Von USB bis Embedded – Einsatz von Systemen mit Hardware der C-Serie

Die NI-Plattform der C-Serie umfasst 36 Messmodule und 7 verschiedene Chassis. Die möglichen Konfigurationen können sich in Größe und Komplexität erheblich unterscheiden: von einfachen vierkanaligen Temperaturaufnehmern bis hin zu Steuersystemen mit hoher Kanalanzahl und extrem hoher Geschwindigkeit.

	Chassis	Anwendungen	Programmier- erfahrung
	USB-Modulträger	Mobil, kleine Kanalanzahl	Nicht erforderlich
	CompactDAQ	Universelle Datenerfassung mit verschiedenen Sensoren, Steuerung, Regelung, Hochgeschwindigkeits- datenerfassung, mobile Systeme bis zu 256 Kanäle	Nicht erforderlich
	Erweiterungschassis der R-Serie	Große, komplexe Prüfsysteme, deterministische Steuerung und Erfassung, Produktionstests	Vertraut mit der Programmierung in LabVIEW
	CompactRIO	Protokollierung am und im Fahrzeug, Rapid Control Prototyping, erweiterte Steuereinheiten, anwenderdefiniertes Design	Vertraut mit der Programmierung in LabVIEW

 

Module der C-Serie

Übersicht

Über 36 Module der C-Serie stehen für verschiedene Messungen zur Verfügung, darunter Messungen mit Thermoelementen, Spannungs-, RTD-, Strom-, Widerstands-, Dehnungs- und digitale (TTL und andere) Messungen sowie Messungen mit Beschleunigungsmessern und Mikrofonen. Die Kanalanzahl an den einzelnen Modulen bewegt sich zwischen 4 und 32, so dass die Anforderungen unterschiedlichster Systeme abgedeckt werden. Die kleinen Module der C-Serie kombinieren Signalkonditionierung, -anbindung und Datenerfassung für jede spezielle Art von Messung. Diese Module passen in jedes beliebige Chassis der C-Serie. Unterschiedliche Kanalanzahlen und Messarten innerhalb eines Systems erhält man, wenn die gewünschten Module ausgewählt und in eines von mehreren verfügbaren Systemen der C-Serie installiert werden. So sind Systeme, die auf der Plattform der C-Serie basieren, vom Endanwender äußerst individuell anpassbar.

Anschlussmöglichkeiten

Die Module der C-Serie können auf verschiedene Arten verbunden werden. Manche Modelle bieten sogar mehrere Anschlussmöglichkeiten. Keines der Module erfordert Anschlussblöcke. So ist insgesamt eine Komponente weniger nötig und die Installation wird vereinfacht. In manchen Fällen können die Module mit Kabeln wie BNC, D-SUB oder RJ-50 verwendet werden. Folgendes Bild zeigt, von links nach rechts, ein 8-Kanal-Modul mit Schraubklemmenanschlüssen, eine 4-Kanal-Modul mit BNC-Anbindungen und ein 32-Kanal-Modul mit einem D-Sub-Anschluss.

Module der C-Serie mit Schraubklemmenanschluss, BNC- und D-Sub-Anbindung

USB-Chassis

Übersicht

Das Modulchassis und das CompactDAQ-Chassis sind unter allen Datenerfassungssystemen am einfachsten zu installieren. Der Treiber NI-DAQmx und die enthaltene Software LabVIEW SignalExpress LE erkennen und konfigurieren ein installiertes C-Serien-Modul automatisch. Nach nur ein paar Mausklicks können Anwender Daten protokollieren oder ihre Messungen in einem anwenderdefinierten Display anzeigen. Neben der im Lieferumfang enthaltenen Software können USB-Geräte mit LabVIEW, ANSI C, C#, VB 6.0 oder .NET programmiert und für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden. Beispielprogramme sind sowohl für grafische als auch für textbasierte Sprachen vorhanden, um die Codeerstellung noch einfacher zu machen. Das Einmodulgehäuse benötigt kein separates Netzteil. Der USB-Anschluss am Host-Computer liefert die erforderliche Spannung. Somit ist diese Lösung ideal für mobile Anwendungen.

