Einführung in die Datenerfassung

Überblick

Diese Anleitung ist Teil der Serie "Grundlagen der Messtechnik" von National Instruments. In jeder Anleitung dieser Reihe lernen Sie die theoretischen Grundlagen zu einer bestimmten messtechnischen Anwendung, die an praktischen Beispielen veranschaulicht wird. In dieser Anleitung erhalten Sie eine Einführung in die Grundbestandteile eines computergestützten Datenerfassungssystems.

Inhalt

Überblick

Diese Anleitung ist Teil der Serie "Grundlagen der Messtechnik" von National Instruments. In jeder Anleitung dieser Reihe lernen Sie die theoretischen Grundlagen zu einer bestimmten messtechnischen Anwendung, die an praktischen Beispielen veranschaulicht wird. In dieser Anleitung erhalten Sie eine Einführung in die Grundbestandteile eines computergestützten Datenerfassungssystems.

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Einführung

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. Anwender haben die Wahl zwischen unterschiedlichen Formfaktoren wie etwa PCI, PXI, PCI Express, PXI Express, PCMCIA, USB, Wireless und Ethernet für Mess-, Prüf- und Automatisierungsanwendungen. Beim Aufbau eines einfachen Datenerfassungssystems (Abbildung 1) sind fünf Komponenten zu beachten:

  • Wandler und Sensoren
  • Signale
  • Signalkonditionierung
  • Datenerfassungshardware
  • Treiber- und Anwendungssoftware


Abb. 1: Datenerfassungssystem

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Wandler

Datenerfassung beginnt mit der Messung physikalischer Phänomene. Beispiele hierfür 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, hängt von den Wandlern ab, 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, beispielsweise für die Messung von Temperatur, Druck oder Flüssigkeitsströmen. Abbildung 2 zeigt eine Auswahl der gängigsten Phänomene und die Wandler, mit denen sie gemessen werden.

 

Phänomen Wandler
Temperatur Thermoelement, RTD, Thermistor
Licht Fotosensor
Schall Mikrofon
Kraft und Druck

Dehnungsmessstreifen

Piezoelektrischer Wandler

Position und Verdrängung Potentiometer, linearer Spannungsdifferenzialtransformator, optischer Codeumsetzer
Beschleunigung Beschleunigungssensor
pH-Wert pH-Elektrode

Abb. 2: Phänomene und verfügbare Wandler


Die Wandler haben jeweils unterschiedliche Anforderungen, um Phänomene in ein erfassbares Signal umwandeln zu können. Einige Wandler müssen beispielsweise mit einer Spannung oder einem Strom gespeist werden. Andere Wandler brauchen zur Erzeugung eines Signals eventuell zusätzliche Komponenten oder sogar ein Widerstandsnetzwerk. Mehr Informationen zu Wandlern erhalten Sie auf der Seite ni.com/sensors.

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 Signale

Die jeweiligen Wandler konvertieren physikalische Phänomene in messbare Signale. Unterschiedliche Signale müssen dabei jedoch auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Aus diesem Grund ist es wichtig, die unterschiedlichen Signalarten und ihre Eigenschaften zu kennen. Signale lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

  • Analog
  • Digital

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 (siehe Abbildung 3).

 


Abb. 3: Wichtigste Eigenschaften von Analogsignalen

 

Amplitude
Weil das Analogsignal jeden beliebigen Wert annehmen kann, liefert die Amplitude wichtige Informationen über das gemessene Analogsignal. Die Intensität der Lichtquelle, die Raumtemperatur und der Druck innerhalb eines Raums sind Beispiele, die zeigen, wie wichtig die Signalamplitude ist. Während der Messung der Signalamplitude verändert sich das Signal in Bezug auf die Zeit in der Regel nicht schnell. Die Messgenauigkeit ist dabei jedoch von großer Wichtigkeit. Für analoge Amplitudenmessungen sollte man sich für ein Datenerfassungssystem mit maximaler Messgenauigkeit entscheiden.

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, Schwingungen 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, müssen sowohl die Genauigkeit als auch die Erfassungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. 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 sogenannte Nyquist-Abtast-Theorem bestimmt. Sprachanalyse, Nachrichtentechnik 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 (siehe Abbildung 4).


Abb. 4: Wichtigste Eigenschaften von Digitalsignalen


Zustand
Digitalsignale können hinsichtlich der Zeit nicht jeden beliebigen Wert annehmen. Prinzipiell ist der Zustand des Digitalsignals der Signalpegel: ein oder aus, high oder low. Die Überwachung des Zustands eines Schalters – offen oder geschlossen – ist eine typische Anwendung, die zeigt, wie wichtig es ist, den Zustand des Digitalsignals zu kennen.

Rate
Die Rate des Digitalsignals definiert, wie das Digitalsignal seinen Zustand hinsichtlich der Zeit verändert. Ein Beispiel für die Messung der Rate eines Digitalsignals ist die Erfassung der Drehgeschwindigkeit einer Motorwelle. Im Gegensatz zur Frequenz misst die Rate eines Digitalsignals, wie oft ein Abschnitt eines Signals auftritt. Um die Rate eines Signals zu bestimmen ist kein Softwarealgorithmus erforderlich.

