Bild 1: Das Stand-alone-System für NI CompactDAQ besteht aus einem Chassis, Embedded-Controller, I/O-Modulen der C-Serie, Software sowie optionalen Peripheriegeräten. National Instruments
Die leistungsstarken Chassis NI cDAQ-9138 und cDAQ-9139 können als Stand-alone-Geräte eingesetzt werden und eröffnen neue Möglichkeiten für die CompactDAQ-Plattform. Zugleich verfügen sie über den modularen und flexiblen Aufbau der Plattform der C-Serie und können mit der Systemdesignsoftware LabVIEW verwendet werden. Die Stand-alone-Variante von CompactDAQ besteht aus einem Embedded-Controller, einem Chassis mit acht Steckplätzen, I/O-Modulen der C-Serie, einem Betriebssystem sowie Software (Bild 1). Der Controller beinhaltet einen Intel Core i7Dualcore-Prozessor zur Ausführung eines Embedded-Betriebssystems sowie ein Festplattenlaufwerk mit 32 GByte nichtflüchtigem Speicher für das Datenloggen. Die Stand-alone-Systeme bieten eine Auswahl an Modulen mit integrierter Signalkonditionierung für nahezu jeden Sensortypen sowie Standardanschlüsse wie USB, Ethernet und serielle Ports für Erweiterungs-I/O und Peripheriegeräte von Drittanbietern.
Leistungsstarke Multicore-Verarbeitung
Tabelle 1: Das Stand-alone-System für NI CompactDAQ nutzt leistungsstarke Dualcore-Prozessoren von Intel. National Instruments
Das CompactDAQ Stand-alone-System verfügt über einen Dualcore-Prozessor von Intel für anspruchsvolle Verarbeitungstasks (Tabelle 1). Multicore-Prozessoren ermöglichen die simultane Ausführung unabhängiger Tasks beziehungsweise Threads, so dass die für Arbeitsabläufe erforderliche Zeit erheblich reduziert werden kann. Mit LabVIEW lässt sich leicht eine Anwendung entwickeln, die diese Multicore-Technologie nutzt, da jeder Arbeitsablauf automatisch in mehrere Threads unterteilt wird. Die komplexe Aufgabe der Verwaltung von Threads innerhalb des Prozessors ist transparent in die grafische Programmierung eingegliedert.
Intel-Prozessoren bieten einige neue Technologien, so dass Leistungsvermögen und Funktionalität von CompactDAQ-Anwendungen ausgeweitet werden können:
- Die Hyper-Threading-Technologie von Intel verbessert die Multicore-Leistung, indem jeder Prozessorkern die Fähigkeit erhält, zwei Threads parallel auszuführen. Dadurch verdoppelt sich die Anzahl der für die Software bereitstehenden Prozessorkerne. Anwendungen können so auf dem cDAQ-9139 vier Threads parallel ausführen, wodurch die Leistung noch weiter verbessert wird.
- Die Turbo-Boost-Technologie von Intel sorgt dafür, dass die Taktfrequenz des Prozessors bei hohen Arbeitslasten erhöht wird. Benötigt eine Anwendung während intensiver Berechnungen höhere Taktfrequenzen, dann erhöht sich die Taktfrequenz des Prozessors automatisch in regelmäßigen Intervallen, bis die Anforderung erfüllt wurde, oder bis Faktoren wie Temperatur und laufende Ereignisse auf anderen Prozessorkernen die Taktgeschwindigkeit wieder auf ihre eigentliche Betriebsfrequenz verringern. Somit ist sichergestellt, dass immer maximale Leistung erzielt wird, während der Prozessor innerhalb der spezifizierten Sicherheitsgrenzen arbeitet.
- Die Intel Active Management Technology (AMT) ermöglicht erfahrenen Anwendern die Fernverwaltung ihrer CompactDAQ-Systeme. Dieser maschinennahe Hardwarezugriff erfolgt über die primäre Ethernet-Schnittstelle und ermöglicht Anwendern das CompactDAQ-System aus der Ferne hochzufahren oder abzuschalten. Zudem können sie den aktuellen Systemstatus prüfen, die Ausgabe des Bedienpults umleiten und weitere Aufgaben ausführen, ohne dabei mit der CompactDAQ-Software zu interagieren.
