Einführung in die Datenerfassung

Dieses Tutorium gehört zur Reihe "Grundlagen der Messtechnik" (National Instruments Measurement Fundamentals). Mit jedem Tutorium aus dieser Reihe erhalten Sie theoretisches Hintergrundwissen und praktische Beispiele zu einem spezifischen Thema bezüglich gängiger Messanwendungen. Dieses Tutorium bietet Ihnen eine Einführung in die Grundelemente computergestützter Datenerfassungssysteme. Die vollständige Liste mit Tutorien finden Sie auf der Hauptseite Grundlagen der Messtechnik.

Einleitung

Zur Datenerfassung gehören das Erfassen von elektrischen Signalen und das Digitalisieren dieser Signale für die Verwaltung, Analyse und Darstellung auf einem PC. Datenerfassungssysteme gibt es in vielen verschiedenen PC-Technologieformen, so dass Sie bei der Auswahl Ihres Systems sehr flexibel sind. Wissenschaftler und Ingenieure können zwischen PCI-, PCI-Express-,PXI-, CompactPCI-, PCMCIA-, USB-, FireWire-, parallelen oder seriellen Anschlüssen für die Datenerfassung in Prüf-, Mess- und Automatisierungsanwendungen wählen. Beim Aufbau eines einfachen Datenerfassungssystems (Abbildung 1) sind fünf Komponenten zu beachten:

Abb 1. Datenerfassungssystem

Dieses Dokument beschreibt jedes der fünf Elemente eines Datenerfassungssystems und gibt Ihnen eine grundlegende Einführung in die Datenerfassung.

Wandler

Die Datenerfassung beginnt mit der Messung physikalischer Phänomene. Beispiele für solche physikalischen Phänomene sind die Raumtemperatur, die Intensität einer Lichtquelle, der Druck innerhalb einer Kammer, die auf ein Objekt einwirkende Kraft u. v. m. Ein effektives Datenerfassungssystem kann all diese unterschiedlichen Phänomene messen.

Ein Wandler ist ein Gerät, das physikalische Phänomene in messbare elektrische Signale wie beispielsweise Spannung oder Strom umwandelt. Die Fähigkeit eines Datenerfassungssystems, verschiedene Phänomene zu messen, basiert auf Wandlern, die physikalische Phänomene in elektrische Signale umwandeln, welche von der Datenerfassungshardware gemessen werden können. Wandler entsprechen Sensoren im Datenerfassungssystem. Es gibt spezielle Wandler für viele verschiedene Anwendungen, wie beispielsweise für die Messung von Temperatur, Druck oder Flüssigkeitsströmen. Abbildung 2 zeigt eine Auswahl der gängigsten Wandler und die mit ihnen messbaren Phänomene.
 

Abb. 2: Phänomene und verfügbare Wandler

Für verschiedene Wandler müssen unterschiedliche Anforderungen erfüllt sein, damit Phänomene in ein erfassbares Signal umgewandelt werden können. Manche Wandler müssen beispielsweise mit einer Spannung oder einem Strom gespeist werden. Andere Wandler brauchen zur Erzeugung eines Signals vielleicht zusätzliche Komponenten oder sogar ein Widerstandsnetzwerk. Mehr Informationen zu Wandlern erhalten Sie auf ni.com/sensors.

Signale

Ein geeigneter Wandler konvertiert das physikalische Phänomen in ein messbares Signal. Unterschiedliche Signale müssen jedoch auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Aus diesem Grund ist es wichtig, die unterschiedlichen Signalarten und ihre Attribute zu kennen. Signale lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

• Analogsignale
• Digitalsignale

Analogsignale
Ein Analogsignal kann in Bezug auf die Zeit jeden Wert annehmen. Beispiele für Analogsignale sind Spannung, Temperatur, Druck, Schall und Last. Die drei wichtigsten Eigenschaften von Analogsignalen sind Amplitude, Form und Frequenz (Abbildung 3).

Form
Manche Signale werden nach ihrer spezifischen Form – Sinus, Rechteck, Sägezahn und Dreieck – benannt. Die Form eines Analogsignals kann ebenso wichtig sein wie seine Amplitude, denn durch die Messung der Form ist eine vertiefte Analyse des Analogsignals einschließlich der Erfassung der Spitzenwerte, Gleichstromwerte und der Steilheit der Kurve möglich. Signale, bei denen die Form von Interesse ist, verändern sich in Bezug auf die Zeit in der Regel schnell, jedoch ist die Systemgenauigkeit weiterhin wichtig. Die Analyse von Herzschlägen, Videosignalen, Schall, Vibrationen und Schaltkreisreaktionen sind nur einige Anwendungen, bei denen die Signalform gemessen wird.

