Instrumentationen und Schnittstellen

1. Instrumentationen

1.1 Allgemein

Die computerbasierte Datenerfassung eröffnet neue Möglichkeiten für vielfältige Messungen.
Instrumentationen werden von Ingenieuren und Wissenschaftlern verwendet, um elektrische Signale (Spannung, Strom, Energie) und physikalische Phänomene wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit und Schwingungen zu erfassen.. Weiters werden sie eingesetzt um virtuelle Meßsysteme aufzubauen. Diese Systeme werden in Forschung und Industrie eingesetzt, unter anderem für automatische Tests, Laborautomation, industrielle Steuerungen, Produktionssteuerungen und numerische Analysen.

Instrumentationen haben folgende Funktionen:

Daten erfassen/messen eingehenden Daten analysieren analysierte Daten mit der Software (z.B. LabVIEW) präsentieren

Wenn man von Instrumentationen spricht muss man zwischen traditionelle Instrumentationen und virtuelle Instrumentationen unterscheiden.

Traditionelle Instrumentationen sind eigenständige Geräte wie Voltmeter, Temperaturmesser, Druckmesser usw.

Virtuelle Instrumentationen werden dazu verwendet um den Computer in ein Meßlabor zu verwandeln. Die virtuelle Instrumentation ist eine PC Einsteckkarte und wird mit spezieller Software die unter verschiedenen Betriebssystemen läuft bedient. Die Meßdaten werden über die Einsteckkarte auf den Computer übertragen und die Meßsoftware veranschaulicht die ausgewerteten bzw. berechneten Daten auf dem Bildschirm. Datenerfassung wird in fast jeder Meßanwendung eingesetzt, von Temperaturmessungen bis zu Dehnungsmessungen. Die flexible Architektur der Datenerfassung eignet sich hervorragend für die Entwicklung von individuellen Instrumenten und für die Automatisierung von Messungen für alle Anwendungen, gleichgültig ob portabel, im Labor oder in der Produktion.

Da wir eine Computer Schule besuchen, werde ich nur auf die virtuellen Instrumentationen eingehen.

Die am meisten gemessenen Werte:

Messen von hohen Spannungen und Stromstärken

Das Messen einer Spannung ist eine typische Datenerfassungsanwendung. Einige DAQ - Karten (DAQ=Data Acquisition) messen bis zu +/ - 42 V und andere bieten bis zu 64 Kanäle. Die Erfassungsraten können 5 MS/s pro Kanal bei 12 Bit und bis zu 20 MS/s pro Kanal bei 8 Bit erreichen. Spannungsmessungen werden z.B. häufig zum Lesen/Messen von fast allen Transducerausgaben, Batteriespannung und high - speed Transienten ausgeführt. Messungen am Stromstärkeeingang sind eng mit der Spannungsmessung verbunden. DAQ - Karten vereinfachen diese Messungen sehr, indem das Stromstärkesignal mit Hilfe eines Widerstands zu Spannung umgewandelt wird.

Frequenz, Druck und Dehnung

DAQ - Karten führen Frequenzmessungen auf unterschiedliche Art und Weise aus. Eine Möglichkeit ist der Gebrauch des auf der Karte integrierten Counter/Timers, um entweder die Periode oder die Anzahl pro Zeit für das hereinkommende Signal zu bestimmen. Aus dieser Information wird die Frequenz des Eingangssignals berechnet. Eine weitere Möglichkeit der Frequenzmessung ist durch Konditionierung. Dabei konvertiert ein externes Zusatzteil die Frequenz in eine proportionale DC - Spannung. Diese wird durch die DAQ - Karte gescannt und in Hertz skaliert. Frequenzmessungen werden für Informationen über rotierende Maschinen und Vibration verwendet. So kann man z.B. Datenerfassung einsetzten, um Geschwindigkeitsveränderungen einer Maschine oder eines Rades zu überwachen und aufzuzeichnen. Datenerfassung wird mit Signalkonditionierung für Druck und Dehnungsmessungen eingesetzt. Natürlich kann die Datenerfassung auch Druck und Dehnung bei hohen Raten überwachen und somit alle Feinheiten während der Dehnung oder Stauchung aufzeichnen. Anwendungsbeispiele sind: Pfeiler, Gehäuseflexibilität sowie angewandter Druck. So kann z.B. ein Dehnungsmeßstreifen an einen Brückenpfeiler befestigt werden, um mit Hilfe der Datenerfassung zu messen, wie stark sich die Brücke bei hohem Verkehrsaufkommen biegt.

Messung von dynamischen Signalen

Datenerfassung wird auch zunehmend für das Messen von oszillierenden oder dynamischen Signalen eingesetzt. Dynamische Signale sind Vibration und Audiosignale, die höhere Auflösung und Antialiasing - Filter benötigen. Die Entwicklung eines sigma - delta A/D Konverters hat die Datenerfassung dann in die vorderste Linie der Meßpräferenzen katapultiert. Jetzt bieten DAQ - Karten mehr als 200 kS/s Abtastraten pro Kanal, bis zu 4 Kanaleingänge, +/ - 42 V Eingangsbereich und Antialiasing - Filter von über 90 dB runter bis zu 1/6 einer Oktave. In Kombination mit Oktavenanalyse, Reihenfolgen - Tracking, hochauflösender Spektrumanalyse und mit der Fähigkeit der Datenerfassung, Daten in Echtzeit in das RAM zu schicken, hat man eines der leistungsfähigsten und flexiblen Werkzeuge für dynamische Signale, die es auf dem Markt gibt.

Temperaturmessung

Die Temperatur ist wahrscheinlich der am häufigste gemessene Wert. Datenerfassung ist dafür ideal, weil sie hohe Kanalzahlen und eine große Genauigkeit bietet. Temperaturen lassen sich auf verschiedene Art und Weise messen - doch zumeist mit Datenerfassung. Dabei sind Thermoelemente sehr weit verbreitet. DAQ - Karten mit extrem hoher Auflösung geben sehr genaue Temperaturdaten ab.

