1. Merkmale moderner Messtechnik 1.1 Hardware-Funktionalität als Software Mit der Entwicklung der Mikroelektronik werden Mikroprozessoren immer schneller und kostengünstiger und finden breite Anwendung in der Messtechnik. Dadurch können Funktionen mit hohen Echtzeitanforderungen, die ursprünglich in Hardware implementiert wurden, nun per Software realisiert werden. Selbst viele Probleme, die mit Hardware-Schaltungen schwer oder gar nicht zu lösen waren, lassen sich heute effektiv mit Softwaretechnologie angehen. Die Entwicklung der digitalen Signalverarbeitung und die weitverbreitete Nutzung von Hochgeschwindigkeits-Digitalprozessoren haben die Signalverarbeitungskapazitäten von Messgeräten erheblich verbessert. Digitale Filterung, FFT, Korrelation und Faltung sind gängige Signalverarbeitungsverfahren. Gemeinsames Merkmal dieser Algorithmen ist die iterative Multiplikation und Addition. Würden diese Operationen in Software auf einem Allzweck-Mikrocomputer ausgeführt, wäre die Rechenzeit lang. Digitale Signalprozessoren hingegen führen diese Multiplikations- und Additionsoperationen in Hardware aus, was die Leistungsfähigkeit der Messgeräte deutlich verbessert und die breite Anwendung der digitalen Signalverarbeitung in der Messtechnik fördert. 1.2 Integration und Modularisierung: Technologie großflächiger integrierter Schaltungen (LSI) Heutzutage werden integrierte Schaltungen immer dichter, kleiner, komplexer in ihrer internen Struktur und leistungsfähiger. Dies verbessert die Integration einzelner Module und des gesamten Instrumentensystems erheblich. Modulare Funktionshardware bildet eine wichtige Grundlage für moderne Messtechnik und macht Instrumente flexibler und ihre Hardwarezusammensetzung einfacher. Beispielsweise müssen beim Hinzufügen einer bestimmten Testfunktion nur wenige modulare Funktionshardwarekomponenten hinzugefügt werden. Die entsprechende Software kann dann aufgerufen werden, um diese Hardware zu nutzen. 1.3 Echtzeit-Parameteranpassung und -modifizierung: Dank der Entwicklung verschiedener feldprogrammierbarer Geräte und Online-Programmiertechnologien müssen die Parameter und sogar die Struktur von Instrumenten nicht mehr in der Entwurfsphase festgelegt werden, sondern können dynamisch und in Echtzeit am Einsatzort angepasst werden. 1.4 Universelle Hardwareplattform: Moderne Messtechnik betont die Rolle der Software. Durch die Auswahl einer oder mehrerer grundlegender Instrumentenhardwarekomponenten mit gemeinsamen Merkmalen entsteht eine universelle Hardwareplattform. Mithilfe unterschiedlicher Software lassen sich Instrumente oder Systeme mit verschiedenen Funktionen erweitern oder realisieren. Ein Messgerät lässt sich grob in drei Teile unterteilen: 1) Datenerfassung; 2) Datenanalyse und -verarbeitung; 3) Speicherung, Anzeige oder Ausgabe. Traditionelle Messgeräte werden von Herstellern gemäß den drei genannten Funktionskomponenten nach ihren jeweiligen Funktionen fest zusammengestellt. In der Regel verfügen sie nur über eine oder wenige Funktionen. Moderne Messgeräte hingegen kombinieren universelle Hardwaremodule mit einer oder mehreren der oben genannten Funktionen und nutzen unterschiedliche Software, um jedes gewünschte Messgerät zu realisieren. 2 Neue Methoden für das Messgerätedesign Um den neuen Anforderungen der Messgeräteentwicklung gerecht zu werden, entstehen ständig neue Designwerkzeuge und -methoden. Im Folgenden werden zwei repräsentative Beispiele vorgestellt. 2.1 Virtualisierungsdesign von Messgeräten und das grafische Entwicklungswerkzeug LabVIEW Die zunehmende Integration von elektronischen Messgeräten und Computertechnologie hat ein neues Messgerätemodell hervorgebracht: das virtuelle Messgerät. Ein virtuelles Messgerät bezeichnet das Hinzufügen einer Softwareschicht und einiger Hardwaremodule zu einem Standardrechner, sodass der Benutzer den Rechner wie ein speziell entwickeltes Messgerät bedienen kann. Die Technologie der virtuellen Messgeräte betont die Rolle der Software und vertritt das Konzept: „Software ist das Messgerät.