Einmodul-USB-Chassis der C-Serie

Nachteile

Der größte und beinahe einzige Nachteil besteht darin, dass nicht alle Module der C-Serie mit dem Einmodulgehäuse kompatibel sind. Eine Liste kompatibler Module steht hier zur Verfügung: Unterstützte Module der C-Serie. Das Zeichen * neben der Modulnummer bedeutet, dass das Modul vom Einmodulgehäuse unterstützt wird.

Zielgruppe

Das Einmodulgehäuse der C-Serie eignet sich für Anwender, die eine kostengünstige Lösung mit der C-Serie benötigen, nur wenige Kanäle brauchen und/oder auf ein mobiles System angewiesen sind, da das Chassis über den USB-Anschluss von einem Windows-basierten Laptop mit Spannung versorgt wird.

CompactDAQ

Übersicht

NI CompactDAQ, USB-Technologie von NI und NI-Hardwaretreiber bieten eine einfache Möglichkeit, um die Messungen von einem Modul der C-Serie auf einen PC/IPC oder ein anderes Windows-basiertes Gerät zu übertragen. Bei NI CompactDAQ handelt es sich um ein Chassis, das sich über USB an alle Geräte und alle Computer anschließen lässt, die unter einer Windows-Vollversion laufen. Es kann bis zu 8 Module der C-Serie aufnehmen. Alle Module sind miteinander kompatibel, so dass sie in einem Chassis nach Belieben kombiniert und alle speziellen Anforderungen an Kanalanzahl und Messarten abgedeckt werden können. Diese Plattform wird mit einem Standardtreiber, nämlich NI-DAQmx, programmiert. Diese API lässt sich mit mehreren Sprachen, darunter C++, .NET, VB und LabVIEW, einfach implementieren. Die meisten mit NI-DAQmx geschriebenen Datenerfassungsprogramme können innerhalb weniger Minuten in Betrieb genommen werden, sogar von LabVIEW-Neulingen.

NI CompactDAQ, verbunden mit einem kleinen Laptop

Nachteile

Ein Nachteil der Plattform NI CompactDAQ sind kleine Beschränkungen bei der Geschwindigkeit mancher Module, wenn das Chassis voll besetzt ist, oder wenn ein Chassis insgesamt 16 Analogausgangskanäle integriert. Die tatsächliche Systemleistung kann mithilfe des CompactDAQ System Advisors bestimmt werden, indem man die jeweils verwendeten Modultypen und die Kanalanzahl eingibt. Weitere Informationen über die Funktionsweise von CompactDAQ bietet das Whitepaper Drei Technologien zur Verbesserung der USB-Leistungsfähigkeit.

Zielgruppe

NI CompactDAQ eignet sich für die meisten Datenerfassungssysteme, die für universelle Messungen im Labor, in der Prüfkammer, vor Ort als tragbare Einheit oder als I/O-Einheit implementiert für eine größere Maschine eingesetzt werden. Das robuste Design und die kompakte Größe machen CompactDAQ zu einer guten Wahl für Maschinen- und Systementwickler, die einfach zu implementierende Standardkomponenten suchen, welche sich trotzdem noch in gewissem Umfang individuell anpassen lassen. Aufgrund des enthaltenen AC-Adapters und der DC-Stromanforderungen ist das Chassis bezüglich der Stromversorgung sehr flexibel. Beispielsweise wurden bereits Systeme entwickelt, die Strom von einer Autobatterie oder sogar, bei Tests im Fahrzeug, von wiederaufladbaren Batterien beziehen.

CompactRIO

Übersicht

NI CompactRIO bietet eine anspruchsvolle und flexible Plattform für Module der C-Serie mit ähnlichen Abmessungen wie CompactDAQ. Zwar läuft die Implementierung etwas anders ab, aber ein CompactRIO-System umfasst die gesamte Funktionalität der CompactDAQ-Plattform und übertrifft dessen Leistung bei weitem. CompactRIO ist eine chassisbasierte Plattform für Module der C-Serie. Hier hören die Ähnlichkeiten zu CompactDAQ jedoch auch schon auf. CompactRIO hat keine USB-Schnittstelle zum PC und die Ein- und Ausgänge werden nicht mit NI-DAQmx programmiert. Stattdessen wird ein Controller am Chassis befestigt, so dass eine komplette, alleinstehende Einheit für die Erfassung, Verarbeitung, Steuerung und Regelung von Daten entsteht. Die Controller-Optionen für die Plattform werden separat angeboten. Ihre Spezifikationen unterscheiden sich in Bezug auf Größe des Flash-Speichers, Prozessorgeschwindigkeit und RAM. Anstelle eines Standardbetriebssystems wie etwa Windows führt dieser Controller ein Echtzeitbetriebssystem aus. Besonders für Steuer- und Regelanwendungen ist das wichtig, denn nur so werden deterministischer Betrieb und zuverlässiger Serieneinsatz möglich. Durch die Möglichkeit, eine LabVIEW-Anwendung auf den Controller herunterzuladen, ist dieser vollständig programmierbar.