Ein Beispiel für computerbasierte Temperaturmessung mit Datenerfassung ist die Überwachung aller Aspekte eines Autos von mehreren Punkten aus. Mit einem computerbasierten DAQ - Instrument kann man die Motortemperatur an 10 verschiedenen Punkten messen, die Auspufftemperaturen an 5 Punkten, die Temperatur der Benzinleitung an 5 Punkten und die Getriebetemperatur an 5 Punkten. Die Vorteile der Datenerfassung für die Messungen liegen besonders in der hohen Kanalzahl, der hohen Auflösung, den Filteroptionen sowie in der Fähigkeit zur Überwachung, zu Alarm und Datenspeicherung.

1.2 Von Analog zu Digital

A/D - und D/A - Karten ermöglichen die Kommunikation des PCs mit analogen Geräten bzw. spannungs/stromgeführten Signalquellen. Insbesondere A/D - Karten dienen der Digitalisierung, Messung und Visualisierung von Spannungen und Vorgängen. D/A - Karten wiederum setzen digitale Eingaben in analoge Spannungen bzw. definierte Ströme um.

Ein am Analogeingang der Karte anliegendes Signal wird mittels A/D - Wandler in ein 8, 12, 10, 16 oder mehr Bit breites digitales Signal umgesetzt. Die Datenausgänge werden in einer Routine vom Rechner ausgelesen und weiterverarbeitet. Die Erfassung von Wechselsignalen hängt vorzugsweise von der max. Abtastrate des Wandlers und der Rechnergeschwindigkeit ab. Je öfter ein Signal innerhalb einer Periode abgetastet wird, desto genauer ist es reproduzierbar. Um Sampling - Fehler (Aliasing) zu vermeiden, sollte die Abtastrate mindestens doppelt so hoch wie die maximale Frequenz des Analogsignals sein. (Beispiel: CD - Player 44,1kHz). Unterabstastung eines Signals (z.B. Sinus) führt unweigerlich zu
Messfehlern, da eine Charakterisierung der Eingangsspannung nicht mehr möglich ist.

Es ist wichtig, immer mit dem kleinstmöglichen Meßbereich zu arbeiten, um ein Maximum an digitalen Werten von der gemessenen Spannung zu erhalten. Eine D/A - Karte geht den umgekehrten Weg: Sie liest Daten vom Datenbus des Rechners und setzt diese in Analogwerte (Spannung oder Strom) um. Innerhalb eines bestimmten Bereichs kann so eine
Spannung ausgeben werden. (Beispiel: Soundkarte). A/D - und D/A - Karten können prinzipiell sowohl unipolar als auch bipolar geschaltet werden, das heißt, sie können entweder einen Bereich von Null bis zu einem vorgegebenen Wert erfassen bzw. ausgeben, oder aber im bipolaren Betrieb sowohl positive als auch negative Spannungen und Ströme messen oder erzeugen.

A/D - und D/A - Karten finden ihren Einsatz bei :

Prozeßsteuerungen / Automatisierung Prozeßüberwachungen / Protokollierung Messungen im Labor Messungen in der Qualitätssicherung Fern -, Feld -, und Freiland - Messungen Messungen mit besonderen zeitlichen Vorgaben Protokollierung und Auswertung von Langzeitergebnissen Erfassung zeitkritischer Meßwerte Erfassung schneller Ereignisse bei der simultanen Erfassung von Meßwerten bzw. Zeitpunktmessung

In Kombination eignen sich die Karten zur Regelung von Prozeßabläufen und zur Prozeßautomatisierung überall dort, wo im Prozeß auf äußere Bedingungen flexibel reagiert werden muss.

1.2.1 Typische A/D - D/A Karte

Steckbrief:
12 - Bit - Multifunktionskarte für PCI - Bus
Preis: 9250 ATS
analoge Eingänge: 16/8(diff.)
- tconv = 3µs
- uni/bipolare Meßbereiche
- A/D FIFO - Speicher auf Karte
- automatische Kanaldurchschaltung bei Mehrkanalmessungen (sogar mit unterschiedlichen Meßbereichen)
AD - Modi:
- einfacher Softwaretrigger oder
analoge Ausgänge: 2 - interner Quarztrigger oder
digitale Eingänge: 4 - externer Triggerimpuls
digitale Ausgänge: 4 Datenübertragung:
- einfache Softwareabfrage oder
- per Interrupt oder
- per DMA.
Software: (Zubehör im Lieferumfang, andere Software optional)
Zubehör: PCI - 9118 Library & Utility für DOS und Windows 95 - DLL, im Lieferumfang
PCIS - DASK/NT [/98]: ADLink Dataacquisition Softwarekits für Windows NT /98
PCIS - LVIEW/95 [/NT]: LabVIEW - Treiber für Windows 95 oder Windows NT
DASYLab: Softwarepaket für Industrieanwendungen
DAQBench: 32 - bit Active - X - control für Windows NT/98
Lieferumfang: PCI - 9118DG - Karte + Anleitung + DOS - Treiber (C/C++ Programmlibrary) + Windows 95 - DLL.