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 Signalkonditionierung

Manche Wandler erzeugen Signale, deren direkte Messung mit einem Datenerfassungsgerät zu schwierig oder zu riskant wäre. Hat man beispielsweise mit hohen Spannungen, einer verrauschten Umgebung, extrem hohen und niedrigen Signalen oder zeitgleichen Signalmessungen zu tun, spielt die Signalkonditionierung für ein effektives Datenerfassungssystem eine bedeutende Rolle. Die Signalkonditionierung erhöht die Messgenauigkeit des Systems, garantiert den störungsfreien Betrieb der Sensoren und sorgt für Sicherheit.

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

  • Verstärkung
  • Dämpfung
  • Isolierung
  • Brückenvervollständigung
  • Simultane Abtastung
  • Sensorerregung
  • Multiplexen

Weitere entscheidende Kriterien in Bezug auf die Signalkonditionierung betreffen den Gehäusetyp (modular oder integriert), die Leistung, die Anzahl der I/O, erweiterte Funktionalität und die Kosten. Nutzen Sie die Online-Ressourcen unter ni.com/signalconditioning/d, um die beste Signalkonditionierungslösung für Ihre Anwendung zu konfigurieren. 

 

Abb. 5: Signalkonditionierungshardware

 

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 Datenerfassungshardware

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 sind u. a.:

  • Analog-I/O
  • Digital-I/O
  • Counter/Timer
  • Multifunktion - eine Kombination aus Analog- und Digital-I/O- sowie Counter-Operationen in einem einzigen Gerät

National Instruments bietet mehrere Hardwareplattformen für die Datenerfassung. Der Desktop-Computer stellt dabei die gängigste Plattform dar. NI zählt zu seiner Produktpalette PCI-Datenerfassungskarten, die sich an jeden Desktop-Computer anschließen lassen. Außerdem stellt NI Datenerfassungsmodule 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 modulare I/O, Embedded-Betrieb und Ethernet-Datenübertragung. Für tragbare oder PDA-gestützte Messungen nutzen Datenerfassungsgeräte von NI für USB und PCMCIA Laptops oder PDAs mit Windows-Mobile-Betriebssystem (siehe Abbildung 6). Darüber hinaus hat National Instruments Datenerfassungsgeräte für PCI Express sowie für PXI Express, den leistungsstarken PXI-Bus, auf den Markt gebracht.


Abb. 6: Hardwareoptionen für die Datenerfassung

Die neuesten Datenerfassungsgeräte von National Instruments bieten Anbindungsmöglichkeiten über Wireless und Ethernet. Die Wireless-Datenerfassungsgeräte von NI bieten IEEE-802.11g- oder Ethernet-basierte Übertragung, direkte Sensoranbindung und die Flexibilität von NI LabVIEW für die Fernüberwachung elektrischer, physikalischer, mechanischer und akustischer Signale.

6-minütiges Video zur Wireless-Datenerfassung von NI

 

Abb. 7: Wireless-Datenerfassung

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 Treiber- und Anwendungssoftware

Treibersoftware

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

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 Anwendungskonfiguration und -prüfung sowie die Datenerfassung führt. Anwender 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 eines Datenerfassungssystems bis hin zur Durchführung der ersten Messung ganz erheblich.

NI-DAQmx Base bietet eine Teilfunktionalität der Treibersoftware NI-DAQmx.

  • Erste Schritte mit NI-DAQmx

Anwendungssoftware

Die Anwendungsschicht kann entweder eine Entwicklungsumgebung sein, in der eine benutzerdefinierte und auf spezielle Kriterien ausgerichtete Anwendung erstellt wird, oder ein konfigurationsbasiertes Programm mit festgelegten Funktionen. Durch Anwendungssoftware wird Treibersoftware um Analyse- und Darstellungsfunktionen erweitert. Zur Auswahl der geeigneten Anwendungssoftware muss der Umfang der Anwendung, die Verfügbarkeit konfigurationsbasierter Software, die zur Anwendung passt, sowie die für die zur Entwicklung der Anwendung zur Verfügung stehende Zeit berücksichtigt werden. Falls die Anwendung komplex ist oder es kein Programm dafür gibt, sollte eine Entwicklungsumgebung eingesetzt werden.

NI bietet drei Softwareentwicklungsumgebungen zur Erstellung kompletter Erfassungs-, Steuer- und Regelanwendungen

Mit der Einführung von LabVIEW SignalExpress hat NI eine konfigurationsbasierte Softwareumgebung vorgestellt, bei der eine Programmierung nicht mehr erforderlich ist. Mithilfe von LabVIEW SignalExpress können interaktive Messungen mit der NI-Express-Technologie durchgeführt werden.

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 Relevante NI-Produkte

Kunden, die sich für dieses Thema interessierten, haben sich auch über folgende Produkte informiert:

Weitere Tutorien finden Sie auf der Hauptseite Grundlagen der Messtechnik.

 

Linux® ist in den USA und anderen Ländern ein eingetragenes Warenzeichen von Linus Torvalds.

Die Bezeichnung LabWindows ist lizenziert von der Microsoft Corporation. Windows ist eine in den USA und anderen Ländern eingetragene Marke der Microsoft Corporation.

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