Drucken
PDFÜbersicht
Ein neuer von der IEEE vorgeschlagener Standard für Sensoren verringert mit IEEE 1451.4 den mit der Sensorkonfigurierung verbundenen Zeit- und Arbeitsaufwand. Der Standard definiert ein allgemein anerkanntes Verfahren, mit dessen Hilfe Sensoren Plug&Play-Fähigkeiten verliehen werden, die der Plug&Play-Technologie entsprechen, über die zum Beispiel eine USB-Maus an einen Computer angeschlossen wird. IEEE 1451.4 legt einen Mechanismus fest, der es Sensoren mit Analogsignalschnittstelle ermöglicht, sich selbst zu identifizieren. Diese so genannte Mixed-Mode-Schnittstelle verbindet den traditionellen Analogausgang mit einer kostengünstigen seriellen Digitalschnittstelle, über die auf das in den Sensor eingebettete elektronische Sensordatenblatt "TEDS" (Transducer Electronic Data Sheet) zugegriffen werden kann. Damit auch die bisher eingesetzten Analogsensoren die Vorteile des "Sensors Plug&Play"-Standards nutzen können, bietet Virtual TEDS deren Datenblatt in elektronischem Dateiformat. Beim Einsatz eines TEDS liefert der Sensor dem Datenerfassungssystem, mit dem er verbunden ist, eine Beschreibung von sich. Von den zusätzlichen Plug&-Play-Fähigkeiten, die Analogsensoren erhalten, profitieren Anwender und Entwickler:
- Schnellerer Systemaufbau
- Verbesserte Diagnostik
- Verringerte Ausfallzeiten bei Austausch und Reparatur von Sensoren
- Erleichterte Ressourcenverwaltung
- Automatisierter Einsatz von Kalibrierdaten
Inhaltsverzeichnis
Der IEEE-Standard IEEE 1451.4
Der Standard IEEE 1451.4 "Mixed-Mode Interface for Smart Transducers" beschäftigt sich mit der Mixed-Mode-Schnittstelle für intelligente Messwertaufnehmer ("Smart-Sensoren") und definiert ein Prinzip, auf Grundlage dessen traditionelle Analogsensoren und -aktoren die Fähigkeit zur Selbstidentifizierung erhalten. Als gemeinsame Entwicklung von Sensorherstellern, Lieferanten und Anwendern von Messhard- und -software legt IEEE 1451.4 das Konzept eines Mixed-Mode-Sensors fest, der sowohl eine Analog- als auch eine Digitalschnittstelle besitzt. Die Analogschnittstelle liefert auf herkömmliche Weise ein elektrisches Signal, in das eine physikalische Größe (wie z. B. Temperatur, Druck oder Kraft) umgewandelt wurde.
Ein intelligenter TEDS-Sensor gemäß IEEE 1451.4 jedoch bietet auch eine Digitalschnittstelle für die Kommunikation mit einem in den Messwertaufnehmer eingebetteten Speicherchip. Auf diesem Chip sind die binären TEDS-Informationen, die den Sensor oder Aktor identifizieren und beschreiben, gespeichert. Das TEDS enthält Informationen wie Herstellerdaten, Sensormodellnummer, Seriennummer, Messbereich und -empfindlichkeit sowie Kalibrierdaten.
Abb. 1: Intelligenter TEDS-Sensor mit eingebettetem TEDS-EEPROM
Bisher mussten bei der Installation und Konfiguration eines Messsystems Sensordaten wie Messbereich- und -empfindlichkeit oder Skalierungsfaktoren manuell eingegeben werden, damit die Software in der Lage war, die Sensordaten zu konvertieren und interpretieren. Jetzt kann ein mit einem intelligenten TEDS-Sensor ausgestattetes System diesen Konfigurationsschritt automatisch durchführen und dadurch gleichzeitig die allgemeine Integrität und Zuverlässigkeit des Systems erhöhen.
Während andere Smart-Sensor-Technologien zwar auch Plug&Play unterstützen, unterscheidet sich der IEEE-1451.4-konforme Sensor von diesen insofern, als dass er den Analogausgang des Sensors beibehält. Aus diesem Grund kann ein intelligenter TEDS-Sensor mit älteren Systemen, die noch mit Analogschnittstellen ausgerüstet sind, eingesetzt werden. Die unkomplizierte Implementierung von Smart TEDS gemäß IEEE 1451.4 bietet den wesentlichen, praktischen Vorteil, dass ältere Sensoren leicht nachgerüstet werden können.