1.2.2 Weitere A/D - D/A Karten für ISA - und PCI - Bus

Hinweis: AD: analoger Eingang, DA: analoger Ausgang,
DI: digitaler Eingang DO: digitaler Ausgang

Produkt	Kurzcharakteristik	Funktionen	Preis inkl. 20% Ust.
8 Bit Auflösung
ISA - Karte	AD - Eingänge: 1 Auflösung: 8 Bit A ->D - Umsetzzeit: 2 µs Spannungsbereiche: 0 - 1,25V, 0 - 2,5V, ±1,25V, ±2,5V DA - Ausgänge: 1 Spannungsbereiche: 0 - 1,25V, 0 - 2,5V, ±1,25V, ±2,5V Verwendbare Programmiersoftware: Alle Programmiersprachen mit Direkt - I/O - Zugriff	AD, DA	ATS 1276, -
10 Bit Auflösung
PCI - Karte	AD - Eingänge: 4 Auflösung: 10 Bit A ->D - Umsetzzeit: 50 ns (=> 20 MHz) Spannungsbereiche: ±1V, ±5V FIFO - Zwischenspeicher 64 kBytes für unterbrechungsfreie Messungen verwendbar Digitale Eingänge: 3 Inklusive DOS - und Windows 95 - DLL - Treiber Optional: Windows NT - Treiber, DASYLab - Treiber, LabView - Treiber für Windows 95 /NT, DAQBench (ActiveX) für Windows NT/98	AD,DI	ATS 19990, -
12 Bit Auflösung
ISA - Karte	AD - Eingänge: 16 Auflösung: 12 Bit A ->D - Umsetzzeit: 25 µs Spannungsbereiche: ±0,3125V, ±0,625V, ±1,25V, ±2,5V, ±5V Digitale Eingänge: 8 Digitale Ausgänge: 8 Verwendbare Programmiersoftware: Alle Programmiersprachen mit Direkt - I/O - Zugriff Optional: Windows - Treiber Optional: LabView - Treiber	AD, DI, DO	ATS 4120, -
PCI - Karte	AD - Eingänge: 32 Auflösung: 12 Bit A ->D - Umsetzzeit: 17 µs Spannungsbereiche: 20V Range Bipolar: ±10V, ±1V, ±0,1V 10V Range Bipolar: ±5V, ±0,5V, ±0,05V Unipolar: 0~10V, 0~1V, 0~0,1V FIFO - Zwischenspeicher 2 kB für unterbrechungsfreie Messungen verwendbar Autoscaneinrichtung (automatische Mehrkanalmessungen)	AD	ATS 7460, -

16 Bit Auflösung
ISA - Karte	AD - Eingänge: 16 (umschaltbar auf 8 Differenzeingänge) Auflösung: 16 Bit A ->D - Umsetzzeit: 8µs Spannungsbereiche: ±1,25V, ±2,5V, ±5V, ±10V DA - Ausgänge: 2 (mit 12 Bit) Spannungsbereiche: 0 - 5V, 0 - 10V Digitale Eingänge: 16 Digitale Ausgänge: 16	AD, DA, DI, DO	ATS 7880, -
PCI - Karte	AD - Eingänge: 16 Auflösung: 16 Bit A ->D - Umsetzzeit: 8µs Spannungsbereiche: ±0,625V, ±1,25V, ±2,5V, ±5V, ±10V FIFO - Zwischenspeicher 2kB für unterbrechungsfreie Messungen verwendbar Autoscaneinrichtung (automatische Mehrkanalmessungen) DA - Ausgänge: 1 (mit 12 Bit) Spannungsbereiche: 0 - 10V, ±10V Digitale Eingänge: 16 Digitale Ausgänge: 16	AD, DA, DI, DO	ATS 8350, -

1.3 Alles Digital

Digitale I/O - Karten eignen sich, um Schaltvorgänge von Digitalschaltungen auszulesen und zu erfassen. Ohne besondere Treiber bzw. Schutzelemente sind sie ausschließlich für Niederstromlasten einsetzbar. Am besten eignet sich eine Optokopplerkarte, die präzise und schnell äußere Schaltereignisse erfassen/steuern kann. Relaiskarten werden bevorzugt zur kleinen Leistungssteuerung eingesetzt. Sie sind sehr flexibel in der Wahl der verwendeten Spannung und verarbeiten Wechselspannungen und Ströme von 0,5 A und 2 A bzw. 10 / 50 Watt.

Digitale I/O - und Relaiskarten schalten externe Stromkreise vom PC aus und können Schaltvorgänge im PC erfassen. Mittels Software werden die Ein - und Ausgänge der Karten gesteuert. Jedes Relais hat zwei eigene Anschlüsse, sodass das Schalten von Spannungen mit unterschiedlichen Potentialen und auch das Schalten von Wechselspannung möglich ist. Ein ähnliches Verhalten zeigen Optokoppler. Sie fungieren oft als passive Eingänge und können somit nur Gleichstromvorgänge erfassen, zeichnen sich aber durch hohe Schaltgeschwindigkeiten und einen relativ weiten Spannungsbereich aus. Im Unterschied zum Relais ist das steuernde Signal letztlich Licht.

Relaiskarten schalten externe Stromkreise direkt vom PC aus. Wird ein Relais per Port - Befehl angesprochen, wird der Kontakt entweder geöffnet oder geschlossen. Dabei ist zu beachten, dass der externe Strom nicht zu groß gewählt wird, da er sonst die Schaltkontakte des Relais überlastet. Jedes Relais hat mindestens zwei Kontaktanschlüsse, so dass das Schalten von Spannungen mit unterschiedlichen Potentialen und auch das Schalten von Wechselspannung möglich ist.

