Diese Bedieneroberfläche wurde aus dem Grund entwickelt um die Bedienung des Klimaschrankes, dass zuvor mit einem kleinen Bedienpult am Gerät selbst bedient werden musste, komfortabler und umfangreicher zu gestalten. Nun war es auch möglich, die ermittelten klimaspezifischen Daten aufzunehmen und im Anschluss in einer eigens dafür erstellten Messdatenspeicherung, welche die aufgenommen Daten automatisch in eine Excel Datentabelle speichert, zu sichern.
Zudem war es möglich, einige zusätzliche Geräte, die ebenfalls in die Oberfläche mit implementiert wurden, zu bedienen und auch hier ebenfalls die aufgenommenen Daten zu sichern. Die Zusätzlichen Geräte sind im folgenden Text aufgeführt.
• Oszilloskop Tektronix 720 A
• Multimeter Peak Tech 4360
• Multimeter Metex
• Sowie eine selbst erstellte AD-Wandler Messkarte
Dieser Klimaschrank dient zum Test von Bauteilen und Baugruppen bei Klimaspezifischen Bedingungen, um so frühzeitig Ausfälle zu erkennen und die Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit zu sichern. Die Bauteile werden auf Temperatur und Feuchtigkeit getestet.
Diese Klimaspezifischen Einstellungen, sind sowohl manuell, als auch automatisch einstellbar.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die Bedieneroberfläche um folgende Komponenten erweitert werden.
• Funktionsgenerator
• Mikrocontrollergesteuertes Netzgerät
• Frequenzzähler
• Elektronische Last
Das oben genannte Mikrocontrollergesteuerte Netzgerät wird ebenfalls im Rahmen dieser Diplomarbeit aufgebaut.
Die Daten, die mit diesen zusätzlichen Geräten ermittelt werden, sollen ebenfalls in die Messdatenspeicherung mit einfließen, um so zu ermöglichen, das man diese Daten weiterführend bearbeiten kann.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Aufgabenstellung
2 Erläuterung der Probleme zur Aufgabenlösung
3 Vorgehensweise zur Lösung der Probleme
4 Die GPIB Schnittstelle
4.1 Was bedeutet GPIB
4.2 Umgang mit der GPIB Schnittstelle
5 Elektronische Last EL 9000
5.1 Technische Daten: EL 9000 [1]
5.2 Funktionsweise [1]
5.2.1 Konstantstrombetrieb[1]
5.2.2 Konstantwiderstandsbetrieb[1]
5.2.3 Pulsstrombetrieb[1]
5.2.4 Pulswiderstandsbetrieb[1]
5.2.5 Extern modulierter Strom[1]
5.2.6 Extern modulierter Leitwert[1]
5.2.7 Entladen[1]
5.2.8 Remote[1]
5.2.9 Sonderfunktionen[1]
5.3 Programmierung unter LabVIEW
5.4 Auswertung der Ausgabewerte
6 Der Funktionsgenerator
6.1 Technische Daten[2]
6.2 Die Registerkarte des Funktionsgenerators
6.3 Die Programmierung des Funktionsgenerators
6.4 Treiberaufbau
7 Der Frequenzzähler
7.1 Aufbau der Registerkarte Frequenzzähler
7.2 Die Programmierung des Frequenzzählers
8 Das Mikrocontrollergesteuerte Netzgerät
8.1 Einleitung
8.2 Platinenlayout mit Target 3001! V11
8.3 Prinzipaufbau des Netzgerätes
8.4 Funktionalität der Hardware
8.4.1 Der D/A-Wandler und A/D-Wandler
8.4.2 Strom- und Spannungsverstärkungsstufe
8.4.3 In-System-Programmierung
8.5 Die Software des Mikrocontrollers
8.5.1 Die Funktion : Werte speichern
8.5.2 Struktogramme zu wichtigen Funktionen der Software
8.6 Adaption Linux <-> Windows
8.6.1 Die Programme WinAVR und PonyProg2000
8.7 Kommunikation mit dem PC/LabVIEW via I²C-Bus und RS232-Schnittstelle
8.7.1 Wie wird ein CIN erstellt?
8.7.2 Das Erstellen einer .lsb-Datei
9 Istwertdiagramme
9.1 Registerkarte der Istwertdiagramme
9.2 Istwertdiagramm der Elektronischen Last
9.3 Istwertdiagramme des Frequenzzählers
10 Die Erweiterung der Messdatenspeicherung
10.1 Wertedarstellung
10.2 Löschen der Daten
10.3 Schaltzentrale der Messdatenspeicherung
10.4 Spaltenkopfgenerierung der Excel Tabelle
10.5 Die Generierung der Werte für die Excel Tabelle
11 Mögliche Systemerweiterungen
12 Schlusswort
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die Erweiterung einer bestehenden Bedieneroberfläche für einen Klimaschrank um zusätzliche Hardwarekomponenten zur Messwerterfassung und automatisierten Steuerung unter Nutzung von LabVIEW, wobei die anfallenden Daten in einer Excel-Tabelle zur weiteren Analyse gespeichert werden.