Die beiden Hauptkomponenten des IEEE-Standards 1451.4 sind standardisierte elektronische Sensordatenblätter (TEDS) und die Mixed-Mode-Schnittstelle.
TEDS (Transducer Electronic Data Sheet
Das Kernstück des IEEE-Standards 1451.4 besteht in der Definition des elektronischen Datenblatts TEDS, der Informationsstruktur, die die für Plug&Play erforderlichen Sensordaten enthält. Der Zugang zum TEDS, das in der Regel in einem in den Sensor eingebetteten EEPROM gespeichert ist, erfolgt über das Messsystem via einer einfachen, kostengünstigen seriellen Schnittstelle.
IEEE 1451.4 gibt eine TEDS-Struktur vor, die sehr kompakt und doch flexibel sowie erweiterbar ist, so dass sie eine Vielzahl verschiedener Sensorarten und -anforderungen handhaben kann. Die TEDS-Informationen werden in mehrere Hauptabschnitte unterteilt. Der erste Speicherabschnitt des TEDS, das so genannte Basic TEDS, umfasst die zur Sensoridentifizierung benötigten Basisinformationen wie Herstellerdaten, Modellnummer und Seriennummer des Sensors. Dem Basic TEDS kann ein IEEE-konformes Standard-TEDS, das die spezifischen "Datenblatt-" Informationen für die Sensoren enthält, angefügt werden - in der Regel sind das die Daten, die zur Konfigurierung der elektrischen Schnittstelle und der Umwandlung der Messdaten in technische Einheiten erforderlich sind. Zu den TEDS-Parametern gehören in der Regel Messbereich, elektrischer Ausgangsbereich, Messempfindlichkeit, Leistungsanforderungen und Kalibrierdaten. Im Abschnitt "Standard-TEDS" sind sämtliche Informationen gespeichert, die zur Messdatenerfassung mit Sensoren notwendig sind.
Der IEEE-Standard spezifiziert eine Reihe als Vorlagen definierter Standard-TEDS-Formate für verschiedene Sensorarten. Diese Vorlagen dienen dem Messsystem als Mittel zur Umwandlung der Binärdaten, die im EEPROM (oder einer Virtual-TEDS-Datei) eines intelligenten Sensors abgelegt sind, in verwertbare Spezifikationen für diesen Sensor. Zu Verfügung stehen IEEE-Standardvorlagen für IEPE-Beschleunigungsmesser und -Mikrofone (mit Konstantstrom-Speisung), IEPE-Drucksensoren, Wheatstone-Brücken-Sensoren, Dehnungsmessstreifen, Last-/Kraftaufnehmer, Thermoelemente, RTDs, Thermistoren, LVDTs/RVDTs, Widerstandssensoren bis hin zu verstärkten Sensoren (jeder Art) mit Spannungs- und Stromausgängen. Der Standard erlaubt Herstellern auch die Definition individueller untergeordneter Vorlagen (Subtemplates) für die Speicherung spezieller Parameter und Anforderungen. Sie können anstelle der Standardvorlagen oder zusätzlich zu diesen verwendet werden.
Der letzte Speicherabschnitt des TEDS ermöglicht es schließlich dem Anwender, zusätzliche, im Sensor abgelegte Daten und Informationen zu speichern. Diese Funktion ist besonders wertvoll, sollen im Sensor abgelegte anwenderspezifische Informationen wie Sensorstandort (als ID-Code) oder zusätzliche Wartungsinformationen gespeichert werden.
Mixed-Mode-Schnittstelle nach IEEE 1451.4
Ein dem IEEE-Standard 1451.4 entsprechender intelligenter TEDS-Sensor ist mit einer Mixed-Mode-Schnittstelle ausgestattet, die sowohl einen Analogkanal (zur Signalerfassung) als auch einen seriellen Digitalkanal (zum Abruf der digitalen TEDS-Informationen) bietet. Der Standard definiert zwei Arten von Mixed-Mode-Schnittstellen: Schnittstellen der Klassen 1 und 2.
