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.

Raspberry Pi

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

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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).

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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.

Bildergalerie:„Raspberry Pi goes Industrial – Projekte, Prototypen und Produkte”
Raspberry Pi goes Industrial: Die ersten Features für industrielle Anwendungen bot der 2017 auf den Markt gekommene Pi3 Model B+ mit einem schnelleren Prozessor, zertifiziertem Funkmodul, schnellerem Ethernet, 5-GHz-Wi-Fi und verbessertem thermischem Verhalten.
Für ein neues Design ist nicht immer auch ein neuer Raspberry Pi notwendig. HATs (Hardware Attached on Top) sind oft ausreichend, um das Board an die neuen Anforderungen anzupassen.
Dieses PoE-HAT, angekündigt beim Pi3+-Launch, kommt neben Power over Ethernet mit einem kontrollierbaren Lüfter und lässt sich auf andere HATs aufstecken.
Seine offene Plattform und der modulare Ansatz eröffnen zahlreiche Möglichkeiten, den Raspberry Pi nahtlos zu integrieren. Hier im Bild ist der Einplatinencomputer beispielsweise in den Displays von NEC bereits im Einsatz.
Kontron integriert den Raspberry Pi hier beispielsweise in ein System zur Patientenüberwachung im Krankenhaus. Das System ist im Krankenbett untergebracht und überwacht Herzschlag und Bewegungen des Patienten. Zur Auswertung der von einer Wägezelle erzeugten Daten ist eine zweite Cortex-M3-CPU notwendig.
Auch dieses Bluetooth-Gateway von Kontron nutzt den RPi. Das Gerät für Laboranwendungen sammelt Daten von Bluetooth-Sensoren und verarbeitet diese weiter für die Dokumentation. Die Stromversorgung geschieht hier über USB-C.
Mit diesem Raspberry-Pi-Industrial-Starterkit von Kontron lassen sich schnell Prototypen entwickeln und die Zeit bis zum fertigen Produkt erheblich reduzieren. Es verfügt über Analog- und Digital-I/Os, RS485 / RS232 und zwei Ethernet-Anschlüsse für Gateway-Applikationen. Das Raspbian-OS mit Treibern und Demos ist bereits vorinstalliert.
Hier ist das Industrial-Starterkit in einer Display-Anwendung im Einsatz.
„Raspberry Pi goes Industry“ ist auch bei Erminas und Kunbus das Stichwort. Für die Entwicklung dieser Steuerlösung für den Einsatz im Bahnbereich war viel Überzeugungsarbeit dahingehend notwendig, dass sich der RPi auch in anspruchsvollen industriellen Sektoren bewähren kann.
Die Revolution-Pi-Steuerung übernimmt hier das Realtime-Monitoring eines Systems, das Abwasser aus Zügen pumpt und sie mit Frischwasser versorgt. Sie steuert unter anderem zwei elektrische Verschlüsse mit Anwesenheitserkennung, Taster und LEDs auf dem Bedienfeld, diverse Heizungen, eine Wasseruhr sowie die Arbeitsbeleuchtung.
Zum Einsatz kommt in der Steuerung das Raspberry-Pi-Compute-Modul, ein echter RPi, der allerdings eher einem Speicherriegel ähnelt. Kunbus entwickelte mit dem Revolution Pi ein industrielles Breakout-Board, für das diverse Erweiterungsmodule für Netzwerke, Feldbus und Funktechnologien erhältlich sind.
Der Revolution Pi ist eine Industrie- und Kleinsteuerung nach EN61131-3, modular nahezu unbegrenzt um Ein- und Ausgänge erweiterbar und in der Lage, mit allen üblichen Industrienetzwerken zu kommunizieren. Er arbeitet bei Umgebungstemperaturen von -40 °C bis +55 °C und mit Versorgungsspannungen von 11 bis 28 V.
Bei der Kooperation von Polyrack und Digital Concepts war die Entwicklung eines Smart-Enocean-Gateways auf RPi-Basis das Ziel. Hierbei ist der EMV-Test oft die Stunde der Wahrheit und zeigt die Tauglichkeit des RPi für industrielle Anwendungen. Hier im Bild das zweite Gehäusekonzept für das Gateway.
Bei diesem Konzept für das Smart-Enocean-Gateway werden der Raspberry Pi und ein Add-on-Board zusammengesteckt und in ein Strangpress-Profilgehäuse eingeschoben. Zielanwendung für das Gateway, für das Digital Concepts die Software liefert, ist etwa der Einsatz im Smart Home. Es unterstützt dabei unter anderem das Apple Homekit.
Distributor Farnell Element 14 bietet seinen Kunden die Möglichkeit, den Raspberry Pi speziell auf die jeweilige Anwendung hin zu modifizieren. Wie das in der Praxis aussieht, zeigt dieses Video: <iframe src="https://player.vimeo.com/video/304807877" width="640" height="361" frameborder="0" webkitallowfullscreen mozallowfullscreen allowfullscreen></iframe>
Noch mehr Details und Beiträge zum Raspberry Pi finden Sie hier: <a href="https://www.all-electronics.de/raspberry-pi-3-model-a/"> Raspberry Pi 3 Modell A.</a> und <a href="https://www.all-electronics.de/die-skurrilsten-raspberry-pi-projekte/"> Skurile Projekte mit dem Raspberry Pi</a>

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.