CompactRIO ist speziell für den Betrieb in rauen Umgebungen konzipiert. Ein komplettes CompactRIO-System mit acht C-Serien-Modulen und Controller misst nicht mehr als 92 x 92 x 276 cm, hält Erschütterungen von bis zu 50 g stand und kann bei Temperaturen von -40 bis 70 °C arbeiten. CompactRIO wurde entwickelt, um eine schnelle Methode für die Prototypenerstellung und den Einsatz von Steuer- und Regelsystemen zur Verfügung zu stellen. Dafür wurden Anpassbarkeit und Komfort von Standardtechnologien kombiniert. Folgende Abbildung zeigt ein CompactRIO-System mit vier Steckplätzen, in denen sich vier Module der C-Serie befinden. Auch ein CompactRIO-Chassis mit acht Steckplätzen ist verfügbar.

CompactRIO-Chassis mit vier C-Serien-Modulen

Mehr als nur Controller und Module: FPGA-Technologie

Obwohl der Controller den größten Unterschied zwischen CompactDAQ und CompactRIO darstellt, ist der wichtigste technologische Unterschied der FPGA (Field Programmable Gate Array), der in jedem CompactRIO-Chassis integriert ist. Alle I/O-Daten von den Modulen passieren zuerst den FPGA in der Backplane des Chassis. Diese Technologie ermöglicht dem erfahreneren Systemprogrammierer die Anpassung der Hardwareleistung mittels der Flexibilität der Software. Anwender können jederzeit FPGA-Code auf das Chassis herunterladen, das Berechnungen und Operationen durchführt, die sonst der Controller übernehmen müsste oder die sonst gar nicht möglich wären. Dadurch wird nicht nur der Prozessor weniger belastet und die Leistung beschleunigt, der Systemdesigner kann darüber hinaus Funktionen wie etwa anwenderdefinierte Triggerung implementieren, die ansonsten nur durch proprietäres Hardware- und Schaltungsdesign verfügbar wären. Mit FPGA-Technologie kann jeder einfache digitale I/O-Kanal in einen Counter/Timer verwandelt werden. PID-Regelschleifen können auf den FPGA statt auf den Prozessor geladen werden. So können Einzelpunkt-Regelschleifen mit Geschwindigkeiten ablaufen, wie sie sonst nur von anwenderdefinierter Hardware erreicht werden können. Die Einsatzmöglichkeiten von FPGAs sind äußerst vielfältig. Zusätzliche Informationen über die FPGA-Technologie von NI stehen deshalb auf der LabVIEW FPGA-Homepage bereit.

Nachteile

Bei allen Vorteilen, die CompactRIO bietet müssen auch die Nachteile zur Sprache kommen. Der DAQ-Assistent des Treibers NI-DAQmx, der Anwender bei der Inbetriebnahme von Messungen unterstützt, ist für die Programmierung eines CompactRIO-Chassis nicht verfügbar. Dafür stehen die Module LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA zur Verfügung. Diese erweitern die Funktionalität des Systems zwar erheblich, verursachen aber auch zusätzliche Kosten, die etwa bei CompactDAQ nicht entstehen. Mit diesen Softwarewerkzeugen unterliegt CompactRIO nicht den Systemeinschränkungen, die bei CompactDAQ auftreten. Aufgrund der Software und der FPGA-Technologie von NI bietet CompactRIO in allen Bereichen, außer der Plug-and-play-Installation über USB, eine weitaus bessere Leistung als CompactDAQ.