“ Es handelt sich um eine sich rasant entwickelnde Technologie im Bereich der elektronischen Test- und Messtechnik, die sich besonders für immer komplexere moderne Testsysteme eignet. LabVIEW von NI ist eine grafische Programmiersoftware, die speziell für die Datenerfassung und Gerätesteuerung, die Datenanalyse und die Datendarstellung entwickelt wurde. Sie ermöglicht es Anwendern, eigene Messsysteme auf einem Standardrechner mit effizienter und kostengünstiger Hardware zu erstellen. Durch die Kombination von LabVIEW mit gängiger Datenerfassungs- und Messtechnik lassen sich virtuelle Instrumente entwickeln und in vielen Bereichen einsetzen – im Gegensatz zu herkömmlichen Instrumenten, deren Funktionen durch die vom Hersteller vorgegebenen beschränkt sind. LabVIEW bietet einen datenflussorientierten Programmieransatz, mit dem Anwender Programme einfach durch das Verbinden verschiedener Logikblöcke erstellen können. Die grundlegende Programmeinheit ist das VI (Virtual Instrument). LabVIEW verwendet grafische Programmierung, um eine Reihe von VIs zu erstellen, die benutzerdefinierte Testaufgaben ausführen. Einfache Testaufgaben können von einem einzelnen VI erledigt werden; komplexe Aufgaben lassen sich mithilfe eines modularen Designkonzepts in eine Reihe von Teilaufgaben unterteilen. Im Designprozess werden zunächst verschiedene VIs für die einzelnen Teilaufgaben entwickelt. Anschließend werden diese VIs zu einer übergeordneten Aufgabe kombiniert, wodurch ein virtuelles Instrument der obersten Ebene entsteht, das aus zahlreichen funktionalen virtuellen Subinstrumenten besteht. Die Entwicklung von Instrumentensystemen mit traditionellen Programmiersprachen ist mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Entwickler müssen nicht nur den Programmablauf, sondern auch komplexe Aspekte wie Benutzeroberfläche, Datensynchronisation und Datendarstellung berücksichtigen – all dies lässt sich in LabVIEW problemlos realisieren. LabVIEW enthält zudem verschiedene Basis-VI-Bibliotheken, darunter Treiber für Instrumente mit GP-IB-, VISA-, VXI- und seriellen Schnittstellen. Darüber hinaus bietet LabVIEW eine leistungsstarke und umfangreiche Bibliothek analytischer Funktionen für zahlreiche wissenschaftliche Bereiche wie Statistik, Schätzung, Regressionsanalyse, lineare Algebra, Signalgenerierung, Zeit- und Frequenzbereichsanalyse sowie digitale Filterung. 2.2 In-System-Programmierbarkeit (ISP) bezeichnet die Möglichkeit, rekonfigurierbare Logikbausteine ​​innerhalb eines vom Benutzer entworfenen Zielsystems oder einer Leiterplatte zu programmieren oder iterativ zu programmieren. Diese Rekonfiguration kann während der experimentellen Entwicklung, der Fertigung oder sogar nach der Auslieferung an den Benutzer im Feld oder über das Internet erfolgen. Die Anwendung der ISP-Technologie hat die Entwicklung von Messsystemen revolutioniert. Sie macht die Hardware von Instrumenten nicht mehr zu einer starren Struktur, sondern ermöglicht flexible Software. Verbesserungen der Hardwarefunktionen lassen sich durch kontinuierliche Anpassung der „Software“ während des Debuggings erzielen. Dieses neue Designkonzept für Software und Hardware verleiht dem System eine extrem hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit. Traditionell wurde die ISP-Technologie hauptsächlich in der Entwicklung digitaler Systeme eingesetzt. Beispielsweise unterstützen sowohl die FPGAs als auch die CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) von Xilinx die ISP-Technologie. Im November 1999 führte Lattic ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) ein und integrierte damit die ISP-Technologie in analoge Systeme. Vor der Einführung von ispPAC erforderte die Entwicklung analoger Systeme häufig den Aufbau mit einer Vielzahl von Standardkomponenten. Mit ispPAC ist nun eine hochintegrierte und präzise analoge Schaltungsentwicklung durch einen kleinen Single-Chip möglich. Dies vereinfacht und beschleunigt grundlegend den Entwurf, die Integration und den Aufbau analoger Schaltungen. Systemprogrammierbare analoge Bausteine ​​realisieren drei Basisfunktionen: (1) Signalaufbereitung, (2) Signalverarbeitung und (3) Signalumwandlung. Die Signalaufbereitung umfasst im Wesentlichen die Verstärkung, Dämpfung und Filterung von Signalen. Die Signalverarbeitung beinhaltet die Addition, Differenzbildung und Integration von Signalen. Die Signalumwandlung wandelt digitale in analoge Signale um. Gleichzeitig lassen sich diese grundlegenden analogen Funktionen flexibel kombinieren und konfigurieren, um komplexere analoge Systeme zu realisieren. Mit diesem Baustein können Entwickler mithilfe von EDA-Entwicklungssoftware analoge Schaltungen entwerfen und modifizieren, Schaltungseigenschaften simulieren und das Designschema schließlich über das Programmierkabel ispDOWNLOAD CABLE von Lattic auf den Chip übertragen. Dadurch wird die Gerätekonfiguration und -programmierung sofort abgeschlossen. 3. Fazit: Moderne Messgeräte sind keine statischen, unveränderlichen Einzelfunktionen mehr, sondern zunehmend flexibel und intelligent, anpassungsfähiger und funktionsreicher. Entsprechend erfordert die Entwicklung von Messgeräten und -instrumenten ein breiteres Fachwissen und ist daher anspruchsvoller.