DAQ-Hardware auswählen: PCI-Karte, USB-I/O oder Ethernet-I/O

Dieselbe Messaufgabe lässt sich oft auf drei Arten lösen: mit einer PCI- oder PCI-Express-DAQ-Karte im Prüf-PC, mit einem USB-I/O-Modul am Laptop oder mit einem Ethernet-I/O-Modul direkt am Prüfling. Die drei Bauformen unterscheiden sich deutlich in Abtastrate, Timing, Isolation und Verkabelung. Dieser Beitrag behandelt die Kriterien, auf die es bei der Auswahl von DAQ-Hardware für einen Prüf- oder Laboraufbau ankommt, und zeigt, wo die Karten und Module von ICP DAS passen.

Abtastrate und simultane Abtastung

Nach dem Abtasttheorem muss die Abtastrate mehr als doppelt so hoch sein wie die höchste im Signal enthaltene Frequenz. In der Praxis tastet man um ein Mehrfaches schneller ab und braucht entweder ein Anti-Aliasing-Filter oder ein Signal ohne Anteile oberhalb der halben Abtastrate.

Prüfen Sie, ob eine Rate pro Kanal oder als Summenrate angegeben ist. Viele mehrkanalige Eingänge teilen sich einen Wandler für alle Kanäle. Das ET-2217H zum Beispiel tastet insgesamt mit 8 kHz ab: mit 1 kHz pro Kanal, wenn alle acht Kanäle aktiv sind, oder mit 8 kHz auf einem einzelnen Kanal. Ein im Multiplexbetrieb abgetasteter Eingang erzeugt außerdem einen kleinen Zeitversatz zwischen den Kanälen. Das ist relevant, wenn Sie Phasenlagen vergleichen, etwa zwischen Spannung und Strom.

Simultane Abtastung beseitigt diesen Versatz. Die Karten PCIe-8620 und PCIe-8622 tasten 8 bzw. 16 Kanäle simultan mit 200 kS/s pro Kanal und 16 Bit Auflösung ab. Über Ethernet bietet das PET-7H16M 8 simultan abgetastete 16-Bit-Kanäle mit je 200 kS/s und das PET-7H24M 4 differenzielle 24-Bit-Kanäle mit je 128 kS/s.

Beispiel: Acht Sensorausgänge mit ±10 V und Signalanteilen bis 5 kHz erfordern deutlich mehr als 10 kS/s pro Kanal, erfasst zum selben Zeitpunkt. Dafür ist das ET-2217H zu langsam. Eine PCIe-8620 im Prüf-PC oder ein PET-7H16M am Prüfstand deckt die Aufgabe mit Reserve ab.

Latenz und Datenübertragung

Abtastrate und Latenz sind zwei verschiedene Dinge. Eine Karte oder ein Streaming-Modul kann Daten mit einer präzisen, hardwaregetakteten Rate erfassen und sie trotzdem blockweise an Ihr Programm übergeben.

• PCI- und PCIe-Karten puffern die Messwerte in einem FIFO auf der Karte, zum Beispiel 8.192 Werte bei PCI-1802LU und PCI-2602U, und werden je nach Modell per Polling, Interrupt oder DMA ausgelesen. Das ist der kürzeste Weg vom Signal zu Ihrer Prüfsoftware.
• USB-I/O wie das USB-2026 nutzt USB 2.0 Full Speed (12 Mbps) und eignet sich für Messwerte im Bereich von zehn bis einigen hundert Werten pro Sekunde, etwa im 200-Hz-Schnellmodus, nicht aber für die Erfassung von Signalverläufen.
• Ethernet-I/O arbeitet meist im Command-Response-Betrieb: Das Modul schreibt die Messwerte in seine Modbus-Registertabelle, und der Host liest bei Anfrage die jeweils aktuellen Werte. Das ET-2217H und die Module der Serie PET-7H unterstützen zusätzlich TCP-Streaming kontinuierlicher Messwertblöcke. Streaming bietet hohen Durchsatz, die Blockgröße verursacht jedoch Verzögerung. Es eignet sich daher eher für die Aufzeichnung als für schnelle Regelkreise.

Isolation, Entfernung und Kanalzahl

Isolation schützt PC und Messung vor Potenzialunterschieden und Transienten von Motoren oder Leistungselektronik. Beispiele sind die Busisolation der PCIe-8620 (2500 VDC) und der PISO-813U (3750 Vrms), die I/O-Isolation von 3000 VDC bei Analogmodulen der Serie ET-2200 wie dem ET-2217H, die Kanal-zu-Kanal-Isolation von 3000 VDC beim ET-2217CI und die modulinterne Isolation von 3000 VDC beim USB-4018HS.

Die Entfernung entscheidet, wo die Elektronik sitzen sollte. Bei einer PC-Karte läuft jedes Sensorkabel bis zum PC zurück, und auf langen Leitungen mit Kleinsignalen fängt man Störungen ein. USB-Kabel sind ohne aktive Verlängerung auf etwa 5 m begrenzt. Ethernet erlaubt 100 m pro Kupfersegment, und über den 2-Port-Switch der Module der Serie ET-2200 lassen sich diese entlang einer Prüflinie in Reihe schalten.

Die Kanalzahl ist bei einer Karte unkompliziert, solange eine Karte ausreicht. Die PCI-AD64SU bietet 64 massebezogene oder 32 differenzielle 16-Bit-Eingänge mit 1 MS/s auf einem festen Kanal und 250 kS/s im Scanbetrieb. Über ihren Card-ID-Schalter kann die Software baugleiche Karten in einem PC unterscheiden.

Software und Treiber

Prüfen Sie die Treiberunterstützung, bevor Sie Datenblätter vergleichen. Karten wie die PCI-1802LU und PCI-1602U werden unter Windows, Linux und DOS unterstützt, mit DLL, ActiveX-Control und Beispielprogrammen für C++, Delphi, Visual Basic, C#.NET, VB.NET und LabVIEW. Zum USB-2026 gehört eine API-Bibliothek für Windows und Linux; das USB-4018HS nutzt einen virtuellen COM-Port und Modbus RTU. Ethernet-Module arbeiten mit Modbus TCP, die Modelle der Serie ET-2200 zusätzlich mit MQTT und einem Webserver. Für TCP-Streaming gibt es für ET-2217H und PET-7H16M SDKs für Windows (einschließlich Python-Demos und LabVIEW-Toolkit) und Linux.

DAQ-Hardware auswählen: Vergleich im Überblick

Passende Produktgruppen von ICP DAS

• DAQ-Karten: Universelle PCI-Multifunktionskarten (Serien PCI-1202, PCI-1602 und PCI-1802, PCI-2602U), PCI-Express-Karten (PEX-1202, PCIe-8620, PCIe-8622), die 64-kanalige PCI-AD64SU und die isolierte PISO-813U. Die richtige Wahl für hohe Abtastraten und simultane Abtastung.
• USB-I/O-Module: das Multifunktionsmodul USB-2026, die Thermoelementmodule USB-4018HS, Digital-I/O- und Relaismodule sowie die Erweiterungseinheiten USB-87P für I/O-Module der Serie I-87K. Die richtige Wahl für mobile Prüfaufbauten und Laptops.
• Ethernet-I/O-Module: die Serie ET-2200 mit schnellen Analogeingängen (ET-2217H), RTD-Eingängen (ET-2215H) und Thermoelementeingängen (ET-2218HS-16), PoE-Versionen mit dem Präfix PET- sowie die DAQ-Module PET-7H16M und PET-7H24M. Die richtige Wahl, wenn die Messung nah am Prüfling sitzen muss.

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