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2.2 Schnittstellen analoger Meßmittel
Schnittstellen analoger Meßmittel sind entweder Strom- oder Spannungs-Schnittstellen,
wobei letztere eine kleinere Verbreitung haben, weil Spannungswerte nur schwierig über größere Entfernungen störungsfrei übertragen werden können und generell sehr anfällig für Störeinflüsse z.B. durch elektrische
Streufelder grosser Maschinen oder von Kabeln, welche hohe Leistungen übertragen, sind und weil ausserdem durch ohm'sche Widerstände der Übertragungskabel Meßwertverfälschungen auftreten.
Bei
Stromschnittstellen haben sich zwei Standards durchgesetzt. Für den Meßbereichsendwert wird bei beiden Methoden ein Stromwert von 20mA angegeben, für den Meßbereichsanfangswert werden einerseits 0mA, andererseits
4mA verwandt. Bei der zweiten Norm (4..20mA) kann an einem Stromwert von 0mA ein Bruch des Übertragungskabels erkannt werden. Stromschnittstellen sind weit verbreitet und sind unempfindlich gegenüber ohm'schen
Serienwiderständen, welche zwar Spannungsabfall, aber keine Stromminderung erzeugen.
Nachteilig bei der analogen Übertragung von Meßdaten wirken sich Störspannungen durch elektrische und magnetische Felder,
Drift der Meßwerte durch schaltungstechnische Probleme bei analogen Bauteilen (z.B. Verhalten bei Temperaturänderungen) und Quantisierungs- und Driftfehler bei einer anschliessenden Digitalisierung der Meßdaten aus.
Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit war jedoch auf digitale Meßmittelschnittstellen begrenzt, so dass analoge Schnittstellen hier nicht weiter behandelt werden sollen.
2.3 Schnittstellen digitaler Meßmittel
Seit immer mehr Meßdaten nicht erst analog gemessen und dann digitalisiert werden,
sondern direkt mit digitalen Sensoren gearbeitet wird (z.B. Inkrementalgeber induktiver, optischer und kapazitiver Bauart), verfügen auch immer mehr Meßmittel über digitale Datenausgänge. Die Vorteile liegen auf der
Hand: nach einer entsprechenden Pufferung der Signale im Empfänger stehen die Meßdaten bei einer korrekten Dimensionierung des Systems weitgehend fehlerfrei zur Verfügung. Weitgehend deshalb, da digitale
Schnittstellen meist auf einer Übertragung von Spannungswerten basieren, welche prinzipiell mit den in 2.2 genannten Problemen (Störspannungen) behaftet sind. Diese Probleme kann man jedoch minimieren, indem man
eine Eingangsschaltung mit Schmitt-Trigger-Verhalten vorsieht, welche das Eingangssignal bei geschickter Wahl der Lage des Triggerpegels eindeutig wieder rekonstruiert.
Folgende Grafik soll diesen Sachverhalt verdeutlichen:
Abb 1: Signalformen bei der Übertragung digitaler Signale
Das oben rechts angedeutete Meßmittel sendet digitale Daten als Spannungssignale, deren Oszillogramm
als Ausschnitt links im Bild oben dargestellt ist. Nach der Übertragung der Daten über das Kabel zwischen dem Meßmittel und dem nachgeschalteten DatenEmpfänger ist das Signal durch Überlagerung
von Störspannungen in der Form wie im mittleren Oszillogramm verzerrt. Durch die Lage des Triggerpegels des Schmitt-Triggers in der Empfänger-Eingangsschaltung werden alle Pegel des
Datensignals, welche höher als der Triggerpegel liegen, als logisch "1" interpretiert, während alle Pegel,
welche darunter liegen, als logisch "0" erkannt werden. Man erkennt leicht, dass das Datensignal in einwandfreier Form rekonstruiert werden konnte und trotz hoher Störpegel auf der Übertragungsstrecke
die Daten unverfälscht weiterverarbeitet werden können. Da die Störpegel, welche in der Praxis auftreten, in den meisten Fällen niedriger sind als die hier beispielhaft aufgezeichneten, arbeitet dieses Verfahren im
allgemeinen sehr sicher. Für die Aufbereitung der Datensignale sind integrierte Schaltkreise (IC's) verfügbar, welche alle Schaltungsteile zur Erledigung der oben genannten Aufgabe in einem Gehäuse vereinigen.