Frequenz
Sämtliche Analogsignale können nach ihrer Frequenz eingeteilt werden. Im Gegensatz zur Amplitude und Form des Signals ist die Frequenz nicht direkt messbar. Um die Frequenzinformation zu erhalten, muss das Signal mithilfe einer Software analysiert werden. Die Analyse wird gewöhnlich mithilfe eines Algorithmus namens Fourier-Transformation durchgeführt.

Wenn die Frequenz den wichtigsten Informationsbestandteil darstellt, sind sowohl die Genauigkeit als auch die Erfassungsgeschwindigkeit ausschlaggebend. Obwohl die Geschwindigkeit zur Erfassung der Signalfrequenz geringer ist als die Geschwindigkeit, mit der die Signalform erfasst wird, muss das Signal dennoch so schnell erfasst werden können, dass die entsprechende Information während der Erfassung des Analogsignals nicht verloren geht. Die Geschwindigkeit wird durch das so genannte Nyquist-Abtast-Theorem bestimmt. Sprachanalyse, Telekommunikation und Erdbebenanalyse sind typische Anwendungsbeispiele, bei denen die Signalfrequenz bekannt sein muss.

Digitalsignale
Ein Digitalsignal kann in Bezug auf die Zeit nicht jeden beliebigen Wert annehmen. Stattdessen hat ein Digitalsignal zwei mögliche Pegel: High und Low. Digitalsignale entsprechen in der Regel bestimmten Spezifikationen, die die Signaleigenschaften festlegen. Digitalsignale bezeichnet man im Allgemeinen als Transistor-Transistor-Logik (TTL). Die TTL-Spezifikationen weisen ein Digitalsignal bei einem Spannungsniveau zwischen 0 und 0,8 Volt als Low-Pegel und bei einem Spannungsniveau von 2 bis 5 Volt als High-Pegel aus. Zu den Informationen, die mit einem Digitalsignal erfasst werden können, gehören der Zustand und die Rate (Abbildung 4).

Signalkonditionierung

Es ist wichtig, für die Signalkonditionierung die richtige Hardware auszuwählen. Signalkonditionierung wird sowohl in modularer als auch in integrierter Form angeboten (Abbildung 5). Mithilfe von Signalkonditionierungshardware lassen sich eine Reihe wichtiger Aufgaben durchführen:

Weitere entscheidende Kriterien in Bezug auf die Signalkonditionierung betreffen den Gehäusetyp (modular oder integriert), die Leistung, die Anzahl der Ein- und Ausgänge, erweiterte Funktionalität und die Kosten. Zur Unterstützung bei der Suche nach der besten Signalkonditionierungslösung stehen Ihnen unter ni.com/signalconditioning der DAQ Advisor sowie weitere Online-Werkzeuge zur Verfügung.

Abb. 5: Mögliche Hardware für die Signalkonditionierung

Datenerfassungshardware

Die Datenerfassungshardware bildet die Schnittstelle zwischen dem Computer und der Außenwelt. Ihre Funktion besteht hauptsächlich darin, eingehende Analogsignale zu digitalisieren, damit sie vom Computer verarbeitet und analysiert werden können. Weitere Datenerfassungsfunktionen beinhalten:

• Analogeingang/-ausgang
• Digitaleingang/-ausgang
• Counter/Timer
• Multifunktions-Datenerfassungsmodule bieten eine Kombination aus Analog-, Digital- und Counter-I/O-Operationen in einem einzigen Gerät

National Instruments bietet mehrere Hardwareplattformen für die Datenerfassung. Der Desktop-Computer stellt dabei die gängigste Plattform dar. National Instruments zählt zu seiner Produktpalette PCI-Datenerfassungsgeräte, die sich an jeden Desktop-Computer anschließen lassen. Außerdem stellt NI Datenerfassungsgeräte für PXI/CompactPCI her. Dabei handelt es sich um eine robustere modulare Computerplattform, die speziell für Mess- und Automatisierungsanwendungen geeignet ist. Für verteilte Messungen liefert die Compact-FieldPoint-Plattform von National Instruments modulare I/O, Embedded-Betrieb und Ethernet-Datenübertragung. Für tragbare oder PDA-gestützte Messungen nutzen Datenerfassungsgeräte von National Instruments für USB und PCMCIA Laptops oder PDAs mit PocketPC-Betriebssystem (Abbildung 6).