Klasse-1-Schnittstellen sind in erster Linie für konstantstromgespeiste piezoelektrische Messwertaufnehmer (Beschleunigungsmesser, Mikrofone usw.) bestimmt und definieren ein Schema für das sequenzielle Schalten zwischen Analogmodus und Digital-TEDS-Modus auf einem Leitungspaar des Messwertaufnehmers. Konstantstromgespeiste Messwertaufnehmer, im Allgemeinen als integrierte Elektronik für piezoelektrische Messwertaufnehmer (IEPE-Aufnehmer) bezeichnet, verfügen über eine interne Signalkonditionierung, die mit vom Messsystem über die Signalleitungen geliefertem Konstantstrom versorgt wird. Messwertaufnehmer der Klasse 1 nutzen diesen De-facto-Analogstandard insofern, als dass sie das TEDS um einen Schalter ergänzen, der durch die Stromrichtung der Spannungsquelle gesteuert wird (siehe Schaltbild in Abbildung 2). Durch Umkehr der Stromrichtung schaltet das Messsystem den Sensor in den Digital-TEDS-Modus.
Abb. 2: Klasse-1-Schnittstelle mit zwei Leitungen für ICP-Sensoren
Die meisten Sensortypen implementieren eine Form der Klasse-2-Schnittstelle, die zusätzliche Leitungen für die Digital-TEDS-Kommunikation benötigt. Der Analogeingang/-ausgang des Messwertaufnehmers bleibt dabei unverändert, während die mit zwei Leitungen versehene TEDS-Schnittstelle parallel zur Analogschnittstelle geschaltet wird. Dieser Ansatz ermöglicht die Einbindung von TEDS in praktisch alle verstärkten und unverstärkten Sensoren oder Aktoren, wie beispielsweise Thermoelemente, RTDs, Thermistoren, Brückensensoren, elektrolytische Zellen und Stromschleifensensoren mit 4-20 mA. Dank des "Add-on"-Ansatzes der Klasse-2-Klassifizierung ist es sehr einfach, vorhandene Sensoren mit einer Reihe von Geräteoptionen nachzurüsten. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für die Implementierung einer Mixed-Mode-Schnittstelle der Klasse 2 bei einem Brückensensor.
Abb. 3: Klasse-2-Schnittstelle mit mehreren Leitungen bei einem Brückensensor
Der Digitalbereich der Mixed-Mode-Schnittstelle (Klasse 1 oder Klasse 2) basiert auf dem "1-Wire"-Protokoll von Maxim/Dallas Semiconductor. Dabei handelt es sich um ein sehr einfaches und kostengünstiges Protokoll, das die serielle Master-Slave-Kommunikation definiert. Es sieht vor, dass ein einziges Master-Gerät (z. B. das Messsystem) über eine einzige (bidirektionale) Leitung Strom führt und alle Transaktionen mit den einzelnen Knoten entsprechend einer definierten Transaktions-Timingsequenz initiiert. Auf dem Markt verfügbare 1-Wire-EEPROMs bieten kostengünstige 2-Draht-Lösungen, die die Integration von TEDS in Sensoren ermöglichen. Maxim/Dallas Semiconductor stellt zwei solcher EEPROMs her, das DS2430 (256 bit) und das DS2433 (4 kbit).
Virtual TEDS
National Instruments und Sensorhersteller auf der ganzen Welt wissen um den Vorteil des TEDS-Konzepts, das die Beschreibung von Sensoren standardisiert. Die TEDS-Datenstruktur kann jeden Analogsensor beschreiben, unabhängig davon, ob sich das TEDS physisch auf einem in den Sensor eingebetteten EEPROM befindet oder nicht.
Bei Virtual TEDS wird die TEDS-Datei nicht auf einem EEPROM, sondern auf einem lokalen Computer oder einer vernetzten Datenbank gespeichert. Dadurch können auch bei einer breiten Basis älterer Analogsensoren die Vorteile von TEDS genutzt werden, ohne dass das System mit einem embedded EEPROM nachgerüstet werden müsste. Virtual TEDS ist auch in solchen Anwendungen wertvoll, in denen die Betriebsbedingungen des Sensors den Einsatz elektronischer Bauteile wie etwa EEPROMs im Sensor verhindern.