- Integration und Ansteuerung einer elektronischen Last, eines Funktionsgenerators, eines Frequenzzählers und eines Mikrocontroller-Netzgeräts.
- Entwicklung und Implementierung der notwendigen Treiber und Kommunikationsprotokolle (GPIB, I²C, RS232).
- Optimierung der Softwarearchitektur und Speicherverwaltung zur Integration der neuen Geräte in die bestehende LabVIEW-Oberfläche.
- Erstellung einer modularen, rechnergesteuerten Hardwareumgebung für automatisierte Belastungstests von Bauteilen.
Auszug aus dem Buch
8.4.1 Der D/A-Wandler und A/D-Wandler
Der von uns eingesetzte Mikrocontroller (ein AtMega8 von Atmel) besitzt einen integrierten und schnellen A/D-Wandler. Die folgende Schaltung aus dem Datenblatt des AtMega8 zeigt die Funktionsweise:
Der Analog-Digital-Wandler konvertiert eine Eingangsspannung in einen 10-bit Digitalwert durch das Verfahren der sukzessiven Approximation (schrittweise Annäherung).
Sukzessive Approximation: Ein mögliches Approximationsverfahren stellt das Wägeverfahren dar. Dabei werden alle Bits erst einmal auf Null gesetzt. Dann werden alle Bits des Digitalwerts nacheinander ermittelt. Dabei wird beim MSB (Most Significant Bit) begonnen und beim LSB (Least Significant Bit) aufgehört. Pro Taktzyklus wird von einem Steuerwerk das aktuelle Bit gesetzt. Der daraus ermittelte Spannungswert wird mit der Eingangsspannung verglichen. Ist der Wert höher als die Eingangsspannung wird das Bit wieder zurückgesetzt, ansonsten (bei kleinerer oder gleicher Spannung) bleibt es gesetzt. So erfolgt eine schrittweise Annäherung der Referenzspannung an die Eingangsspannung. Während des Vorgangs der Umsetzung darf sich die Eingangsspannung natürlich nicht ändern, da sonst die niederwertigen Bits auf einer anderen Grundlage gesetzt werden würden. Vermeiden lässt sich dies entweder durch eine schnellere Verarbeitung der Werte (d.h. die zu digitalisierenden Werte ändern sich nicht während der Wandlung) oder aber, und das ist der übliche Weg, es wird eine Sample-Hold-Schaltung eingesetzt, die den Eingangswert während der Wandlung „hält“(1).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Aufgabenstellung: Diese Einleitung beschreibt die Erweiterung einer bestehenden Bedienoberfläche für einen Klimaschrank um zusätzliche Mess- und Testgeräte zur umfassenden Analyse elektronischer Bauteile.
2 Erläuterung der Probleme zur Aufgabenlösung: Dieses Kapitel thematisiert die Herausforderungen bezüglich der Programmiersprache, fehlender Schnittstellen, der späten Lieferung der elektronischen Last sowie Speicherplatzproblemen in der bestehenden Software.
3 Vorgehensweise zur Lösung der Probleme: Hier wird der Lösungsansatz zur Einarbeitung in LabVIEW, die Suche nach geeigneten Adaptern (USB-zu-GPIB) und die notwendige Umstrukturierung der Programmarchitektur zur Speicheroptimierung erläutert.
4 Die GPIB Schnittstelle: Dieses Kapitel liefert Grundlagen zur Funktionsweise des General Purpose Interface Bus und beschreibt den praktischen Umgang damit für die Kommunikation mit den angeschlossenen Messgeräten.
5 Elektronische Last EL 9000: Hier werden die technischen Spezifikationen, die verschiedenen Betriebsmodi, die Programmierung unter LabVIEW und die Auswertung der Messwerte dieses Geräts detailliert dargestellt.
