (Abbildung 7). Diese im laufenden Betrieb austauschbaren Module bieten eine messspezifische Signalkonditionierung zur Rauschfilterung und Datenisolierung, eine Analog/Digital-Wandlung sowie eine Vielzahl von Eingangsanschlüssen.

Abbildung 7: Module der C-Serie bieten einen einheitlichen Formfaktor, können im laufenden Betrieb in jedes CompactDAQ-Chassis eingesteckt werden und sind mit einer Vielzahl von Eingangsanschlüssen erhältlich, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden. (Bildquelle: NI)

Die Module der C-Serie können für viele Mess- und Steuerfunktionen verwendet werden, darunter:

• Analoge Eingangsmodule verfügen über bis zu 16 Kanäle für die Verbindung mit Spannungs-, Strom- und allgemeinen Sensoren zur Messung von Temperatur, Schall, Dehnung, Druck, Last, Vibration und mehr.
  • Das NI 9239 ist ein vierkanaliges Allzweck-Analogeingangsmodul. Jeder Kanal bietet einen ±10-Volt-Messbereich mit 24-Bit-Auflösung und gibt bei maximaler Abtastrate 50 Kilosamples pro Sekunde (kS/s) an Daten aus.
• Analoge Ausgangsmodule sind mit 2, 4 und 16 Kanälen erhältlich und können zur Erzeugung von Spannungssignalen und zur Steuerung industrieller strombetriebener Aktoren verwendet werden
  • Das NI 9263 ist ein vierkanaliges Analogausgangsmodul mit rückführbarer Kalibrierung des National Institute of Standards and Testing (NIST) sowie Überspannungsschutz, Kurzschlussschutz, schneller Anstiegsgeschwindigkeit und hoher Genauigkeit.
• Digitale Ein- und Ausgabemodule können zum Erzeugen und Lesen von digitalen Signalen verwendet werden. Digitale Eingangsmodule sind mit 4, 6, 8, 16 und 32 Kanälen erhältlich, Ausgangs- und bidirektionale Module werden mit 8, 16 und 32 Kanälen angeboten.
  • Das NI 9423 ist ein achtkanaliges digitales Eingangsmodul, das mit 24-Volt-Signalen kompatibel ist und mit industriellen Logikpegeln und Signalen für den direkten Anschluss an eine Reihe von industriellen Schaltern, Messwandlern, Sensoren und anderen Geräten arbeitet.
  • Das NI 9472 ist ein achtkanaliges digitales Ausgangsmodul, das mit 6- bis 30-Volt-Signalen kompatibel ist und direkt an eine Vielzahl von Industriegeräten wie Aktoren, Relais und Motoren angeschlossen werden kann.

Softwareintegration

Der letzte Schritt beim Aufbau eines kompakten DAQ-Systems ist die Software. Die Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) von NI-DAQmx arbeitet direkt mit einer Vielzahl von Entwicklungsoptionen zusammen, darunter LabVIEW, C, C# und Python. Die API unterstützt den nahtlosen Betrieb aller NI-DAQ-Geräte und minimiert den Aufwand für die Neuentwicklung bei Hardware-Upgrades oder -Änderungen. Darüber hinaus bietet sie Zugriff auf Dokumentation, Hilfedateien und zahlreiche fertige Softwarebeispiele, um die Anwendungsentwicklung voranzutreiben.

Die Entwickler können den für jedes Projekt erforderlichen Programmieraufwand selbst bestimmen (Abbildung 8). Die Datenprotokollierungssoftware FlexLogger bietet eine intuitive, auf Sensoren ausgerichtete Entwicklungsumgebung, die für benutzerdefinierte Analysen in LabVIEW von NI integriert werden kann. Die Verwendung von LabVIEW bietet die Möglichkeit, Hardware mithilfe interaktiver Analysepanels zu konfigurieren oder eine voll funktionsfähige Programmierumgebung zu nutzen. Fortgeschrittene Entwickler können die meisten Programmiersprachen verwenden, um eine direkte Schnittstelle zur DAQmx-API zu schaffen, die eine individuelle Anpassung und Leistung ermöglicht.

Abbildung 8: Ein Flussdiagramm zur Auswahl von DAQ-Software zeigt, wie Entwickler den Grad der Programmierung, den sie für jedes Projekt vornehmen möchten, einstellen können. (Bildquelle: NI)

Fazit

Die Entwicklung eines DAQ-Systems kann eine komplexe Aufgabe sein, wenn man von Grund auf neu beginnt. Sensoren, Signalkonditionierung, Verarbeitung, I/O und Software müssen der jeweiligen Aufgabe gerecht werden und gleichzeitig Änderungen und Erweiterungen im Laufe der Zeit zulassen. Anstatt die Elemente zusammenzufügen, können Entwickler einen modularen Ansatz wählen, um schnell und effizient ein kompaktes DAQ-System zu entwickeln, das Sensoren, Hardware und Software umfasst, die alle im Laufe der Zeit ausgetauscht werden können, wenn sich die Anforderungen der Anwendung ändern.

Darüber hinaus unterstützt der in diesem Artikel vorgestellte Ansatz verschiedene Kommunikationsbusse, einschließlich PCI und PCIe, High-Speed USB, PXI und PXIe sowie Ethernet 2.0, um spezifische Systemanforderungen zu erfüllen. Es verwendet im laufenden Betrieb austauschbare Module zur messspezifischen Signalaufbereitung, um Rauschen zu filtern und Daten zu isolieren, und zur Analog/Digital-Wandlung sowie eine Auswahl an Eingangsanschlüssen. Außerdem ist es flexibel und kann in verschiedene Messsoftware wie LabVIEW, C, C# und Python integriert werden.

Empfohlene Lektüre

1. Entwicklung eines Mehrkanal-Datenerfassungssystems für allgemeine Zwecke