Embedded-Betriebssysteme
Auf einen Blick
Die Chassis cDAQ-9138 und -9139 verfügen über integrierte Intel Core i7 Dualcore-Prozessoren, so dass auf der NI-CompactDAQ-Plattform zugleich Erfassungs- und Analysesoftware ausgeführt und Daten in den Onboard-Speicher geloggt werden können. Die NI CompactDAQ-Plattform kann nun erstmals vollständig im Stand-alone-Modus ohne einen externen PC betrieben werden
Die Chassis cDAQ-9138 und cDAQ-9139 sind die ersten CompactDAQ-Chassis mit integriertem Controller zur Ausführung von Embedded-Betriebssystemen. Wird das Betriebssystem Windows Embedded Standard 7 (WES7) eingesetzt, können die umfangreiche Software der Windows-Umgebung sowie die Funktionen der integrierten Benutzeroberflächen genutzt werden. Des Weiteren ermöglicht LabVIEW Real-Time den Headless-Betrieb und eine erhöhte Zuverlässigkeit.
Windows Embedded Standard 7
Der Faktor Zuverlässigkeit bezeichnet die korrekte Ausführung einer Anwendung über einen längeren Zeitraum hinweg, was für viele Embedded-Anwendungen erforderlich ist. Sowohl die Betriebssysteme LabVIEW Real-Time als auch WES7 verfügen über Funktionen und Eigenschaften, die sie zu einer guten Wahl für Aufgaben im Dauerbetrieb machen. Mit WES7 können Anwender die umfangreichen Windows-Softwarekomponenten und die Plattform LabVIEW für Windows nutzen. So stehen etwa die Funktionen von .NET-Assemblies, ActiveX-Elemente und DLLs zur Verfügung, und es kann die direkte Verbindung zu einer dezentralen Datenbank zum einfachen Loggen von Daten hergestellt werden. Zudem kann der integrierte VGA-Monitorausgang genutzt werden, um eine Benutzeroberfläche zu implementieren, wodurch Systemkosten und Wartungsanforderungen gesenkt werden, weil kein Rechner mehr speziell für die Benutzeroberfläche notwendig ist.
LabVIEW Real-Time
Die Komponenten für das Betriebssystem LabVIEW Real-Time wurden auf ein erforderliches Minimum beschränkt, so dass die Wahrscheinlichkeit von Systemfehlern aufgrund von Abstürzen und anderen unvorhergesehenen Problemen auf ein Mindestmaß reduziert ist. Standardbetriebssysteme müssen Ressourcen und Ausführungszeit für viele verschiedene Anwendungen bereitstellen. Jede weitere Anwendung erhöht die Wahrscheinlichkeit und die Häufigkeit eines Systemausfalls. LabVIEW Real-Time bietet außerdem Funktionen wie das Reliance-Dateisystem und Watchdog-Timer, die dafür sorgen, dass die Anwendungszuverlässigkeit über einen längeren Zeitraum bestehen bleibt. Das Reliance-Dateisystem von Datalight wurde für Embedded-Systeme entwickelt, die eine höhere Zuverlässigkeit benötigen, und ist weniger anfällig gegenüber fehlerhaften Dateien aufgrund von Systemereignissen wie unerwartetem Stromausfall. Mit Watchdog-Timern kann ein System bei einem Anwendungsausfall schnell und automatisch wieder in einen betriebsbereiten Zustand versetzt werden.
Timing- und Synchronisationsmessungen
Da CompactDAQ modular aufgebaut ist, kann das System einfach um weitere Messtypen und -kanäle ergänzt werden, indem weitere Module eingesteckt werden. Alle Module lassen sich im laufenden Betrieb austauschen und werden automatisch erkannt, sobald sie in das CompactDAQ-Chassis eingesteckt werden. Die Module werden automatisch synchronisiert. Zudem kann ein einzelnes NI-CompactDAQ-System gleichzeitig analoge und digitale Hochgeschwindigkeitsein- und -ausgangssignale übertragen.