Abb. 4: Zugang zum virtuellen TEDS über Netzwerk
"Sensors Plug&Play"-Hardware für intelligente TEDS-Sensoren
Virtual- und Smart-TEDS-Sensoren finden immer häufiger Einsatz in einer Vielzahl von Prüf- und Messanwendungen. Intelligente TEDS-Sensoren werden derzeit von zahlreichen Herstellern angeboten. National Instruments bietet sowohl Hard- als auch Software, die in der Lage ist, Virtual- und Smart-TEDS-Informationen zu lesen und zu schreiben.
Drei neue, dem "Sensors Plug&Play"-Standard entsprechende Hardwareprodukte wurden zusätzlich mit der seriellen Kommunikationsschnittstelle für intelligente TEDS-Sensoren ausgestattet. Beim Modul NI SCXI-1314T handelt es sich um einen Anschlussblock zur Frontmontage für das Brückensensor-Eingangsmodul NI SCXI-1520. Dieser achtkanalige Anschlussblock verfügt über eine TEDS-fähige Schnittstelle zur Verbindung von intelligenten TEDS-Sensoren mit dem Universaleingangsmodul SCXI-1520. Das Modul SCXI-1314T bietet eine unkomplizierte I/O-Schnittstelle, die den Anschluss von bis zu acht Brückensensoren oder Dehnungsmessstreifen über RJ-50-Ethernet-Stecker ermöglicht.
Beim NI BNC-2096 handelt es sich um einen Anschlussblock zur Montage in einem 19-Zoll-Rack für intelligente TEDS-Sensoren der Klasse 1 wie etwa Smart-TEDS-basierte Beschleunigungsmesser und Mikrofone. Es ist ein Front-End-Gerät für IEPE-Signalkonditionierungsmodule wie zum Beispiel die Module PXI-4461, PXI-4472 und SCXI-1530/1 von National Instruments. Das BNC-2096 gestattet den Anschluss von bis zu 16 intelligente TEDS-Sensoren.
"Sensors Plug&Play"-Software
Führende Sensorhersteller und National Instruments nutzen eine einheitliche TEDS-Softwareplattform, um Interoperabilität beim Schreiben und Lesen von Daten IEEE-1451.4-konformer Geräte sicherzustellen. Alle Datenerfassungs- und Signalkonditionierungsprodukte, die mit dem Logo "Sensors Plug&Play" versehen sind (siehe Abbildung 7), sind mit sämtlichen "Sensors Plug&Play"-Produkten kompatibel.
Abb. 6: Logo für "Sensors Plug&Play"-Produkte: Zeichen für Kompatibilität und Interoperabilität
Für die Messtechnik konzipierte Treibersoftware NI-DAQmx
Auch die neuen Versionen der von National Instruments speziell für die Prüf- und Messtechnik konzipierten Software - der Treibersoftware NI-DAQmx und der grafischen Entwicklungssoftware LabVIEW - fördern die Durchsetzung der TEDS-Technologie, indem sie "Sensors Plug&Play"-Geräte unterstützen. NI-DAQmx 7.2 unterstützt vollständig dem IEEE-Standard 1451.4 entsprechende Virtual- und Smart-TEDS-Sensoren. Die Funktion, die das Lesen von TEDS ermöglicht, wurde in den Measurement & Automation Explorer (MAX), den DAQ Assistant und die TEDS-Bibliothek für LabVIEW integriert. Sie gestattet per Mausklick die automatische Erfassung der Sensor- und TEDS-bezogenen Informationen eines oder mehrerer Virtual- oder Smart-TEDS-Sensoren.
Für die Messtechnik konzipierte Treibersoftware NI-DAQmx
Während der TEDS-Standard die Kommunikation zwischen dem Modul und den Sensoren definiert, liefert NI-DAQmx die Schnittstelle, die das Lesen der Sensordaten und die automatische Skalierung dieser Daten in physikalische Einheiten ermöglicht, und erübrigt damit die manuelle Eingabe der Sensordaten von Datenblättern, die im Papierformat vorliegen. Sobald die Sensoren mit der "Sensors Plug&Play"-Hardware verbunden sind, kann der Anwender die Daten vom intelligenten TEDS-Sensor herunterladen -- entweder über einen Mausklick auf eine Schaltfläche im Measurement & Automation Explorer oder die Verwendung eines Funktionsaufrufs in der Entwicklungsumgebung. Abbildung 8 zeigt die MAX-Schnittstelle für das Scannen und Konfigurieren von sowohl Virtual- als auch Smart-TEDS-Sensoren, die mit dem Modul SCXI-1314T verbunden sind.