1.3.1 Digitale I/O und Relaiskarten

Produkt	Kurzcharakteristik	Preis inkl. Ust
ISA - Karte	Isolierte digitale Ein - /Ausgabekarte digitale Eingänge: 32 davon 16 isolierte und 16 TTL - Eingänge digitale Ausgänge: 32 davon 16 isolierte und 16 TTL - Ausgänge Quarzoszillator & Zähler Sonstiges: Interruptunterstützung	ATS 2680, -
ISA - Karte	Digitale Ein - /Ausgabekarte digitale Ein - / Ausgänge: 48 Unterstützt 8255 - Betriebsart 0, d.h. die Datenrichtung der Ports lässt sich blockweise auf Eingabe oder Ausgabe programmieren Sonstiges: Interruptunterstützung	ATS 2100, -
ISA - Karte	Isolierte digitale Ein - /Ausgabekarte digitale Eingänge: 16 Optoeingänge (Für Gleich - oder Wechselspannungssignale) digitale Ausgänge: 16 Relaisausgänge	ATS 3270, -
ISA - Karte	Isolierte digitale Ein - /Ausgabekarte digitale Eingänge: 8 Optoeingänge (Für Gleich - oder Wechselspannungssignale) digitale Ausgänge: 8 Relaisausgänge	ATS 3020, -

1.4 Software

Was letztlich den entscheidenden Vorteil eines Computers in der Meß - und Automatisierungstechnik ausmacht, ist die Software, die zur Integration des Computers mit Meß - und Steuerungshardware eingesetzt wird. Ohne die Integrationssoftware können das Potential und die Vorteile von computerbasierten Meß - und Automatisierungssystemen nie ausgeschöpft werden.







Der Schlüssel für die Kommunikation mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Hardwares sind Standard - API’s (Application Programming Interfaces). Die meisten Programme sind Sammlungen von Standard - API’s, die die Meß - und Steuerungsgeräte mit dem Computer integriert. In der Software enthalten sind Instrumententreiber und elementare Service, um Tausende computerbasierte Instrumente für Meß - und Automatisierungsanwendungen zu programmieren und zu steuern.



Die Umfrage unter den Lesern von Personal Engineering and Instrumentation News zeigt, dass LabVIEW, LabWindows/CVI und Component Works die meistgenutzte Meß - und Automatisierungssoftware ist. Auch in der Elektrotechnik Abteilung unserer HTL wird mit der LabVIEW Software gearbeitet.

1.5 Mikrosekundengenaue Echtzeit - Verarbeitung unter Windows?

PCs mit MS - Windows als Betriebssystem sind für Meß - und Steuerungsaufgaben inzwischen
weit verbreitet. Doch die mangelnde Echtzeit - Fähigkeit von Windows bereitet bei vielen
Anwendungen Probleme. Mit speziellen Software - Erweiterungen ist dennoch der Einsatz von
Windows beispielsweise in Echtzeit - Steuerungen möglich. Wie können nun aber intelligente
Meßwerterfassungskarten die Reaktionszeit noch weiter verkürzen?

Immer noch wird der Begriff "Echtzeit" in der Werbung und auch von Experten in der
Fachpresse als eine Art Maßeinheit für die Schnelligkeit einer Aufgabenverarbeitung
verwendet. Mit dem Begriff "Echtzeit" wird aber lediglich festgelegt, dass ein System innerhalb einer definierten Zeit auf eine Anforderung reagieren muss. Zur Beschreibung einer
Steuerungs - und Regelungsaufgabe reicht es aber nicht aus, "Echtzeit" zu fordern. Die
Anforderungen sind erst vollständig definiert, wenn außerdem die Zeit angegeben wird, in der
das System mit Sicherheit reagiert haben muss.

Echtzeit - was ist das?

Je nach Art der Anwendung kann sich diese Reaktionszeit innerhalb eines weiten Bereichs
bewegen:

Für Einsatzbereiche wie zum Beispiel Temperaturregelungen oder Füllstandsüberwachungen sind Reaktionszeiten von einigen Sekunden völlig ausreichend. Anlagensteuerungen erreichen typischerweise Reaktionszeiten in einen Bereich von 100 bis zu einigen wenigen Millisekunden. Beispielsweise für schnelle digitale Regelungen, Online - Filterungen, Steuerungen von Schwingungsprüfständen oder Raster - Tunnel - Mikroskopen sowie für Überwachungen von Drehzahlschwankungen sind Reaktionszeiten im µs - Bereich erforderlich.

Der Begriff "Reaktionszeit" lässt sich in diesem Zusammenhang wie folgt definieren:
Reaktionszeit ist die Zeitspanne zwischen dem Eintreffen eines Anforderungssignals am
Eingang eines Meß - und Steuerungssystems und der Ausgabe eines Antwortsignals am
Ausgang desselben Systems. Die Zeit für die Verarbeitung des Signals entsprechend der
Meßaufgabe ist in dieser Zeitspanne bereits enthalten. Die Geschwindigkeitsanforderung der
Meßaufgabe ist deshalb immer die Basis für die Auswahl des Meß - und Steuerungssystems.

1.6 Kriterien für den Kauf von Instrumentationen

Man sollte an Hand dieser Liste die verfügbaren Meßkarten oder Meßsysteme beurteilen. Manchmal muss man den Vorteil eines schnellen und genauen Systems gegen den hohen Preis aufwägen. Billige System erfordern dagegen meist großen Programmieraufwand oder sind sehr langsam. Messtechnik und PC - Messkarten sind allgemein gesehen nicht komplizierter als die Installation einer Festplatte in einen Rechner. Der Vergleich ist passend, da eine Festplatte wie auch die Messkarte diverse Anschlüsse aufweisen, nach Kapazitäten, Bittiefen, Geschwindigkeiten und Anschlussart ausgewählt werden und ohne eine bestimmte Betriebssoftware nicht funktionieren kann.