Durch die relativ hohe Datensicherheit und Unkompliziertheit der digitalen Übertragungstechnik (keine Abgleich- und Justierarbeiten erforderlich, wenn Standard-Spannungspegel und Standard-Bauteile
verwendet werden) hat sich dieses Verfahren zur Übermittlung von Meßdaten weitgehend durchgesetzt. Man unterscheidet zwei grundlegend verschiedene Übertragungsmethoden: Die serielle und die parallele
Übertragung von Daten.
2.3.1 Parallele Schnittstellen
Parallele Schnittstellen digitaler Meßmittel übertragen die digitalen Daten auf mehreren verschiedenen
Leitungen gleichzeitig nebeneinander. Dadurch erhält man eine gegenüber der seriellen Datenübertragung um den Faktor n erhöhte Datenübertragungsrate, wobei n die Anzahl der zur parallelen Datenübertragung
verwendeten Datenleitungen ist. Bei BCD- (Binary Coded Decimal) codierten Daten werden meist vier, bei ASCII- (American Standard Code for Information Interchange) codierten Daten werden meist acht
Leitungen eingesetzt. Um denselben Faktor, mit dem sich die Datenübertragungsrate erhöht, erhoeht sich natürlich auch der Aufwand der Sende- und Empfänger-Schaltungen, da diese jeweils n-mal vorhanden
sein müssen. Bezüglich der Anzahl der Datenleitung und der Übertragungsprotokolle gibt es die unterschiedlichsten Normen und Konfigurationen. Wenn man die als Busstruktur (Auswahl der Empfänger
und Sender durch Adress- und Handshake-Signale, Multi-Sender-Systeme) organisierten Systeme noch mitbetrachtet, so kommt man zu einer unüberschaubaren Vielzahl von bestehenden Systemen zur
parallelen Übertragung von Daten.
Auch hier war die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit erneut begrenzt auf digitale serielle
Meßmittelschnittstellen, so dass parallele Schnittstellen hier nicht weiter behandelt werden sollen.
2.3.2 Serielle Schnittstellen
Um den Hardware-Aufwand bei der Übertragung von Meßmitteldaten gering zu halten und weil die Vorteile der hohen Übertragungsgeschwindigkeit für Meßdatenübertragung von Meßmitteln zu
DV-Systemen meist nicht benötigt werden (es fallen einfach nicht so viele Daten pro Zeiteinheit an), werden bei Meßmitteln fast ausschliesslich serielle Schnittstellen verwendet.
Serielle Schnittstellen zeichnen sich dadurch aus, dass die Daten nur auf einer einzigen Signal-Leitung übertragen werden. Da jedoch viele Meßmittel noch diverse Steuerleitungen benötigen und meist auch
eine Takt- (Clock-) Leitung zur Synchronisierung der seriellen Daten verwenden, wird man mit einer einfachen Eingangsleitung meist nicht auskommen, will man Daten eines seriellen Meßmittels empfangen.
Man kann grundsätzlich zwei Typen von seriellen Schnittstellen unterscheiden:
Bei den synchronen seriellen Schnittstellen existiert zusätzlich zu der Datenleitung, auf der nacheinander die
Meßdaten übertragen werden, eine Taktleitung, deren Signal genau definiert, zu welchem Zeitpunkt das auf der Datenleitung anliegende Signal gültig ist. Das Datensignal ist dann eine genau festgelegte minimale
Zeitspanne vor und hinter dem Wechsel des Taktsignals stabil und muss in dieser Zeit gelesen werden. Zu einem anderen Zeitpunkt als dem hier beschriebenen ist der Wert des Datensignals nicht definiert und
kann bei der Auswertung falsche Ergebnisse liefern.
