(openPR) SCALE-RT als Echtzeit-Messsystem an einer Sensorik mit Microcontroller-Schnittstelle
Ein neues Echtzeitmesssystem mit SCALE-RT von Cosateq zielt auf Prüfstands- und Prototypen-Anwendungen, bei denen die Daten von Sensoren mit Microcontroller-Schnittstelle ausgelesen und verarbeitet werden müssen. Die Hauptvorteile der neuen Lösung sind ein geringer Entwicklungsaufwand und eine kurze Umsetzungszeit. Für herkömmliche Lösungen zum Auslesen, Verarbeiten und Darstellen von Sensormessdaten wird eine Reihe von Spezialisten benötigt. Ein Ingenieur mit Schwerpunkt Elektronik entwirft ein Microcontroller-Board, auf dem sich die Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Sensor und der Prozessor zur Vorverarbeitung der Sensordaten befinden. Ein Software-Spezialist für Embedded Systeme schreibt die Microcontroller-Programme zur Sensor-Kommunikation und Datenvorverarbeitung. Ein Anwendungsentwickler programmiert die Auswerte- und Visualisierungssoftware, die in der Mehrzahl der Fälle auf einem PC oder Laptop laufen soll. Was für die Entwicklung von Serienprodukten noch sinnvoll ist, würde im Prüfstandbau sämtliche Zeit- und Kostenbudgets sprengen.
Komplexer Sensor mit hoher Datenrate
Bei einem Prüfstand für einen europäischen Flugzeugherstellers sollen die Daten eines intelligenten Gyrosensors mit SPI-kompatibler serieller Schnittstelle ausgelesen und verarbeitet werden. Der Gyrosensor erfasst Lage- bzw. Beschleunigungsänderungen in allen Richtungen inklusive Rotationsbewegungen – insgesamt 10 Bewegungsachsen (10 dof). Zusammen mit den Daten von anderen Sensoren lassen sich daraus fundierte Aussagen über den Komfort im Flugzeug ableiten.
Denkbar wären ähnliche Anwendungen in Bereichen wie Transportation und Automotive sowie überall dort, wo Antriebe Personen, Güter, Waren, etc. bewegen. Auch für Einsätze im Bereich der Erneuerbaren Energien – z. B. in Windradprüfständen – ist das schnelle Echtzeit-Messsystem mit SCALE-RT vorteilhaft.
Fertige Systemkomponenten beschleunigen die Entwicklung
Die Entwickler entschieden sich für ein SCALE-RT Mini-HiL von Cosateq aus zwei Gründen. Zum einen ist die Entwicklung eines Microcontroller-Boards sehr aufwendig, zum anderen waren die Entwickler mit der Kombination aus Compact-HiL und der Echtzeit-Betriebssystemumgebung SCALE-RT bereits aus anderen Projekten vertraut. Gerd Leiprecht, Geschäftsführer und Gründer von Cosateq, macht deutlich: „Der Gyrosensor produziert eine hohe Datenrate, die in Echtzeit verarbeitet werden muss. Mit der Kombination aus dem Echtzeitsystem SCALE-RT und unserem Compact-HiL konnten die hohen Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu einem vertretbaren Software-Entwicklungsaufwand erfüllt werden.“
Geschickte Aufteilung der Verarbeitungsaufgaben
Das HiL-System wurde mit einer FPGA-Karte von National Instruments erweitert. Die Karte übernimmt die Kommunikation mit dem intelligenten Sensor und bereitet die Daten so auf, dass sie vom HiL-System weiterverarbeitet und an einen Laptop zur Visualisierung und Protokollierung weitergeleitet werden können. Der Vorteil der FPGA-Karte besteht darin, dass sie eine hohe Geschwindigkeit bei der Vorverarbeitung der Sensordaten erreicht und mit LabVIEW programmiert werden kann. Christian Locher, Projektleiter bei Cosateq, sagt dazu: „Der Entwickler muss kein FPGA-Spezialist sein, um die Anwendung zum Laufen zu bringen. LabVIEW-Know-how, vertieft mit Kenntnissen über LabVIEW FPGA-Module, reichen dafür aus.“ Auf dem HiL läuft unter SCALE-RT ein Matlab-/Simulink-Modell, das die vorverarbeiteten Sensordaten filtert und skaliert. Die Entscheidung fiel auf Matlab-/Simulink, weil sich damit Modelle auf einer höheren Abstraktionsebene und damit auch schneller als mit C programmieren lassen.
Universeller Einsatz in Prüf- und Mess-Systemen
Für den am Compact-HiL angeschlossenen Windows-Laptop können mit Hilfe von Cosateq Insight oder NI LabVIEW die grafische Bedienoberfläche für den Prüfstand erstellt und die Messdaten visualisiert und gespeichert werden. „Die Lösung läuft auf einem Cosateq Mini-HiL, der dank seiner kompakten Abmessungen portabel ist und in Flugzeugen oder Fahrzeugen eingesetzt werden kann “, nennt Leiprecht als weiteren Vorteil. Eingebaut in einem Fahrzeug lassen sich damit auf einer Teststrecke beispielsweise Fahrprofile aufzeichnen, mit denen die Belastung im Fahrzeug später im Labor geprüft werden kann. Auf einem Rütteltisch könnte man dann beispielsweise feststellen, ob die Federung optimal auf das Fahrzeug abgestimmt ist. Auch die akustische Belastung im Innenraum, die durch mitschwingende Fahrzeugkomponenten hervorgerufen wird, lässt sich damit untersuchen. Leiprecht fasst zusammen: „Für Prüfstände, die Sensoren mit Microcontroller-Schnitstelle verwenden, wird für den Systemaufbau kein Microcontroller benötigt. Denn mit einem Prototyping-System wie dem Cosateq HiL und SCALE-RT ist der Prüfstandsaufbau viel einfacher. Bei einem neuen Sensor muss der Anwender keinen Code über JTAG-Debugger auf einen Microcontroller laden. Stattdessen entwickelt er bei der Lösung mit SCALE-RT und dem HiL-System ein neues FPGA-Programm, spielt es auf die FPGA-Karte des HiL-Systems und passt mit Matlab-/Simulink die Filterung und Skalierung an.“