Einsatzort freier Platz im PC (Laptop ?) und verfügbare Versorgung Umgebung (Temperatur, Staub, Erschütterungen) ausreichende Rechengeschwindigkeit (evtl. Karte mit eigener "Intelligenz" notwendig) Form (Länge: halb, dreiviertel oder voll; Bauhöhe; Abschirmung, Kontaktschutz) Veränderbare I/O - Adressen, Interrupts und DMA's (bei Laptops oft Einschränkungen) Umsetzung des zu erfassenden Signals in die meßbare Spannungen (Verstärkermodule) Programmtools Sofort einsetzbare Meß - und Auswerteprogramme Grundroutinen für eigene Programme Beschreibung Ausreichende Dokumentation der physikalischen Parameter (Stromverbrauch, Genauigkeit) Ausreichende Programmierbeschreibung (Port, Abfrage von Meßwert) Preis Verfügbarkeit ISA - oder PCI - Bus

Viele Entwickler favorisieren den ISA - Bus, denn die Vorteile liegen klar auf der Hand. Als einziger Bus aller bisheriger Personal - Rechner (PC, XT,AT,PS2 mit EISA, Micorchanal, VLB, PCI...), verfügt der ISA - Bus über ein bestechend klares, einfaches I/O - Bus - Konzept das jeder Anwender schnell und leicht durchschaut. Alle Signale sind exakt definiert und mit dem am Markt üblichen Bauteilen ist es kein Problem eine sichere, industriegerechte Schaltung zu entwickeln.
Der zuletzt vorgestellte PCI - Bus hat bereits schon 4 große Revisionen hinter sich. Ein endgültiger Stand (geschweige Standard) ist nicht abzusehen. Daher kann es sein, dass Sie heute eine PCI - Karte kaufen, die morgen bereits nicht mehr in Ihrem neuen Rechner
funktioniert (oder umgekehrt). Schade eigentlich, denn der PCI - Bus ist in seiner Grundidee garnicht mal so schlecht. Vor lauter geänderten Konventionen weiß der Hardware - Entwickler nur nicht mehr wie er zukünftig vorgehen soll, denn er soll ja schließlich ein gutes Langzeitprodukt für die Industrie entwerfen.

Die Frage: "Was ist denn jetzt besser" ist nicht so einfach zu beantworten. In der Regel ist dies von der entsprechenden Anwendung selbst, der geforderten Betriebssicherheit, den Gesamtanschaffungskosten, der PC - Leistung und der möglichen/erhältlichen Mess - Software abhängig.

2. Schnittstellen

2.1 Allgemeines über Schnittstellen

Schnittstellen (Interface) sind immer dann zu beachten, wenn zwei unterschiedliche Geräte zusammenarbeiten sollen, z.B. Computer und Drucker. Damit diese peripheren Geräte auch mit dem Computer kommunizieren können, müssen sie in der Regel über ein Kabel, dem sogenannten Schnittstellenkabel, mit diesem verbunden werden.
Insgesamt werden drei Möglichkeiten der Datenübertragung unterschieden: Simplex, Halb - Duplex, Voll - Duplex (Bild 1). Dabei kann eine Schnittstelle sowohl die Möglichkeit des Sendens als auch des Empfangens beinhalten.





Abb. 1 Datenübertragungsarten


Zeichen werden grundsätzlich im 8 - Bit Format dargestellt (kodiert), d.h. für die Übertragung von Zeichen (Zeichenfolgen), was jede Datenübertragung letztlich darstellt, ergibt sich die einfache Möglichkeit, dass die notwendigen 9 Leitungen (8 Datenleitungen, 1 Masseleitung) einfach mit Hilfe einer entsprechenden Steckverbindung zum peripheren Gerät weitergeleitet werden. Es befinden sich also alle 8 Datenleitungen parallel nebeneinander, so dass man von einer parallelen Schnittstelle spricht (Bild 2).

2.2 Asynchrone - Synchrone Ãœbertragung

Obwohl die technische Realisation des Übertragungsverfahrens primär nicht zu dem Bereich der Schnittstelle gehören, sollen sie hier kurz erwähnt werden. Ein Problem bei jeder Datenübertragung (Kommunikation) besteht in der Mitteilung des Beginns und des Endes der Übertragung. Sender und Empfänger müssen also gleichgeschaltet, synchronisiert, werden. Diese Gleichschaltung kann mit jedem einzelnen zu übertragenen Zeichens auf neue erfolgen, z.B. beim Morsen durch Übertragen eines Tones bestimmter Dauer, so dass der Empfänger weiß, jetzt kommt ein Zeichen. Diese Methode bezeichnet man auch als asynchrone Übertragung, denn zwischen zwei Zeichen aus einem gesamten Block kann jeweils eine beliebig lange Zeitspanne liegen. Man spricht daher auch von einem Start - und einem Stopbit. Serielle Datenübertragung erfolgt fast ausschließlich asynchron; der technische Aufwand ist am geringsten.

<sup>Bei der synchronen Datenübertragung wird nur der einmalige Beginn des gesamten Sendevorgangs mitgeteilt. Danach werden die einzelnen Daten (Zeichen) in einem fest vorgegebenen Zeitverhältnis übermittelt, sie kommen in jeweils gleichen Zeitabständen an, sozusagen synchron. Diese Anwendung findet sich vielfach bei parallelen Schnittstellen.

Grundsätzlich kann jede Schnittstelle mit dem asynchronen oder synchronen Übertragungsverfahren arbeiten.</sup>

2.3 Parallele Schnittstelle

Aus historischen Gründen bezeichnet man diese Schnittstelle auch als Centronic - Schnittstelle; die Firma Centronic hatte diese Form zuerst definiert und firmenintern normiert. Aufgrund dieser Entwicklung wird auch die entsprechende Steckverbindung mit dem Namen Centronic versehen.


Abbildung 2 Parallele Datenübertragung

Aufgrund der fehlenden Normierung gibt es auch andere Steckverbindungen für die parallele Schnittstelle, so verwendet IBM für seine PC's eine 25 - polige Canon - Steckverbindung, die sonst nur für die serielle Datenübertragung genutzt wird.



Abb. 3 Centronics - Schnittstelle
Strobe: Datenübertragung beginnt
Acknlg: Quittungssignal
des Empfängers
Slct: Drucker ist OnLine
Gnd: Masseleitung
Data 1..8: Datenleitungen Datenleitungen
Busy: Empfänger nicht bereit
Pe: Kein Papier (Paper End)










Vorteile:

Die Datenübertragung über eine parallele Schnittstelle ist äußerst schnell Der technische Aufwand ist minimal; das Datenübertragungsformat entspricht der internen Darstellung von Zeichen, so dass keine besondere Umwandlung nötig ist.