Das Lesen von synchronen seriellen Schnittstellen ist relativ einfach, so lange sie nicht zu schnell getaktet
werden. Die Taktfrequenz des lesenden Mikroprozessorsystems muss mindestens so hoch sein, dass es immer (auch unter ungünstigen Umständen, z.B. bei einem zeitlich ungünstigen Eintreffen des
Taktimpulses) möglich ist, auf einen Wechsel des Taktsignals noch in der garantierten Mindestzeitspanne zu reagieren und das Datensignal zu lesen und abzuspeichern.
Beispiel: Es sei das Datensignal bei einer steigenden Flanke (Übergang vom niedrigeren auf den höheren Spannungspegel) auf der Taktleitung stabil. Zum Einlesen der Daten muss man lediglich ständig die
Taktleitung abfragen, ob ein Wechsel des Taktsignals von "0" auf "1" erfolgte (steigende Flanke). Sobald
dieser Zustand festgestellt wurde, muss das Signal auf der Datenleitung gelesen und abgespeichert werden. Anschliessend prüft man, ob das Taktsignal wieder auf "Low" gegangen ist und beginnt erneut,
die Taktleitung abzufragen. Diesen Vorgang wiederholt man so oft, bis dass die vorher vereinbarte Anzahl an Datenbits gelesen wurde oder eine sog. Timeout-Zeit verstrichen ist, nach der mit einer Fehlermeldung
abgebrochen wird.
Bei den asynchronen seriellen Schnittstellen sind einige Besonderheiten zu beachten. Als wichtigstes
Element der asynchronen seriellen Datenübertragung ist die Geschwindigkeit zu erwähnen, mit der die Daten übertragen werden. Die Einheit der digitalen Datenübertragungsgeschwindigkeit ist das Baud, es
entspricht der Übertragung von einem Bit pro Sekunde (dies gilt allgemein, also gleichwohl für synchrone als auch asynchrone Datenübertragung). Die Datenübertragungs-Geschwindigkeit (meist auch Baudrate
genannt) muss bei asynchronen Schnittstellen bei Sender und Empfänger gleich sein, da sonst die Daten falsch übertragen werden. Es existiert im Gegensatz zu den synchronen Schnittstellen keine Taktleitung zur
Synchronisation der an der Datenübertragung beteiligten Teilnehmer. Weiterhin ist ein Ruhepegel auf der Datenleitung definiert, welcher nach jeder Übertragung einer kleinsten Informationseinheit, welche meist
aus einem Byte besteht (1Byte = 8Bit) wieder eingenommen wird. Diese kleinste Informationseinheit ist nicht mehr teilbar, es werden immer mindestens soviele Daten übertragen, wie in eine Informationseinheit
hineinpassen. Zusätzlich zu den eigentlichen Daten werden noch Steuerbits auf der Datenleitung mitgesendet, welche für ein korrektes Timing (Zeitverhalten) des Empfänges sorgen.
Die bekannteste Vertreterin dieser Art ist die RS232 - V.24-Schnittstelle, die man wohl als die am meisten verbreitete serielle Schnittstelle bezeichnen kann.
2.4 Aufstellung aller untersuchten Meßmittelschnittstellen
Am Anfang dieser Diplomarbeit stand eine umfangreiche Untersuchung der verschiedenen Schnittstellen digitaler Meßmittel, wobei Datenblätter, Prospekte, Produktbeschreibungen aller Art, angeforderte
Bedienungsanleitungen und Schnittstellenbeschreibungen als Arbeitsgrundlage dienten. Als Ergebnis dieser ersten Untersuchungen entstand die folgende Auflistung der untersuchten Meßmittelschnittstellen, welche
zwar keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, aber doch einen relativ grossen Prozentsatz der am Markt für digitale Messmitel befindlichen Geräte darzustellen scheint.