Der A/D-Wandler ist ein wichtiger Bestandteil eines Datenerfassungssystems. A/D-Wandler benötigen Taktsignale, um festzulegen, wann Abtastungen erfasst werden sollen. Viele Systeme verfügen über mehrere A/D-Wandler mit gleichem Takt zur Synchronisation aller Messkanäle. CompactDAQ-Systeme bieten flexible Timing-Engines und ermöglichen mehr als nur eine Standardsynchronisation.
Mehrere Timing-Engines für unterschiedliche Erfassungsraten
Bild 2: Die Abbildung zeigt verschiedene Analogeingangstasks, die im selben Chassis mit unterschiedlichen Raten ausgeführt werden. National Instruments
CompactDAQ-Chassis verfügen über drei Analogeingangs-Timing-Engines. Damit erhalten Anwender die Möglichkeit, die Analogeingänge in bis zu drei unterschiedliche Tasks aufzuteilen. Jeder Task kann mit einer eigenen Abtastrate ausgeführt werden (Bild 2). Dies ist besonders nützlich, wenn Temperaturmessungen, die häufig langsam sind, mit Hochgeschwindigkeitsmessungen wie der Geräusch- und Schwingungserfassung kombiniert werden. Die drei Tasks werden unabhängig voneinander ausgeführt, können jedoch gleichzeitig gestartet werden. Alle Kanäle eines Tasks werden automatisch synchronisiert und geben die Daten mit der gewünschten Sample-Rate aus. Alle Module können in einem Task synchronisiert werden, um alle Kanäle auf einfache Weise mit demselben Takt zu synchronisieren.
Separate Timing-Engines für Analog- und Digitalausgänge
CompactDAQ kann bis zu sieben Tasks gleichzeitig ausführen. Mehrere Taskoptionen stehen zur Auswahl:
- Analogeingang mit bis zu drei Timing-Engines,
- Analogausgang mit zugewiesener Timing-Engine,
- Digitaleingang mit zugewiesener Timing-Engine,
- Digitalausgang mit zugewiesener Timing-Engine,
- Counter/Timer-Tasks für Ereigniszählungen, Quadraturencoder-, PWM-, Perioden- und Frequenzmessungen.
Aufgrund der zugewiesenen Timing-Engines können Digital- und Analogausgangstasks unabhängig voneinander ablaufen, ohne dass sie einen Takt mit einem anderen Task teilen müssen. Dadurch wird die Programmierung einfacher und intuitiver. Durch die Anzahl der Timing-Engines und der Fähigkeit, Ressourcen zuzuweisen und zu teilen, bietet CompactDAQ ein Maß an Flexibilität, das von den meisten kommerziellen Datenerfassungssystemen nicht erreicht wird.
I/O-Erweiterung für die C-Serie
Bild 3: Die NI-Plattform CompactDAQ bietet als Erweiterungsmöglichkeit Chassis mit einem, vier und acht Steckplätzen. National Instruments
Das CompactDAQ-Stand-alone-System verfügt über acht Steckplätze mit integrierter I/O-Kapazität, die mit Erweiterungsoptionen der C-Serie erheblich erhöht werden kann. Die CompactDAQ-Plattform umfasst Chassis, die Daten über USB, Ethernet und Wireless direkt auf die Stand-alone-Systeme übertragen können (Bild 3). Mit jeder dieser Erweiterungsoptionen kann eine beliebige Kombination von über 50 messspezifischen I/O-Modulen der C-Serie integriert werden. Durch diese breite Palette an Messmodulen kann ein System auf spezifische I/O-Anforderungen zugeschnitten werden.
Integration von Anzeigen und externen Geräten
Das Erstellen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung eines Embedded- oder Industriesystems. Das Stand-alone-System für CompactDAQ umfasst integrierte VGA-Grafik, wodurch die Entwicklung von HMIs stark vereinfacht wird. Mit WES7 und einem VGA-Monitor oder Touchscreen können Anwender eine LabVIEW-Anwendung entwickeln und das Frontpanel als Benutzeroberfläche nutzen. So wird nicht nur Entwicklungszeit gespart, da keine separate HMI-Anwendung erstellt werden muss, sondern auch der Kostenaufwand gesenkt, da der zusätzliche PC beziehungsweise Touchpanel-Computer durch einen kostengünstigen Monitor ersetzt werden kann. Mit der App „NI Data Dashboard“ können zudem iOS- und Android-Geräte genutzt werden, um Systeme von unterwegs zu steuern und zu überwachen (Bild 4).