6 Der Funktionsgenerator: Dieses Kapitel behandelt die technischen Daten, die Integration und die methodische Programmierung des HP 3325A zur Wellenformerzeugung.
7 Der Frequenzzähler: Hier werden der Aufbau, die Registerkarten-Visualisierung sowie die Implementierung des Treibers und der Datenverarbeitung für den Frequenzzähler HP 5335A beschrieben.
8 Das Mikrocontrollergesteuerte Netzgerät: Dieses umfangreiche Kapitel widmet sich der Entwicklung des eigenen Netzgeräts, von der Hardware-Konzeption und Verstärkerstufen bis zur Mikrocontroller-Programmierung und PC-Kommunikation.
9 Istwertdiagramme: Dieses Kapitel beschreibt die Zusammenführung und Erweiterung der grafischen Datenvisualisierung für die elektronische Last und den Frequenzzähler in einer zentralen Registerkarte.
10 Die Erweiterung der Messdatenspeicherung: Hier wird detailliert erläutert, wie Messwerte verarbeitet, tabellarisch generiert und automatisch zur Archivierung in Excel-Dateien exportiert werden.
11 Mögliche Systemerweiterungen: Das Fazit skizziert Ansätze zur weiteren Automatisierung, wie eine Überwachung und Steuerung über ein Netzwerk sowie erweiterte Sequenzer-Funktionalitäten.
Schlüsselwörter
LabVIEW, GPIB, Klimaschrank, Messdatenspeicherung, Elektronische Last, Funktionsgenerator, Frequenzzähler, Mikrocontroller, Netzgerät, Schnittstelle, Datenkonvertierung, Automatisierung, Programmierung, Hardware-Design, Belastungstest
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Es geht um die Erweiterung und Optimierung einer rechnergesteuerten Testumgebung für elektronische Bauteile innerhalb eines Klimaschranks unter Verwendung von LabVIEW.
Welche Geräte wurden in den Messplatz integriert?
Integriert wurden eine elektronische Last (EL 9000), ein Funktionsgenerator (HP 3325A), ein Frequenzzähler (HP 5335A) und ein selbst entwickeltes, mikrocontrollergesteuertes Netzgerät.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist die Automatisierung von Belastungstests durch eine zentral gesteuerte Messoberfläche, die eine präzise Sollwertvorgabe ermöglicht und die anfallenden Istwerte automatisch in Excel dokumentiert.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Methode umfasst die Entwicklung eigener Treiberbausteine für verschiedene Kommunikationsschnittstellen wie GPIB und I²C-Bus sowie die systemtheoretische Zerlegung und Neuprogrammierung einer bestehenden Softwarearchitektur.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil behandelt die technischen Spezifikationen der eingebundenen Messgeräte, den Hardwareaufbau des selbst konstruierten Netzgeräts, die Treiberprogrammierung unter LabVIEW und die Logik der Messwertspeicherung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe sind LabVIEW, GPIB, Mikrocontroller-Programmierung, automatisierte Messdatenspeicherung und elektronische Lasten.
Wie wurde das Problem des Speicherplatzes in LabVIEW gelöst?
Durch die Zerlegung des ursprünglichen, überlasteten Programms in modulare Unterprogramme und die Optimierung der Case-Strukturen konnte der Speicherbedarf reduziert und die Wartbarkeit erhöht werden.
Warum wurde ein R-2R-Leiternetzwerk für das Netzgerät gewählt?
Das R-2R-Leiternetzwerk wurde gewählt, da es eine sehr schnelle Spannungsänderung ermöglicht, die für eine hardwarebasierte Kurzschlusssicherung innerhalb von Millisekunden notwendig ist, was mit reiner Puls-Weiten-Modulation zu langsam wäre.
Wie kommuniziert der PC mit dem mikrocontrollergesteuerten Netzgerät?
Die Kommunikation erfolgt über eine I²C-Bus-Schnittstelle, wobei in LabVIEW ein sogenannter CodeInterfaceNode (CIN) verwendet wird, um den C-Code für die I²C-Steuerung direkt aus der Umgebung auszuführen.
- Quote paper
- Trinus Bußmann (Author), Andree Loger (Author), Arno Schaaf (Author), 2006, Einbindung einer elektronischen Last, eines Funktionsgenerators, eines Frequenzzählers und eines Mikrocontrollergesteuerten Netzgerätes in einen rechnergesteuerten Klimamessplatz, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/130137
