Datenrekorder Daten aufzeichnen und weiterleiten

Redakteur: Holger Heller

Die Verfügbarkeit von Daten aller Art ist immer mehr gefragt. Die Aufgabenstellungen dabei sind unterschiedlichster Natur. Die tecnotron elektronik GmbH ist als Elektronikdienstleister mit diesen verschiedenen Einsatzfällen immer wieder konfrontiert. Daher wurde ein allgemeines Konzept für Datenrekorder und darüber hinausgehende Aufgaben erstellt.

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Oft können anfallende Daten nicht sofort ausgewertet werden. Sie werden daher direkt nach der Erfassung nur gespeichert. Die Auswertung wird dann zu einen späteren Zeitpunkt durchgeführt. Für diese Vorgehensweise gibt es verschiedenste Gründe:

  • Daten können in einer so hohen Geschwindigkeit anfallen, die eine sofortige Auswertung unmöglich machen. Es würde ein entsprechend schneller und damit kostenintensiver Rechner vor Ort benötigt werden. Die gespeicherten Daten können in diesem Fall zeitversetzt langsamer abgerufen und damit durch einen kostengünstigen Rechner ausgewertet werden.
  • Eine Auswertung vor Ort wird nicht benötigt, da die erfassten Daten nur zur Kontrolle und Bewertung des überwachten Prozesses dienen, z.B. Temperatur, Feuchtigkeit und Erschütterung von Warensendungen. Über eine geeignete Schnittstelle, z.B. USB oder, im Falle von wasserdichten Ausführungen, über RFID können die Daten auf einen PC überspielt werden. Die Auswertung wird mit Standardprogrammen, z.B. Excel, oder mit speziellen, kundenspezifischen Programmen durchgeführt.
  • Erstellung eines virtuellen Modells aus den empirischen Daten, da eine mathematische Beschreibung des System zu komplex ist. Die aufgezeichneten Daten werden zueinander in Korrelation gesetzt und eine einfachere mathematische Beschreibung abgeleitet. Nach einer Aufbereitung können sie auch in eine Tabelle einer Simulationsumgebung einfließen, um so das Systemverhalten nachzubilden.
  • Einzelne Softwaremodule werden mit verschiedenen Datensätzen auf korrektes Verhalten überprüft. Die Daten werden dazu unter verschiedenen äußeren Betriebsbedingungen des Systems, z.B. Temperatur oder Vibration, erfasst. Die ständige Verfügbarkeit des realen Systems unter diesen bestimmten Bedingungen ist dadurch nicht notwendig. Durch die exakt gleichen Eingangsdaten ist nach einer Softwaremodifikation oder während der Entwicklung eine absolute Vergleichbarkeit der Ausgangsreaktionen gegeben.

Datenrekorder werden auf dem Markt für eine Vielzahl von unterschiedlichsten Anwendungen angeboten. Allen gemein ist dabei ein Grundprinzip. Die eingehenden Daten werden zunächst für die weitere Verarbeitung konditioniert. Eine Steuereinheit übernimmt die Weiterleitung des Datenstroms an einen internen Speicher. Nach der Erfassung können die gespeicherten Daten über eine Ausgabeschnittstelle abgerufen werden. Über diese Schnittstelle wird meist auch die Konfiguration des Datenrekorders vorgenommen (Bild 1).

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Die Konditionierung der Daten kann ein einfacher digitaler Bus-Empfänger, z.B. RS422, CAN etc. sein oder ein komplexes Analog-Frontend mit A/D-Wandler und zugehörigen Anti-Aliasing Filter. Der Speicher ist mittels flüchtigen oder nicht-flüchtigen Technologien (RAM, Flash, EEPROM) realisiert. Die Speicherbreite richtet sich dabei nach dem Werteumfang der Daten. Üblich sind Wortlängen von 8, 16, 32 oder 64 Bit. Dies entspricht einer Dynamik von 48, 96, 193 bzw. 385dB. Die Speichertiefe wird bei der kontinuierlichen Aufzeichnung durch die Aufzeichnungsperiode und Aufzeichnungsdauer bestimmt (Anzahl Datenworte = Aufzeichnungsperiode × Aufzeichnungsdauer).