Abb. 6: Hardwareoptionen für die Datenerfassung

Treiber- und Anwendungssoftware

Treibersoftware
Software verwandelt den PC und die Datenerfassungshardware in ein komplettes Werkzeug zur Datenerfassung, -analyse und -darstellung. Ohne Treibersoftware für die Datenerfassungshardware funktioniert diese nicht einwandfrei. Die Treibersoftware ist die Ebene der Software, die eine einfache Kommunikation mit der Hardware zulässt. Sie bildet die mittlere Ebene zwischen der Anwendungssoftware und der Hardware. Treibersoftware sorgt zudem dafür, dass ein Programmierer keine Registerprogrammierung oder komplizierte Befehle eingeben muss, um auf die Hardwarefunktionen zuzugreifen. National Instruments bietet zwei unterschiedliche Softwareoptionen:

• Treibersoftware NI-DAQmx und weitere Messsoftware
• Treibersoftware NI-DAQmx Base

Die Einführung von NI-DAQmx revolutionierte die computergestützte Datenerfassung, denn der Zeitraum vom Beginn der Anwendungsprogrammierung bis zur Inbetriebnahme des fertigen Hochleistungs-Messsystems wurde erheblich verkürzt. Besonders zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang der in NI-DAQmx enthaltene DAQ-Assistent, der Anwender über eine grafische Oberfläche interaktiv durch die Anwendungskonfigurierung und -prüfung sowie anschließende Datenerfassung führt. Sie können mit einem einzigen Mausklick sogar auf Ihren Konfigurationen basierenden Programmcode erzeugen. So erfolgt die Entwicklung komplexer Operationen noch einfacher und schneller. Da der DAQ-Assistent vollständig menügesteuert abläuft, kommt es seltener zu Programmierfehlern. Ferner verringert sich die Zeit von der Einrichtung Ihres Datenerfassungssystems bis hin zur Durchführung der ersten Messung ganz erheblich.

Anwendungssoftware
Die Anwendungsschicht kann entweder eine Entwicklungsumgebung sein, in der Sie eine individuell angepasste und auf spezielle Kriterien ausgerichtete Anwendung erstellen, oder ein konfigurationsbasiertes Programm mit voreingestellter Funktionalität. Durch Anwendungssoftware wird die Treibersoftware um Analyse- und Darstellungsfunktionen erweitert. Zur Auswahl der geeigneten Anwendungssoftware bewerten Sie den Umfang der Anwendung, die Verfügbarkeit konfigurationsbasierter Software, die zur Anwendung passt, sowie die für die zur Entwicklung der Anwendung zur Verfügung stehende Zeit. Falls die Anwendung komplex ist oder es kein Programm dafür gibt, sollten Sie eine Entwicklungsumgebung einsetzen. NI bietet Ihnen drei Softwareentwicklungsumgebungen zur Erstellung kompletter Instrumentierungs-, Erfassungs-, Steuer- und Regelanwendungen:

• LabVIEW mit grafischer Programmiermethodik
• LabWindows/CVI für traditionelle Programmierer in C
• Measurement Studio für Visual Basic, C++ und .NET

Mit der Einführung von SignalExpress hat NI eine konfigurationsbasierte Softwareumgebung vorgestellt, bei der eine Programmierung nicht mehr erforderlich ist. SignalExpress ermöglicht dank der NI-Express-Technologie interaktive Messungen.
Jedes dieser Pakete kann zudem um diverse Add-on-Toolkits für spezielle Funktionalitäten erweitert werden. VI Logger, ein weiteres Produkt von National Instruments, ist ein einfach zu handhabendes und dennoch sehr flexibles Werkzeug für Ihre Datenprotokollierungsanwendungen.

Dazu passende Produkte von NI

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• LabVIEW
• Produkte zur Datenerfassung
• Produkte zur Signalkonditionierung
  
  Thematisch verwandte Links:
  Interaktives Whitepaper: Measurement-Ready DAQ-Systeme
  Tutorium: Grundlagen der Datenerfassung (engl.)
  Tutorium: Grundlagen der Signalkonditionierung für computerbasierte Datenerfassungssysteme (engl.)

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