Viele Meßmittel werden ausser vom Originalhersteller auch eventuell unter anderem Namen von Zweitanbietern verkauft. Meist ist ein solches Lizenzgerät sofort am mit dem Originalgerät
übereinstimmenden Aussehen zu erkennen, oft versenden diese Zweitanbieter auf Anforderung auch Produkt-Informationen des Originalherstellers, welche noch dessen Firmensignet aufweisen. Wenn ein
Gerät sich eindeutig als ein solches Lizenzgerät herausstellte, so ist es aus Platzgründen nicht noch einmal in die Tabelle aufgenommen worden.
Im Rahmen der Voruntersuchungen wurden derart umfangreiche Unterlagen bearbeitet, dass dabei ein eigens zu diesem Zweck angelegter Aktenordner nur mit Schnittstellenbeschreibungen gefüllt wurde. Da
diese Beschreibungen den Rahmen dieser Dokumentation doch etwas sprengen würden, sei hiermit auf diesen Ordner für weitere Details verwiesen. Da die gesamte Diplomarbeit im Hause Brankamp erstellt
wurde, ist es zusätzlich aus Geheimhaltungsgründen verständlich, dass nicht alle Erkenntnisse der Schnittstellen-Untersuchungen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden können. So findet sich in der
hier folgenden Aufstellung auch nur das Wesentlichste zu den einzelnen Schnittstellentypen. In den folgenden Kapiteln werden diese Schnittstellen zu Gruppen zusammengefasst und für jede Gruppe dann
eine charakteristische Schnittstelle an einem Beispiel genauer beschrieben.
Die Nummern in der ersten Spalte der Tabelle beziehen sich auf den oben erwähnten Ordner, in dem die
Schnittstellen nach einem Nummernsystem sortiert wurden. Da sich im Verlauf der Untersuchung die Reihenfolge und Systematik der Schnittstellensortierung aufgrund aktueller Untersuchungserkenntnisse
laufend änderte, erscheint die Numerierung nicht fortlaufend.
Aufstellung aller untersuchten Meßmittelschnittstellen
|
Nr.
|
Hersteller
|
Meßmittel
|
Schnittstelle
|
Bemerkungen
|
|
5a
|
Heidenhain
|
Zähler-Anzeigegeräte
|
RS 232
|
|
|
8
|
Equotip
|
Proceq Härtemesser
|
RS232
|
|
|
11
|
Schatz
|
Drehmomentmesskoffer
|
RS232
|
|
|
20b
|
Fischer
|
Drehmomentmeßkoffer Eddy/Magna/Multi
|
RS232
|
|
|
23
|
Wolpert
|
Messrechner
|
RS232
|
|
|
30b
|
Technoterm
|
stationäre Meßmittel
|
RS232, BCD
|
|
|
33
|
Hommel
|
Hommel-Tester Oberflächenmessung
|
RS232
|
|
|
35a
|
Tesa
|
Interface für Meßmittel
|
RS232
|
|
|
38
|
Sartorius
|
Laborwaagen
|
RS232
|
|
|
39
|
Dataogic
|
Barcodeleser
|
RS232
|
|
|
9b
|
Kordt/Compac
|
MUX für Anzeigegeräte
|
RS485, optional RS232
|
|
|
9
|
Kordt/Compac
|
Lehren-Anzeigegeräte
|
RS232
|
Pegel 0..2,4V
|
|
9a
|
Kordt/Compac
|
optischer Messtaster
|
RS232
|
Pegel 0..2,4V
|
|
14a
|
Kröplin
|
Messuhren ELI-ELOtes
|
RS232
|
Pegel 0..5V
|
|
16b
|
Helios/Käfer
|
Messuhr MFT 30
|
RS232
|
Pegel 0..6V
|
|
20a
|
Fischer
|
Schichtdicken-Messer MP3
|
RS232
|
Pegel 0..5V
|
|
22b
|
Erichsen
|
tragbarer Kraftmesser
|
RS232
|
Pegel 0..3V
|
|
31
|
Moore&Wright
|
geometr. Meßmittel
|
RS232
|
Pegel 0..3V
|
|
35b
|
Etalon (Hahn&Kolb)
|
Digit-Cal Caltronic
|
RS232
|
Pegel 0..5V
|
|
35c
|
Etalon (Hahn&Kolb)