^Nachteile:

^{Das entsprechende Verbindungskabel zwischen Computer und peripherem Gerät muss in der Minimalversion mindestens 12 - polig sein (bei nur einer Masseleitung). In der Regel ist das Kabel 25 - polig (jede Datenleitung hat eine eigene Masseleitung, zusätzlich Steuerleitungen).Kabellängen über 2m führen häufig zu Schwierigkeiten bei der Datenübertragung. Aufgrund der hohen Übertragungsrate beeinflussen sich die parallelen Datenleitungen gegenseitig (Transformatoreffekt), so dass es zu fehlerhaften Informationen kommen kann.}

Einsatzbereiche der Parallelen Schnittstelle:

^{Vor allen Dingen beim Betrieb von Druckern und Plottern an einen Computer.}

2.4 Serielle Schnittstelle

Eine typische serielle Schnittstelle ist die Verbindung zwischen dem alten Morsetelegraph und den beiden Telegraphenleitungen. Die Übermittlung der in lange und kurze Töne kodierten Zeichen erfolgte nicht spontan (parallel), sondern nacheinander (seriell) durch Vorgabe von "kurz" oder "lang". An der Empfangsstation steht das Zeichen somit erst nach einer gewissen Umwandlungszeit zur Verfügung; die seriell ankommende Information muss erst wieder in das richtige Format gebracht werden. Obige Ausführungen zeigen bereits, dass die serielle Schnittstelle bereits seit langem angewendet wird, denn für die Verbindung (Kabel) braucht man in der Minimalversion nur zwei Leitungen, eine Daten - und eine Masseleitung. Diese Anordnung findet man aber auch in jeder Telefonleitung. Die Anwendung der seriellen Schnittstelle bringt also hier enorme Möglichkeiten mit sich, so dass man den erhöhten technischen Aufwand der Umwandlung Parallel - Seriell - Parallel in Kauf nimmt.



Abb. 4 Serielle Datenübertragung

Serielle Schnittstellen werden häufig auch als V24 - oder RS232C - Schnittstelle bezeichnet. Bild 5 zeigt die am häufigsten verwendete Steckerbelegung, die 25 - polige Anordnung mit entsprechenden Canon - Steckern (Buchsen).

Im Gegensatz zur parallelen Schnittstelle lässt sich die serielle durch eine weitere Datenleitung, der Empfangsleitung, sowohl zum Senden als auch Empfangen verwenden, weshalb im Voll - Duplex - Betrieb (Bild 1) fast ausschließlich serielle Schnittstellen verwendet werden, insbesondere bei größeren Entfernungen.




Abb. 5 Serielle Schnittstelle
Fgnd, Gnd: Masse
RTS: Anforderungsleitung (Ready To Send)
DTR: Empfänger betriebsbereit (Data Terminal Ready)
TXD: Sendeleitung (Transmitted Data)
RXD: Empfangsleitung (Recieved Data)
CTS: Sendebereitschaft (Clear To Send)
TC,RC: Synchronisationstakt













^Vorteile:

Entsprechende Verbindungskabel brauchen prinzipiell nur aus wenigen Leitungen zu bestehen (Sende -, Empfangs -, Masse - und Steuerleitung). Da keine Beeinflussung durch andere Kabel möglich ist, sind lange Übertragungsstrecken möglich. Einfache Erweiterung zur Empfangsmöglichkeit. Für bestimmte Anwendung kann auf das vorhandene Telefonnetz zurückgegriffen werden (Modem).

Nachteile:

Daten müssen erst aufbereitet werden, bevor sie übertragen werden können. Danach muss wieder eine Rückübertragung in das alte Format erfolgen. Die Übertragungsrate liegt weit unter der von parallelen Schnittstellen.

Einsatzbereiche der Seriellen Schnittstelle:

Drucker, Plotter, Diskettenlaufwerk, Joystick, weiterer Computer (zum Datenaustausch).

2.5 Schnittstellenkarten

Produkt	Kurzcharakteristik	Preis inkl. Ust.
Schnittstellenkarte	16 - Bit Schnittstellenkarte Serielle Schnittstellen: - 4 serielle Schnittstellen (RS232) - 16 Byte FIFO pro Schnittstelle Parallele Schnittstellen: - 3 parallele Schnittstellen (2 bidirektional) Gameport Schnittstellen: - 1 Gameportschnittstelle Sonstiges: - 16 Bit - Karte - IRQs von 3 - 15 steckbar - alle Schnittstellen aktivier - / abschaltbar	ATS 690, -
Vision Systems VS - 200/PCI	PCI - Schnittstellenkarte mit zwei seriellen Schnittstellen (RS232), 2xUART - Chip 16550C, PCI Plug & Play, nur ein Interrupt pro Karte, max. 921 kbit/s, kompatibel zu DOS, Windows 3.x, Windows95, NT, OS/2, Unix, Linux	ATS 1092, -
Vision Systems VS - 4COM/TURB	ISA - Schnittstellenkarte mit vier seriellen Schnittstellen, UART - Chip 16550A kompatibel, IRQ 2 - 7 und 10 - 15, shared interrupt, zwei bidirektionale und eine EPP/ECP parallele Schnittstellen, bis 460800 bit/s, keine Treiber, da nativer Support in Windows 3.1, Windows95, Windows NT, OS/2	ATS 1800, -
Vision Systems VS - 800/PCI	PCI - Schnittstellenkarte mit acht seriellen Schnittstellen (RS232), 2xUART - Chip 16550C, PCI Plug&Play, nur ein Interrupt pro Karte, max. 921 kbit/s, kompatibel zu DOS, Windows 3.x, Windows95, NT, OS/2, Unix, Linux	ATS 4380, -
Digi ACCELE - P8A	ISA - High - Speed Schnittstellenkarte mit acht seriellen Schnittstellen, RISC - Prozessor, 16 MHz, 128 KByte RAM, bis 230400 bit/s, Anschlussbox mit 8xDB25 - Stecker	ATS 10572, -

