Bild 1: Raspberry Pi Messsystem mit vier HAT-Aufsteckmodulen und 32 analogen Eingängen. (Bild: Measurement Computing)
Der Raspberry Pi erfreut sich auch bei Ingenieuren steigender Beliebtheit. Mit über 12,5 Millionen verkauften Einheiten im Jahr 2017 ist der Single-Board-Computer das am dritthäufigsten verkaufte Computersystem nach dem Windows-PC und Apple‘s Macintosh-Rechner. Sein Erfolgsgeheimnis liegt im sehr günstigen Preis, in seiner Leistungsfähigkeit und nicht zuletzt in seiner Flexibilität. Ursprünglich zur Ausbildung von IT-Studenten entwickelt, hat sich der Einplatinenrechner insbesondere auf dem Maker-Markt schnell verbreitet. Heutzutage sind in der Mess- und Automatisierungstechnik – Stichwort IIoT – immer mehr Daten zu erfassen. Deshalb werden neue Lösungen benötigt, um die Kosten der Messdatenerfassung zu reduzieren und den Zugang zu den Messdaten zu verbessern.
Bild 1: Raspberry Pi Messsystem mit vier HAT-Aufsteckmodulen und 32 analogen Eingängen. Measurement Computing
Als Basis drängt sich hier der Raspberry Pi geradezu auf. Das aktuelle Raspberry Pi 3 Modell B+ bietet für kleines Geld einen 64-Bit-Quad-Core-ARM-Prozessor, Gigabit/s-Ethernet, WLAN, USB sowie einen Micro SD-Slot und HDMI-Anschluss. Aber: Es besitzt selbst keine industrietauglichen Onboard-Funktionen für Messtechnikanwendungen, wie zum Beispiel A/D-Wandler oder geeignete digitale Ein-/Ausgänge.
Diese Funktionen können jedoch über einen USB-Anschluss oder eine 40-polige GPIO-Steckerleiste ergänzt werden. Entsprechende Aufsteckkarten werden als HAT (Hardware Attached on Top) bezeichnet. Kleine Unternehmen haben in den letzten Jahren preisgünstige HATs für die unterschiedlichsten Applikationen entwickelt. Diese Entwicklungen genügen den Anforderungen in Ausbildung und für den Maker-Markt, für das Industriesegment sind sie aber nur bedingt geeignet. Denn die meisten dieser Geräte werden nur teilmontiert sowie ohne Spezifikationen und Programmierunterstützung geliefert. Zudem fehlt meist ein verbindliches Leistungsversprechen, das aber wiederum nur durch eine sorgfältige Gerätevalidierung gegeben werden kann.
Qualitätsmaßstab einhalten
Die Gerätevalidierung ist ein wesentlicher Schritt im Entwicklungsprozess eines HAT-Moduls, da sie sicherstellt, dass der Qualitätsmaßstab eingehalten wird und das Produkt die spezifizierten Leistungen erfüllt. Ohne diesen Prozess können die mit dem Produkt erzielten Daten ungenau sein – ein No-Go für den Industriebereich, wie beispielsweise die Mess- und Automatisierungstechnik. Ein umfassender Design- und Validierungsprozess macht den entscheidenden Unterschied aus zwischen den meisten Entwicklungen für den Maker-Markt und industrietauglichen Lösungen.
Hier setzen die HAT-Messtechnikmodule des US-Messtechnik-Herstellers Measurement Computing (MCC) an. Sie wurden speziell für den OEM/ODM-Einsatz konzipiert, um flexible Mess- und Prüfsysteme auf Basis des Raspberry Pi zu erstellen. Die HATs erweitern den Single-Board-Computer um gängige A/D- und D/A-Funktionen sowie um digitale I/O-Kanäle in einem platzsparenden, stapelbaren Format. Die HAT-Lösung empfiehlt sich vor allem für Einbausituationen, wo eine Konfiguration aus Rechner und separatem, beispielsweise über USB angebundenem Messmodul keinen Platz findet.