Bild 4: Die Möglichkeit der Überwachung und Interaktion mit dem Stand-alone-System besteht durch direkte Anbindung einer HMI oder die entsprechende Konfiguration eines mobilen Geräts. National Instruments
Die Stand-alone-Plattform CompactDAQ eignet sich insbesondere für Anwendungen, die synchronisierte Videos und Messungen erfordern. Über die zwei Gigabit-Ethernet-Anschlüsse ist eine Anbindung an zahlreiche GigE-Vision-Kameras und die Durchführung schneller, hochauflösender Bilderfassungs- und -verarbeitungsaufgaben mit LabVIEW Real-Time und WES7 möglich. Der Treiber NI-IMAQdx sowie die vielfältigen Algorithmen der Bildverarbeitungsbibliothek des NI Vision Development Module unterstützen die Entwicklung von Bildverarbeitungsanwendungen, die Bildverbesserung, Mustererkennung und Objektmessungen erfordern (Bild 5).
Bild 5: Über die beiden Gigabit-Ethernet-Anschlüsse ist die Anbindung an GigE-Vision-Kameras möglich. National Instruments
Das Stand-alone-Chassis für CompactDAQ bietet eine große Auswahl an Anbindungsmöglichkeiten für zusätzliche Hardware. Über einen der vier Hi-Speed-USB-Anschlüsse können beispielsweise Tastaturen und Mäuse angeschlossen werden. Alternativ können die Anschlüsse zur Protokollierung von Daten auf ein externes Speichermedium genutzt werden. Der serielle Anschluss RS-232 beziehungsweise RS-485/422 kann zur Anbindung an eine Vielzahl von Systemen wie GPS-Geräte genutzt werden.
Software
Jedes Messsystem benötigt auch Software. Mit der Systemdesignsoftware LabVIEW lässt sich ein Stand-alone-Messsystem vollständig benutzerdefiniert anpassen. Mit LabVIEW verfügen Anwender über eine einzige Umgebung für die Erfassung, Analyse und Darstellung von Daten. Zudem werden Low-Level-Aufrufe abstrahiert. Dadurch kann LabVIEW in Verbindung mit dem Treiber NI-DAQmx im Laufe der Zeit an wechselnde Anforderungen und Technologien angepasst werden, so dass Anwendungen stets auf dem aktuellen technischen Stand sind.
LabVIEW 2012 bietet neue Beispiele für das Datenloggen, Vorlagen und Beispielprojekte zum Einsatz mit den Stand-alone-Systemen für CompactDAQ, um die hunderten bereits vorhandenen NI-DAQmx-Beispiele zu ergänzen. Diese Optionen bieten verschiedene Ausgangspunkte für Neueinsteiger in die Programmierung, die an schnellen Messungen interessiert sind, wie auch für erfahrene Programmierer, die von LabVIEW-Entwicklern entworfene und empfohlene skalierbare Softwarearchitekturen benötigen.
Anwender, die eine schlüsselfertige Lösung benötigen, können konfigurationsbasierte Software aus dem LabVIEW Tools Network auswählen. Bei der Erarbeitung einer benutzerdefinierten Lösung leisten die über 600 Unternehmen des NI Alliance Partner Network gerne Unterstützung. Diese Partner sind auf die Systemintegration und benutzerdefinierte Anpassung mit LabVIEW und NI-Datenerfassungsprodukten spezialisiert. Unabhängig von der Größe oder Komplexität einer Anwendung oder vom erforderlichen Grad der benutzerdefinierten Anpassung steht für erfahrene Programmierer wie auch Neueinsteiger in die Programmierung stets eine Softwarelösung zur Verfügung.
Stefan Albert
(jj)