2.5 Universal Serial Bus - USB

Die benutzerfreundliche Anschlußtechnik für PC - Peripherie

Schon seit einigen Jahren diskutiert die PC - Branche über eine neue Verkabelungstechnik zwischen PC und Peripheriegeräten, die den Kunden das Leben leichter machen soll: der
Universal Serial Bus (USB). Die Idee ist bestechend: Mit einem einheitlichen Steckertyp lassen sich bis zu 126 Peripheriegeräte am PC anschließen und betreiben. Dies gilt nicht nur für klassische PC - Peripherie (Monitor, Tastatur, Maus, Drucker), sondern auch für z. B. Telefone, externe Fax - und Datenadapter oder Videokameras. Der heutige Kabelsalat mit unterschiedlichen Steckern hat mit USB ein Ende.

Die Unternehmen, die für dieses Thema Pate gestanden haben (Intel, Microsoft, DEC, IBM, NEC, Compaq und Northern Telecom), hatten neben dem Komfort für den Kunden natürlich auch ihr eigenes Geschäft mit Hardware, Software und Endgeräten im Fokus, denn für USB sind leistungsfähige PCs, geeignete USB - Controller und entsprechende Treiber erforderlich. Erste PCs mit USB - Schnittstellen sind bereits verfügbar. Ins Betriebssystem integrierte
USB - Treiber wird es mit Windows 98 geben.

2.5.1 Kundennutzen

Ein wesentlicher Vorteil des USB liegt im echten Plug and Play, d. h. USB erkennt die
angeschlossenen Peripheriegeräte automatisch und sorgt auch für eine automatische
Konfiguration. Das An - und Umstecken von Peripheriegeräten kann bei laufendem PC auch während einer Anwendung erfolgen (Hot Plugging). Es müssen in der Regel keine geräteindividuellen Treiber installiert werden. Ein Neustart des PCs ist ebenfalls nicht erforderlich. Da lediglich der USB - Controller einen Interrupt im PC verwendet, entfällt die lästige Sucherei nach freien Interrupts, die ja bei herkömmlichen Einsteckkarten oft zu Problemen führt.
Für viele Schreibtische bietet USB einen weiteren Vorteil: Die Peripheriegeräte müssen nicht zwangsläufig an der PC - Rückseite angeschlossen werden. Von dort läuft lediglich ein USB - Kabel zu einem USB fähigen Peripheriegerät (z. B. einer USB - Tastatur), welches dann seinerseits den Anschluß weiterer Geräte erlaubt (z. B. einer Maus) = sog. Free Plugging. Insofern können bestimmte Geräte mit USB - Anschluß gleichzeitig als Multiplikator für weitere Geräte dienen. Diese Verteiler innerhalb des USB werden als Hubs bezeichnet.

2.5.2 Technische Details

Neben den bereits genannten Merkmalen sind noch einige technische Charakteristika des USB zu nennen: die Bus - Topologie, die Pipe - Kommunikation, die Datentransferarten sowie die Bandbreite des USB.

Bus - Topologie

Der USB ist, obwohl der Name dies suggeriert, kein Bus im klassischen Sinne. Die
Topologie des USB wird am besten durch den Begriff Verteilter Stern beschrieben d. h. die
einzelnen Peripheriegeräte (die sogenannten Devíces) werden sternförmig an verteilten
Verbindungspunkten (den sogenannten Hubs) angeschlossen. Identifiziert werden diese
Peripheriegeräte jedoch wie an einem Bus üblich, über linear verteilte Adressen, die unabhängig von der Existenz dieser Verbindungspunkte sind. Die Länge des Kabels zwischen einem Hub und einem Peripheriegerät darf maximal 5m betragen. Der PC, an dem die Hubs bzw. die USB - Geräte angeschlossen sind, ist verantwortlich für die Kommunikation zwischen den einzelnen Geräten. So können USB - Geräte untereinander nur über den PC (den sogenannten Host) als Initiator der Kommunikation Daten austauschen. Der eigenständige Datentransfer zwischen USB - Geräten ohne geeignete Host - Software ist nicht möglich.

Pipe - Kommunikation

Die Treiber - Software im PC stellt zur Kommunikation mit den USB - Geräten die
sogenannten Pipes zur Verfügung. Dies sind logische Übertragungskanäle, in denen die
Daten vom Device zum Host und umgekehrt transportiert werden. So muss der
Programmierer eines Host - Treibers nicht die Register eines Peripherie - Controllers direkt
programmieren, sondern er hat die Möglichkeit, das externe USB - Gerät über einfache
Pipe - Funktionen anzusteuern.

Datentransferarten

Wie die herkömmlichen PC - Karten und Peripheriegeräte erfordern auch USB - Geräte unterschiedliche Steuerungs - und Datenübertragungsmöglichkeiten. So gibt es Geräte, die eine definierte Bandbreite des USB erfordern, damit kein Abriß des Datenstroms erfolgt (z. B. ISDN - Geräte, USB - Kameras). Andere erfordern sofortige Reaktionen innerhalb kürzester Zeit (z. B. Maus). Diese Anforderungen werden durch die Bereitstellung verschiedener Datentransferarten erfüllt: isochron, bulk, interrupt und control.