Abschätzung der Speichertiefe

Die Position des Wertes im Speicher ist gleichzeitig ein Maß für den Zeitpunkt der Erfassung des Wertes. Bei diskontinuierlichen Größen muss zusätzlich ein Zeitstempel aufgezeichnet werden, da nur so der Zeitpunkt der Erfassung bekannt ist. Ist der zeitliche Verlauf nicht von Interesse, steht dieser Speicherplatz für weitere Werte zur Verfügung. Eine Abschätzung der benötigten Speichertiefe ist in diesem Fall nur durch vorherige Kenntnisse der statistischen Verteilung der aufzuzeichnenden Größe möglich. Der Speicherumfang wird außerdem noch von evtl. notwendigen Redundanzaufzeichnungen, Fehlerkorrekturmaßnahmen und Dateisystemvorgaben beeinflusst.

Zur Steuerung des Datenflusses kommen Mikrokontroller oder programmierbare Logik (CPLD, FPGA) zur Anwendung. Eine erste Bewertung oder Verarbeitung der Daten kann in dieser Stufe bereits erfolgen. Bei Aufzeichnung von einen Bussystem muss das entsprechende Protokoll implementiert sein. Fehlerhafte Datenpakte können so von der Aufzeichnung ausgeschlossen werden. Sollen diese jedoch auch gespeichert werden, muss die Protokollschicht erweitert werden.

Die Ausgabe ist in der Regel eine Standard-PC-Schnittstelle wie USB oder PCI. Über diese wird der Datenrekorder auch konfiguriert. Diese und andere Schnittstellen, auch proprietäre, wurden bereits von tecnotron auf der Basis dieses flexiblen Konzepts implementiert. Betrachtet man die Darstellung unter einem etwas anderen Blickwinkel, dann wird aus dem Datenrekorder ein komfortabler Schnittstellenkonverter. Dieser kann durch den vorhandenen Pufferspeicher zwischen High-/Low-Speed, synchronen/asynchronen, Realtime/Non-Realtime etc. Bussystemen vermitteln. Die Umsetzung zwischen verschiedenen Protokollen wird durch die Steuereinheit ermöglicht.

Wird das Konzept auf der linken Seite durch einen bidirektionelen Block modifiziert, ergeben sich weitere Möglichkeiten. Die rechte Seite ist in der Regel bereits bidirektional, da sie oft für die Konfiguration des Systems benutzt wird (Bild 2). Aufgezeichnete Daten können damit in das System zurückgespielt werden. Statt der aufgezeichneten Daten können vom Beobachter im Speicher synthetisierte Daten abgelegt werden, die dann dem System zugeführt werden. Vor der Einspielung ins System ist eine bewusste Manipulation der Daten möglich, es können definierte Fehler erzeugt werden. So ist die Systemvalidierung mit bekannt korrupten Daten jederzeit nachvollziehbar.

Verschiedene Schnittstellenoptionen

Tecnotron hat auf der Basis dieses flexiblen Konzeptes bereits verschiedene Entwicklungen erfolgreich durchgeführt. Für die System-Ein-/Ausgabe stehen mehrere Schnittstellen zur Verfügung:

  • Highspeed-Serial-Link auf RS422 bidirektional,
  • MIL-STD-1553, uni- und bidirektional,
  • ARINC 429, uni- und bidirektional,
  • Aircraft Interface mit mehreren RS422- und RS485-Pfaden,
  • STANAG 3838,
  • Infrarot, diverse Protokolle uni- und bidirektional,
  • Funk, 433 MHz ISM, diverse Protokolle uni- und bidirektional.
  • USB 2.0.
  • diverse Sensoren (Druck, Temperatur, Vibration).

Die Steuerung wird je nach Aufgabenstellung mit Mikrokontrollern oder FPGAs realisiert. In komplexen Fällen wird auch eine Kombination aus beiden verwendet: Altera Cyclone III, Xilinx Virtex 4, ARM7, ARM9, MSP430, USB-Controller mit zusätzlicher diskreter Hardware. Auf der Beobachterseite dominieren PC-übliche Schnittstellen: PCI (33 und 66 MHz), (E)IDE, USB 1.0 und 2.0, RS232.

Das gemeinsame Konzept hinter den Anwendungen und Ausführungen ermöglicht eine schnelle und effiziente Entwicklung neuer Kombinationen von Ein- und Ausgabeeinheiten. Einmal entwickelte und validierte Blöcke können in neue Projekte übernommen werden. Vorgefertigte Dokumentenvorlagen ermöglichen eine einheitliche und übersichtliche Dokumentation. Dies ist insbesondere für Entwicklungen im Luft- und Raumfahrtbereich notwendig. Mit dieser Strategie gelang es tecnotron, die Entwicklungszeiten zu verkürzen und die Dienstleistung günstiger anbieten zu können.

Nach Unterlagen der Firma tecnotron, Weißensberg.

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