Zielgruppe

CompactRIO-Anwender benötigen oftmals verschiedene Standards für die Datenkommunikation wie etwa CAN, Ethernet, serielle oder auch andere, weniger gängige Protokolle. Andere Schlüsselfunktionen sind etwa die dezentrale Onboard-Verarbeitung, bei der kein PC mehr für den Betrieb notwendig ist. Die Lösung wird damit mobiler und robuster. Die Anwender dieser Zielgruppe nutzen schließlich oft CompactRIO, anstatt selbst eine spezielle Schaltung zu entwickeln. Auch ohne Vorwissen im Bereich Embedded-Entwicklung kann ein LabVIEW-Programmierer mit grundlegendem oder mittlerem Kenntnisstand den FPGA für eine anspruchsvolle Prototypenerstellung von Steuer-, Regel- und Designaufgaben programmieren.

Erweiterungschassis der R-Serie

Übersicht

Für Anwendungen, die eine Kombination von PC-Leistung und -Funktionalität, FPGA-basierte Hochgeschwindigkeitssteuerung und eigenständige Signalkonditionierung voraussetzen, gibt es das Erweiterungschassis für Karten der R-Serie. Dabei handelt es sich um Multifunktions-I/O-Karten für den PCI/PXI-Bus, die einen FPGA ähnlich dem in CompactRIO integrieren. Mit diesem Chassis steht eine Option mit vier Steckplätzen als Alternative zu einem integrierten Controller oder USB-Anschluss zur Verfügung. Es wird mit einem Kabel an das Front-End einer PCI/PXI-Karte der R-Serie angeschlossen, die in einen Desktop-PC oder ein PXI-Chassis installiert ist. Der FPGA befindet sich auf der Karte, so dass ihn alle Daten von den C-Serien-Modulen passieren, bevor sie beim Prozessor bzw. Controller ankommen. Diese Option ermöglicht Kunden die Verwendung der neuesten PC-Verarbeitungstechnologie mit NI-FPGA-Zielgeräten. Da eine Karte der R-Serie mehrere Anschlüsse bietet, können bis zu vier Chassis an jede Karte angebunden werden. Eine sehr hohe Kanalanzahl wird möglich, wenn ein PXI-Chassis mit mehreren Karten der R-Serie eingesetzt wird.

An PXI-System angeschlossenes Erweiterungschassis

Nachteile

Die Implementierung eines LabVIEW-Programms auf einem System mit dem Erweiterungschassis der R-Serie ist fast identisch mit der Implementierung von CompactRIO, bei dem der LabVIEW-FPGA-Code auf einem Chip eingebettet ist und Controller bzw. PC mit LabVIEW programmiert wurden. Die Nachteile gegenüber CompactRIO sind die Größe der Hardware, die Robustheit und die Kosten, allerdings kann ein PXI-basiertes System eine höhere Kanalanzahl und Bandbreite erreichen und mehr Module sowie gängige Kommunikationsstandards integrieren, da es auf kommerzieller PC-Technologie aufbaut. Abgesehen von der Größe und Robustheit kann ein PXI-System der R-Serie genauso viel und sogar mehr leisten als ein CompactRIO-System.

Zielgruppe

Anwendungsbereiche für PXI-Systemen reichen von einfachen und universellen bis hin zu großen und hoch spezialisierten Applikationen. PXI-Systeme werden oft für Produktionstests eingesetzt, da sie die Zuverlässigkeit eines Echtzeitbetriebssystem, eine hohe Bandbreite, präzise Synchronisation und die Verfügbarkeit einer Reihe von Messgeräten gewährleisten. Anwender, die eine große Zahl von Messungen mit mehreren anspruchsvollen Algorithmen verbinden müssen, sind mit PXI gut beraten, da hier die jeweils neuesten PCI-Verarbeitungstechnologien integriert sind. Neben erweiterter Verarbeitung und Produktionsprüfsystemen werden PXI-Systeme oft für Hochgeschwindigkeits-Steuer- und -Regelplattformen eingesetzt, da FPGA-Geräte, Signalverarbeitung mit C-Serien-Modulen und deterministisches Timing durch optionale Echtzeitbetriebssysteme problemlos erhältlich sind.

Vergleichstabelle

Preisinformationen

Sämtliche Preisinformationen sind auf den entsprechenden Produktseiten im Internet und in den Online-System-Advisors zu finden. Spezifikationen und Schaltpläne für die Module stehen in den entsprechenden Handbüchern zur Verfügung. Diese sind von den Produktseiten verlinkt oder über die Suche nach der Modellnummer unter www.ni.com/manuals zugänglich.

CompactDAQ System Advisor

CompactRIO System Advisor

PXI System Advisor

USB-gestützte Erfassung dynamischer Signale