Raspberry Pi Hardware Attached on Top
Bild 2: Validiertes HAT-Aufsteckmodul für den Raspberry Pi mit acht Analogeingängen. Measurement Computing
Die kürzlich vorgestellte HAT-Produktreihe wurde mit zwei Aufsteckkarten gestartet (Bild 2). Das Modell MCC 118 verfügt über acht Eingänge mit 12 Bit A/D-Auflösung für analoge Spannungen bis ±10 V. Die maximale Abtastrate der Aufsteckkarte beträgt 100 kS/s bei kontinuierlicher getakteter Erfassung.
Außerdem stehen ein externer Clock-I/O-Kanal und ein digitaler Triggereingang zur Verfügung. Bis zu acht Module können auf einem Raspberry Pi übereinander gestapelt werden. Somit lässt sich ein kompaktes und flexibles Messsystem mit bis zu 64 Analogeingängen und einer Summenabtastrate von 320 kS/s realisieren. Das MCC 152 bietet zwei analoge Ausgabekanäle mit 12 Bit und zusätzliche acht 5-V- beziehungsweise 3,3-V-DIO-Kanäle. Beide Module zusammen ermöglichen den Bau eines multifunktionalen und leistungsfähigen Mess- und Steuerungssystems für viele Industrie-4.0-Applikationen.
Wie alle Produkte des Herstellers werden auch die Messtechnik-HATs in den USA entwickelt, unter Verwendung qualifizierter Bauteile hergestellt, komplett getestet und mit einer 30-Tage-Rückgabe-Zusage und einer einjährigen Garantie geliefert.
Eine ausführliche Dokumentation und Spezifikation, besagte umfangreiche Gerätevalidierung und professionelle Support- und Garantieleistungen prädestinieren die Aufsteckplatinen für den Einsatz im anspruchsvollen industriellen Segment. Um eine möglichst kurze Time-to-Market bei der Entwicklung eigener Systeme zu erzielen, spielt für OEMs aber auch die Software eine Schlüsselrolle. Measurement Computing stellt seinen HAT-Modulen deshalb eine qualitativ hochwertige Software-Bibliothek zur Seite (Bild 3).
Bild 3: Screenshot des MCC 118 DAQ HAT-Web-Servers. Measurement Computing
Linux-Bibliothek
Die Open Source Linux-Bibliothek bietet eine Programmierschnittstelle sowohl für Python, als auch für C/C++. Sie ermöglicht eine einfache Konfiguration und Integration der Messtechnik-HATs in Linux-Applikationen und ist für mehrere Linux-Distributionen verifiziert, darunter Raspbian, die populärste Distribution auf Raspberry-Pi-Computern. Viele Beispielprogramme inklusive Source-Code bieten Anwendern einen verständlichen Einstieg unter Linux.
Wer ist MCC?
MCC mit Sitz in Norton (MA) ist ein führender Anbieter für PC-gestützte Messtechnik, sowie von Datenloggern und Messtechniklösungen für das IoT. Mit seinen drei Produktlinien Measurement Computing, Data Translation und IOtech reicht die Produktpalette von preisgünstigen effizienten Multifunktions-Messgeräten und OEM-Messmodulen für die Integration in eigene Anwendungen bis hin zu technisch ausgereiften Instrumenten für hochpräzise Messtechnik für die Schall- und Schwingungsanalyse, Temperaturerfassung und Spannungsmessung. Die qualitativ hochwertigen Messgeräte sind mit einer umfangreichen Softwareunterstützung ausgestattet, können unter Windows, Linux oder Android eingesetzt werden und unterstützen zahlreiche gängige Messtechnikapplikationen und Programmiersprachen. Darüber hinaus bietet MCC eine breite Auswahl an autonomen Datenloggern für alle Einsatzzwecke, auch mit Anbindung über Internet.
Ende 2015 übernahm Measurement Computing den Messtechnik-Hersteller Data Translation, dessen deutsche Niederlassung in Bietigheim-Bissingen nun als Measurement Computing GmbH firmiert. Measurement Computing selbst ist seit 2005 ein 100-prozentiges Tochterunternehmen der National Instruments Corp./ Austin, TX.
Daniel Schmidt
(jj)