Bandbreite

Der USB hat eine Bandbreite von 12 Mbit/s, d. h. er ist mit der Bandbreite des SCSI - 1 (10 Mbit/s) vergleichbar. Er ist somit für langsame Peripheriegeräte wie Maus, Tastatur bis hin zu langsamen SCSI - Geräten (z. B. Scannern) oder komprimiertem Video einsetzbar.
Weiterhin unterscheidet man zwischen Low - Speed und High - Speed USB - Controllern.
High - Speed USB - Controller unterstützen die volle Bandbreite des USB (d.h. 12 Mbit/s).
Low - Speed USB - Controller unterstützen lediglich 1,5 Mbit/s, sind aber kostengünstiger
und daher z. B. für Tastaturen und Mäuse geeignet.


Zusammengefaßt gibt es folgende Vorteile und Neuerungen von USB:

Dank "Plug and Play" wir die Hardware automatisch erkannt und eingerichtet. Geräte - Erweiterung bzw. - Entfernung auch bei laufenden Betrieb ("Hot Plug") Übertragungsrate bis 12 MB/s Ein Anschluß für alle Geräte Integration von Telefon Größere Erweiterungsmöglichkeit (bis 127 Geräte, 5 Meter Kabel,...) Hardware - Resourcen sparend: USB Controller benötigt nur einen IRQ

Der Nachteil liegt darin, dass man alte Komponenten nicht weiter verwenden kann.

Serielle Schnittstelle	115 Kb/s
USB (low speed)	1,5 Mb /s
Parallele Schnittstelle	8 Mb/s
USB (full speed)	12 Mb/s

Einsatzbereiche der USB - Schnittstelle:

Ãœberall dort wo die serielle und parallele Schnittstelle eingesetzt wird.

2.6 IRDA

2.6.1 Allgemeines über Infrarot

Infrarotstrahlung hat eine Lichtwelle mit einer Länge von 700 nm bis 1600 nm. Die Wellenausbreitung ist kontrollierter als Funkwellen und daher abhörsicherer. Die Reichweite dagegen ist wesentlich geringer. Infrarot beeinträchtigt keine anderen elektromagnetischen Geräte und ist demnach auch störungsunanfälliger gegen

elektromagnetische Störungen Gewitter Stromleitungen andere Geräte

Dagegen anfällig ist eine IR - Übertragung von Licht und anderen IR - Sendern. IR - Technik ist kostengünstiger als Glasfaserverbindungen.
Nachfolgend eine kleine Tabelle zum Vergleich von Ãœbertragungstechniken.

Kriterium	Funk	Infrarot	Kupfer	Glasfaser
Reichweite	groß (durch Wände)	gering <10m	groß	groß
Ausbreitung	kontrolliert	kontrolliert abhörsicher	kontrolliert	kontrolliert
Störungsanfällig gegen	Gewitter, Stromleitungen, elektrische Geräte	Tageslicht	Gewitter, Stromleitungen	-
Kosten	hoch	gering	mittel	hoch

Anwendungen der Infrarotschnittstelle:
Infrarot - Tastaturen, Infrarot - Mäuse, Infrarot - Joysticks, Verbindung von Handy mit Computer -> damit kann man z.B mit dem Computer über das Handy im Internet surfen, Faxen, E - Mails versenden.

2.6.2 Was ist IrDA ?

IrDA steht für Infrared Data Association. IrDA ist eine Standardisierung der IR - Datenübertragung die 1993/1994 von Temic Telefunken und Hewlett Packard gegründet wurde. Das Konsortium hat schon über 100 Mitglieder weltweit. Man kann für $6000 executiv Member werden und für bereits $500 die Specifikation documents erlangen.

Der IrDA Standart teilt sich in zwei Teile:

SIR (Serial Infrared) IrDA V1.0

Diese Technik verwendet HP schon seit langen in ihren Geräten. Übertragungsgeschwindigkeiten der gängigen UART's sind
möglich. (minimal 9600 bps und maximal 115200 bps).

FIR (Fast Infrared) IrDA V1.1

Der etwas schnellere Standart mit Geschwindigkeiten bis zu 4 Mbit/s.

In Zukunft sollen sogar Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 10 Mbit/s möglich sein und eine Punkt zu Mehrpunktverbindung duch diffuse Ausstrahlung von IR.

2.7 Kriterien für den Kauf von Schnittstellen

Preis Anzahl der Anschlüsse (z.B. 4 mal parallel, 2 mal seriell) Übertragungsrate ISA - oder PCI - Bus Mitgelieferte Treiber Bei paralleler Schnittstelle prüfen ob ECP/EPP fähig

3. Liste kontaktierter Firmen

Für INSTRUMENTATIONEN

National Instruments
Österreich - Vertretung:
National Instruments Ges.m.b.H
Plainbachstr. 12
5101 Salzburg - Bergheim
Tel: (43) 662 / 457990 - 0
Fax: (43) 662 / 457990 - 19
e - mail: niaustria.support@natinst.com
www: www.natinst.com/austria

Material bekommen: Instrumentation Catalogue 1998 (864 Seiten)
Instrumentation Catalogue 1999
Demo - Software auf CD: LabVIEW 5.0

Intelligent Instrumentation
Österreich - Vertretung:
RH - Tech Handelsges.m.b.H
Senefeldergasse 11
1100 Wien
Postfach 106
Tel: (43) 1 / 6026371
Fax: (43) 1 / 6032295
Kontaktperson: M. Rohringer

Material bekommen: Factory View ( ->Produktkatalog)
RH - News 4/1998

Bitzer Digitaltechnik
Deutschland:
Postfach 1183
73601 Schorndorf
Telefon: (07181) 97880 - 10 - Telefax (07181) 97880 - 20
e - mail: bitzer - digitaltechnik@T - online.de
www: www.bitzer - digitaltechnik.de

Für SCHNITTSTELLEN

Transtec
Österreich - Vertretung:
Transtec Ges.m.b.H
Handelskai 388/Top 633
1020 Wien
Telefon: 0222/7266090
Fax: 0222/7266090 - 99
e - mail: rma.at@transtec.de
www: www.transtec.co.at

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