Abb. 7: TEDS-Konfiguration für SCXI-1314T bei NI-DAQmx
Über den Measurement & Automation Explorer können intelligente TEDS-Sensoren interaktiv gescannt und die Smart-TEDS-Daten in den Computerspeicher geladen werden; über NI DAQmx in LabVIEW hingegen lassen sich TEDS-Daten programmatisch lesen, schreiben und umprogrammieren. Die in LabVIEW verfügbaren Funktionen erlauben den Abruf des TEDS-Datenstroms als Bit-Strom. Die Möglichkeit der TEDS-Umprogrammierung von LabVIEW aus ist sinnvoll, sollen Kalibrierinformationen aktualisiert oder anwenderdefinierte Informationen wie zum Beispiel der Standort des Sensors digital gespeichert werden.
Abb. 8: Unterpalette "NI-DAQmx TEDS"
TEDS-Bibliothek für LabVIEW
Während die Unterpalette "NI-DAQmx TEDS" die grundlegenden Funktionsaufrufe, die zur programmatischen Konfiguration eines Mess- und Automatisierungssystems erforderlich sind, bereitstellt, bietet die gesonderte Unterpalette "TEDS" zusätzliche Werkzeuge zur Bearbeitung von TEDS und zur Erstellung virtueller TEDS. Wurde der Bit-Strom des intelligenten TEDS-Sensors in LabVIEW eingelesen, kann der Anwender eine Vielzahl TEDS-spezifischer Operationen durchführen wie den Abruf spezifischer Eigenschaften, Parsen des Bit-Stroms und Erstellung eines neuen TEDS. In Abbildung 10 dargestellt ist die TEDS-Palette der obersten Ebene mit einigen der verfügbaren Funktionen.
Abb. 9: Die VI-Palette der TEDS-Bibliothek für LabVIEW
Mithilfe der Funktionen von NI-DAQmx und der TEDS-Bibliothek für LabVIEW kann zum Beispiel eine Anwendung erstellt werden, die das Einlesen der TEDS-Informationen eines bestimmten Sensors, das Parsen eines Bit-Stroms auf Basis der entsprechenden Sensorvorlage und die Anzeige der TEDS-Informationen im Tabellenformat ermöglicht. Abbildung 11 zeigt das Blockdiagramm dieser Anwendung.
Abb. 10: TEDS-LabVIEW-Beispiel
Zusammenfassung
Der IEEE-Standard 1451.4 definiert ein relativ einfaches, unkompliziertes Prinzip zur Integration intelligenter Plug&Play-Funktionalität in traditionelle Analogsensoren. Auf "Sensors Plug&Play" basierende Hardware, Software und Sensoren bieten wesentliche Vorteile im Hinblick auf Bedienfreundlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Davon profitieren sowohl Systeme mit nur wenigen Sensoren als auch solche mit hoher Kanalanzahl und Tausenden Sensoren. In Übereinstimmung mit dem Standard fertigen viele Hersteller wie National Instruments "Sensors Plug&Play"-Produkte für sowohl Virtual- als auch Smart-TEDS-Sensoren.
Weitere Informationsquellen:
Englischsprachige Seite zu "Sensors Plug&Play"
AGB
Dieses Tutorium ("Tutorium") wurde von National Instruments ("NI") entwickelt. Auch wenn National Instruments dieses Tutorium technisch unterstützt, ist es jedoch möglich, dass dieses Tutorium nicht umfassend getestet und überprüft wurde. NI übernimmt weder Garantien bezüglich der Qualität des Tutoriums noch bezüglich der weiteren technischen Unterstützung neuer Versionen ähnlicher Produkte und Treiber. DIESES TUTORIUM WIRD IM "IST-ZUSTAND" ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN AUF NI.COM (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/).