|
Introspel Triomatic
|
RS232
|
Pegel -4..+4V
|
|
7
|
Sylvac
|
geometrische Meßmittel
|
Sylvac
|
|
|
12
|
Presser
|
geometrische Meßmittel
|
Sylvac
|
|
|
17
|
Mauser
|
geometrische Meßmittel
|
Sylvac
|
|
|
26
|
PAV
|
geometrische Meßmittel
|
Sylvac
|
|
|
29
|
Mahr
|
geometrische Meßmittel
|
Sylvac
|
|
|
16a
|
Helios
|
Serie -digit
|
ähnl. Sylvac
|
schnellerer Takt
|
|
16c
|
Helios
|
geometrische Meßmittel
|
Helios digitrix
|
|
|
32
|
Mitutoyo
|
geometrische Meßmittel
|
Digimatic
|
|
|
5b
|
Heidenhain
|
Zähler-Anzeigegeräte
|
BCD
|
|
|
7b
|
Trimos
|
Vertikaltester
|
BCD seriell
|
0..5V
|
|
15
|
Pretec
|
geometrische Meßmittel
|
BCD seriell
|
0..5V
|
|
14b
|
Kröplin
|
Messtaster ET25
|
16 Bit seriell
|
Binärausgabe
|
|
2.5 Gemeinsamkeiten der beschriebenen Schnittstellen
Gemeinsam ist allen Schnittstellen, dass es sich dabei um Spannungs-Schnittstellen handelt. Strom-Schnittstellen sind bei digitalen Meßmitteln ungebräuchlich. Des weiteren liegen die Spannungen
der Schnittstellen in etwa in dem Bereich von -5V bis +10V, so dass Spannungswandler-Schaltungen entfallen können. Die Geschwindigkeit der Datenübertragung der meisten Schnittstellen ist klein genug,
dass man sie mit einem üblichen Mikroprozessorsystem, welches mit 1MHz getaktet wird, einlesen kann. 2.6 Unterschiede der beschriebenen Schnittstellen
Zuerst erfolgt natürlich die Unterteilung in asynchrone (meist RS232-) und synchrone (getaktete) Schnittstellen Die synchronen Schnittstellen können grob in zwei Gruppen aufgeteilt werden: Die
langsamen (vom Prozessor per Polling einlesbaren) und die schnellen Schnittstellen. Unter dem Begriff Polling versteht man das immer wiederkehrende Auslesen eines bestimmten Peripherie-Eingangs, wobei
auf ein bestimmtes Ereignis gewartet wird, z.B. auf eine Zustandsänderung auf dieser Peripherie-Leitung oder auf das Verstreichen einer bestimmten Zeit.
Zu den schnellen seriellen Schnittstellen gehört die Sylvac-Schnittstelle, welche mit einer Taktrate von etwa 125kHz getaktet wird und somit vom Prozessor nicht mehr direkt einlesbar ist. Die Mitutoyo
Digimatic-Schnittstelle ist neben der Helios digitrix-Schnittstelle und den meisten anderen Schnittstellen von der Geschwindigkeit her so langsam, dass man sehr einfach die Daten per Polling erfassen kann, was
bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 50kHz möglich ist.
Weiterhin findet man bei verschiedenen Schnittstellen oft unterschiedliche Spannungspegel für gleiche
logischen Zustände, nicht immer wird mit Standard- (TTL-) Pegeln gearbeitet. Logische Zustände werden invertiert oder nicht invertiert übertragen, es werden positive und negative Spannungen verwendet.
Einige Probleme finden sich bei der Auslösung der Meßdatenübergabe. Meist muss die Auslösung potentialfrei gegen ein bestimmtes Potential oder Masse erfolgen, das auslösende Signal muss eine
gewisse Mindestlänge haben und muss entweder vor der Meßdatenausgabe wieder auf Ruhepegel sein oder erst danach - jeder Meßmittelhersteller hat da eine eigene Lösung gefunden. |
