Von Thorsten Beierle

Die lückenlose Erfassung vieler Messsignale in Echtzeit mit hoher Abtastrate und Auflösung sowie synchron und simultan stellt an sich schon eine Herausforderung dar. In einem Fahrzeug, das auf einer Teststrecke mit über 200km/h und entsprechenden Beschleunigungs- und Fliehkräften unterwegs ist oder auf holprigem Terrain fortwährend harten Schlägen und Vibrationen ausgesetzt ist, stößt ein Datenerfassungssystem schnell an seine Grenzen. Problematisch sind hier unter anderem der robuste Aufbau der Hardware sowie die schnelle Archivierung der Messdaten.

Die Basis der von Data Translation gemeinsam mit Partnerunternehmen entwickelte Lösung bildet deswegen ein Embedded-PC im ETX-Formfaktor (100mm × 100 mm), an den die externen Messmodule über USB 2.0 angeschlossen sind. Aufgrund der unvermeidlichen Fliehkräfte, Stöße und Vibrationen werden die Messdaten auf einem fest verlöteten Flashspeicher mit 4GByte Speichervolumen archiviert . Mit seiner Datenrate von 10 MByte/s ermöglicht der Speicher die kontinuierliche Erfassung von beispielsweise 24 analogen Eingängen und weiteren 16 digitalen Eingängen mit 200 kHz pro Kanal.

Die Messtechnik-Hardware besteht aus zwei USB-Desktop-Boxen vom Typ DT9836-12 sowie der grafischen Messtechnik-Software Measure-Foundry. Eine in den Embedded-PC integrierbare Messtechnik-Hardware über PCMCIA-Karte schied wegen der notwendigen hohen Datenraten und wegen des parallelen Bussystems aus.

Synchron starten

Mit wenig Verdrahtungsaufwand lassen sich bis zu vier USB-Messboxen für eine synchrone Erfassung im Nanosekunden-Bereich kombinieren.

Um die bei der Applikation erforderliche Anzahl von 24 simultan und synchron erfassten Kanäle zu realisieren, wurden die zwei Module mit jeweils zwölf Analogeingängen miteinander gekoppelt. Über einen gemeinsamen externen Mastertakt und denselben externen Trigger angesteuert, werden die Messungen und somit auch die Datenaufzeichnungen zeitgleich gestartet. Als externer Trigger fungiert der Digitalausgang einer der USB-Boxen. Ebenso generiert dessen Zähler-/Timer-Ausgang den externen Takt. Mit dieser Konfiguration werden alle 24 Analogeingänge bis auf fünf Nanosekunden genau gleichzeitig gestartet und mit der gleichen Abtastrate erfasst. Auch alle digitalen Ein- und Ausgänge sowie die Counter/ Timer lassen sich damit simultan und synchron erfassen. Über einen USB-2.0-Hub können bis zu vier Messmodule kombiniert werden, was 48 analogen und 32 digitalen Eingängen entspricht. Allerdings ist die maximale Gesamtdatenrate von 10 MByte/s bei der Auslegung zu berücksichtigen: Bei 48 Kanälen sind aber immer noch Abtastraten bis zu 100 kHz pro Kanal möglich.

Die USB-Boxen haben eine einstellbare Abtastrate von bis zu 225 kHz pro Kanal bei 16 Bit Auflösung. Da alle Eingänge über einen separaten A/D-Wandler (simultane Erfassung) verfügen, kommt es bei der Datenerfassung zu keinen Verzögerungen oder Phasenfehlern, wie sie Multiplexer verursachen. Darüber hinaus stehen zwei 500 kHz schnelle analoge Ausgänge zur Verfügung, jeweils 16 digitale I/Os, zwei Counter/Timer mit 32 Bit und drei Quadratur-Decoder. Mit den Decodern lassen sich beispielsweise XY-Positionen und Rotationswinkel bestimmen. Flexible Triggerfunktionen mit Pre- und Post-Trigger sowie ein externer Clock-Eingang komplettieren den Funktionsumfang. Der Anschluss der diversen Sensoren erfolgt entsprechend den harten Anforderungen der Fahrzeugerprobung rüttel- und vibrationssicher über BNC-Anschlüsse.

Software bündelt Messwerte

Die messtechnische Applikation wird mit der grafischen Entwicklungsumgebung Measure-Foundry erstellt. Sie bietet die Möglichkeit, die Kanäle der beiden Messmodule mit einer Synchronisierungsfunktion zu einer einzigen Datenquelle zusammenzufassen. Für alle anderen Software-Funktionen wie Filter, Signalbearbeitung, Kurvendarstellung und Verrechnung erscheinen die Messwerte der beiden Eingangskarten, als ob sie aus einer einzigen Datenquelle stammen würden.

Zwei digitale Eingänge fungieren als Triggerkanäle für den Pre- und Post-Trigger, wobei die Pre-Trigger zur Laufzeit während der Messungen konfiguriert werden können. So lassen sich zum Beispiel alle 24 Kanäle auf ein definiertes Triggersignal hin auf dem Embedded-PC speichern. Das bei der hohen Auflösung und Abtastrate anfallende Datenvolumen liegt bei etwa 10 MByte/s und erfordert ein schnelles Schreiben der Messwerte in Dateien. Die Software realisiert das über eine spezielle Funktion, welche die Messwerte in einem 16-Bit-Binärformat (HPF: High-Performance File Format) mit einer kontinuierlichen Datenrate von bis zu 11,25 MByte/s speichert.

Diese HPF-Dateien können nach den Messfahrten mit Standardprogrammen wieder in andere Formate konvertiert und ausgewertet werden. Als geräte- und hersteller-unabhängige Messtechnik-Software konzipiert, unterstützt Measure-Foundry die Geräte- und Busstandards GPIB, PXI/VXI, USB, PCI, RS 232 und LXI sowie die wesentlichen Treiber-Standards VISA, SCPI und IVI-COM. Über letztere können alle IVI-Geräteklassen angebunden werden: Digital-Multimeter, DC-Netzteile, Signalgeneratoren, Oszilloskope und Spektrum-Analysatoren. Ausführbare Windows-Anwendungen generiert die Software ohne Umweg über einen Compiler direkt aus der Entwicklungsumgebung heraus.

Die realisierte Hard- und Software-Lösung lässt sich den verschiedensten Anforderungen im Fahrversuch oder am Prüfstand hinsichtlich Abtastrate sowie der Anzahl an Ein- und Ausgangskanälen individuell anpassen.

Autor

Thorsten Beierle arbeitet im technischen Vertrieb bei Data Translation in Bietigheim-Bissingen.