Rechnergestützte Messtechnik USB-Messtechnik – Möglichkeiten und Grenzen

USB-Messtechnik und seine Anwendungsmöglichkeiten
Die USB-Messtechnik bietet mit der Gerätevielfalt eine Menge an Einsatzmöglichkeiten

Noch nie hatte der Ingenieur eine so große Produktauswahl für seine Anwendung in der Messtechnik, Steuerung, industriellen Automation oder im Bereich Test und Qualitätsprüfung. Eine dieser Produktkategorien in der Messtechnik umfasst Geräte, die in portablem Einsatz an einen Anzeige-/Auswerte-Laptop via USB angeschlossen werden. Hier einige Gerätebeispiele.

Nach wie vor beliebt, besonders aus der Kategorie Oszilloskope, Multimeter und Signalgeneratoren, sind die klassischen Tisch- bzw. Rack-Messgeräte. Bei diesen Instrumenten reicht die Bandbreite von extrem günstigen Einsteiger- bis hin zu High-End-Modellen, die mit modernster Technologie ausgestattet sind. Auch die PC-Einsteckkarte (PCI Express, CompactPCI/PXI) hat in einigen Anwendungsbereichen die Nase vorn, besonders wenn es um High-Speed-Prüfstände mit vielen Kanälen geht. Eine dritte, interessante Lösung stellen modulare Geräte in Kombination mit PC und Software dar. Diese sind durch preiswerte und ausreichend schnelle, abgesetzte Schnittstellen wie USB und Ethernet möglich geworden. Die Messtechnik (I/O-Kanäle, Wandlung usw.) befindet sich hier auf einem Modul, das zum Beispiel per USB extern an den PC/Laptop angeschlossen wird. In dieser Bauform gibt es einfache I/O-Boxen, aber auch komplette Datenlogger oder Messgeräte. Die Grenzen zwischen den genannten Gerätetypen sind natürlich fließend, insbesondere auch durch Entwicklungen wie PCI Express, der sowohl als interner Bus im PC als auch als externe Schnittstelle über Kabel arbeiten kann.

Update-fähig und hohe Funktionsvielfalt

Bei USB-Geräten gibt die Hardware die elektrischen Messparameter vor. Die Software bestimmt hingegen, zum Beispiel als virtuelles Instrument, die Benutzerschnittstelle und die Funktionen. Die Idee dieser Arbeitsteilung ist naheliegend, da auch viele traditionelle Messgeräte heute natürlich aus Prozessor, Software und der messtechnischen und I/O-Hardware bestehen.

Warum also nicht gleich einen vorhandenen PC mit entsprechender Software nutzen und nur die I/O-Hardware in ein Modul packen? USB-Messgeräte sind sowohl von der Software als auch von der Hardware so ausgelegt, dass sie ein klassisches Messinstrument (z.B. Oszilloskop, Multimeter) nachbilden und ersetzen.

Immer mehr wird dabei die Flexibilität dieses Konzepts ausgenutzt und eine Funktionsvielfalt integriert. So haben viele PC-USB-Oszilloskope (Bild 1, z.B. von PicoScope, Cleverscope im Vertrieb der Meilhaus Electronic) zum Beispiel auch eine Signalgenerator-Funktion. Per Software-Updates können zudem Funktionen nachgerüstet oder verbessert werden, das System veraltet also nicht so schnell. Die Leistung solcher PC-Modular-Instrumente, speziell zum Beispiel der aktuellen Oszilloskope, steht den Benchtop-Geräten bis zu einer gewissen Leistungsklasse in nichts mehr nach. So ist es letztendlich den persönlichen Präferenzen des Anwenders überlassen, ob er die Haptik eines Benchtop-Gerätes oder die modulare PC-Lösung bevorzugt. Die Grenzen dieser durch Software dominierten Lösungen werden vor allem durch die USB-Verbindung bestimmt.

Hier spielt natürlich die Übertragungsgeschwindigkeit von USB eine wesentliche Rolle. Die Hardware im USB-Gerät kann im Prinzip von der Leistungsfähigkeit her an die eines Benchtop-Gerätes heranreichen. Da die Daten zur Darstellung am PC aber erst per USB übertragen werden müssen, ergeben sich hier Einschränkungen, insbesondere für High-End- oder HF-Anwendungen. Dank immer schnellerer Schnittstellen wie USB 3.0 nähern die Gerätetypen sich in der Leistung einander aber immer weiter an.

Die I/O-Multifunktions-Boxen

Diese Gerätekategorie bietet I/O-Kanäle für allgemeine Anwendungen – sozusagen die nächste Generation der Messkarte darstellend, jedoch extern über USB abgesetzt. Daher sind die Eingänge meistens wie bei Messkarten für Spannungen in den gängigen Bereichen ±10 oder ±5 V ausgelegt.

Für den Anschluss von Sensoren ist die Signalanpassung für Temperatursensoren zum Teil schon integriert oder aber extern erweiterbar. Wie bei den Messkarten vereinen die USB-I/O-Boxen oft Analog-Eingänge und Ausgänge sowie digitale Steuerkanäle in einem Produkt. Bekannte Vertreter dieser Kategorie sind die I/O-Multifunktionsgeräte der Serien LabJack oder RedLab (Bild 2, Meilhaus), mit denen die Messtechnik auf einem extrem preiswerten Niveau angekommen ist.

Dabei ist jedoch immer zu beachten, dass USB bei der Geschwindigkeit und Echtzeitfähigkeit eingeschränkt ist. USB ist eine serielle Schnittstelle, bei der es keine eigene Interrupt-Leitung gibt. Soll hier ein Interrupt ausgelöst werden, so muss dieser innerhalb des USB-Protokolls in ein Datenpaket geschnürt und zum PC geschickt werden. Dort wird die Information, dass ein Interrupt ausgelöst werden soll, aus dem Datenpaket ausgepackt. Die CPU reagiert auf den Interrupt und meldet dies wieder über USB an das externe Gerät. Erst dann kann mit der Übertragung der Daten und Abarbeitung der Interrupt-Routine begonnen werden. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Interrupt. Der Overhead, der durch diese Prozedur entsteht, kann sich in der Performance deutlich bemerkbar machen. Um USB-Geräte dennoch für Echtzeitapplikationen interessant zu machen, müssen diese mit entsprechender Prozessor-„Intelligenz“ und Datenpufferung ausgestattet werden und somit auch zu einem Teil „stand-alone“ arbeiten können.