Virtuelle Instrumentierung II
2.Semester MMMP- SS 2014Erläuterung der Lehrveranstaltung
Was erwartet mich?
Instrumentierung im Wandel der Zeit
Embedded PCs, Echtzeit, modulare Instrumentierung (VXI, PXI)
Die Software wird zum Messinstrument
GPIB
Herkömmliche Instrumentierung
Virtuelle Instrumente im gesamten Design- und Produktionsprozess
Virtuelle Instrumentierung
Modulbeschreibung
Was erwartet Sie? Moderne Technik Vielfältige Aufgaben Eine ziemliche
„Breite“ … Was erwarte ich? Selbständigkeit Kreativität Zuverlässigkeit
Modulbeschreibung (2)
Statt einer einzigen großen Prüfung gibt es viele kleine … Praktikum
(Eindruck und Protokolle)
Belegthema (Zwischen- und Abschlussvorträge)
Voraussetzungen
Informatik (I-)IV http://www.inw.hs-merseburg.de/~uheuert/index-
Dateien/Page5311.html Messtechnik Oder: Virtuelle Instrumentierung I
http://www.inw.hs-merseburg.de/~uheuert/index-Dateien/Page1322.html (MIP5P:P5PIM)
(Steuerungs- und Regelungstechnik)
ein Blick lohnt sich: Messplatzautomatisierung Diplomstudiengang PHT, 7.Semester http://www.inw.hs-merseburg.de/~uheuert/index-
Dateien/Page1389.html
Wie läuft die Veranstaltung?
Kein Frontalunterricht! V-Termin (Montag) wird im Wesentlichen für
Belegthemen genutzt Die Show machen die Studenten.
P-Termine (Dienstag): Grundkurse für National Instruments LabVIEW und
National Instruments Measurement Studio (C#) Praktika gemäß Aufgabenstellung Konsultationen / Selbständiges Arbeiten Die Show machen im Wesentlichen wir (Herr Döhler und
ich). B-Termine (Donnerstag):
In Eigenregie und nach Vereinbarung mit den Betreuern.
ZeitplanTermin Inhalt
01.04.2014 „Hallo“
07.04.2013 Einführung, Organisation des Praktikums, Verteilung der Projektthemen
08.04.2013 Recherche / Selbständiges Arbeiten
14.04.2013 Konsultationen / Selbständiges Arbeiten
15.04.2013 Praktikum – Programmieren mit LabVIEW (1)
21.04.2013 Entfällt (Feiertag)
22.04.2013 Praktikum – Programmieren mit LabVIEW (2)
28.04.2013 1. Projektmeeting – Vorstellung & Diskussion der Lösungswege (1)
29.04.2013 Praktikum – Messen mit LabVIEW (1)
05.05.2013 1. Projektmeeting – Vorstellung & Diskussion der Lösungswege (2)
06.05.2013 Praktikum – Messen mit LabVIEW (2)
12.05.2013 1. Projektmeeting – Vorstellung & Diskussion der Lösungswege (R)
13.05.2013 Praktikum – Messen mit C#/.NET (1)
Die Donnerstagtermine sind für die Belege zu nutzen.Weitere Termine zum selbständigen Arbeiten im Labor nach Absprache möglich.
Zeitplan (2)Termin Inhalt
19.05.2013 Konsultationen / Selbständiges Arbeiten
20.05.2013 Praktikum – Messen mit C#/.NET (2)
26.05.2013 2. Projektmeeting – Design und Implementierung (1)
27.05.2013 Praktikum – Versuche gemäß Aufgabenstellung (1)
02.06.2013 2. Projektmeeting – Design und Implementierung (2)
03.06.2013 Praktikum – Versuche gemäß Aufgabenstellung (2)
09.06.2013 Entfällt (Feiertag)
10.06.2013 Praktikum – Versuche gemäß Aufgabenstellung (1)
16.06.2013 2. Projektmeeting – Design und Implementierung (R)
17.06.2013 Praktikum – Versuche gemäß Aufgabenstellung (2)
23.06.2013 Konsultationen / Selbständiges Arbeiten
24.06.2013 Praktikum – Versuche gemäß Aufgabenstellung (1)
30.06.2013 3. Projektmeeting – Verteidigung der Arbeiten (1)
01.07.2013 Praktikum – Versuche gemäß Aufgabenstellung (2)
07.07.2013 3. Projektmeeting – Verteidigung der Arbeiten (2)
08.07.2013 3. Projektmeeting – Verteidigung der Arbeiten (R)
Praktika
Einführungsveranstaltungen National Instruments LabVIEW (2 Einheiten) Instrumentierung unter .NET (1 Einheiten)
Praktikumsversuche Selbständig in Zweiergruppen Instrumentierung einfacher Messaufgaben Natürlich bearbeiten die „P“s Aufgaben, die sie noch
nicht bearbeitet haben (in LV „Virtuelle Instrumentierung I“).
Benotung Ja 1/3 der Gesamtnote (Eindruck und Protokolle)
Belege
Bearbeitung i.d.R. in Dreierteams selbständig
Vorträge die Studenten (abwechselnd alle Gruppenmitglieder!)
halten jeweils 3 kurze Vorträge (jeweils ca. 15min) Themenvorstellung, Lösungsansätze, Planung Design, Implementierung, Test Abschluss, Übergabe
Benotung Ja 2/3 der Gesamtnote
Labore & Technik Labor „Virtuelle Instrumentierung“
Moderne Messtechnik (computergestützt bzw. mit üblichen Schnittstellen wie USB, LAN, IEEE488) Hochwertige Messtechnik (u.a. Oszilloskope, Signalgenerator, Logic-Analyzer,
Network Analyzer, Spectrum Analyzer, Power Meter, LCR Meter) 3x VXI Mainframes PXI 3xCompactRIO (Programmable Automation Controller) CompactVision 30x programmierbare IEEE488 Geräte (Multimeter, Funktionsgeneratoren,
Spannungsversorgungen, Frequenzzähler, Oszilloskope, etc.) Messkarten (PCI und USB), High-Speed Digitizer FPGA Messkarten (RIO) und Entwicklungsboard (Xilinx) Diverse Mikrocontrollersysteme als Entwicklungsboards (AVR32, C-Control, NI Elvis,
…) xyz-Tisch der Fa. Isel 10 moderne PC-Arbeitsplätze Department Lizenz für Software von National Instruments Das Labor wurde 2003 von der Firma Agilent Technologies als „Agilent
Referenzlabor“ ausgezeichnet.
Teams
ProjektleiterN.N.
TeamkoordinatorArchitekt
Aufgaben und ZeitplanungReport
ModultestsSystemtests
IngenieurN.N.
Mechanik, Elektrotechnik…
ProgrammiererN.N.
Messen, Steuern, Regeln…
Teambildung
Erfolgt möglichst bei Beachtung der für das Projekt notwendigen Skills!
Einteilung: heute
1. Projektmeeting - Lösungswege
Jedes Projektteam stellt in einer kurzen Präsentation (ca. 15min) mögliche Lösungswege und Alternativen zu seinem Projekt vor.
Dabei ist im Vorfeld die Verfügbarkeit und Anwendbarkeit existierender Technik zu klären.
Falls spezielle Technik angeschafft bzw. hergestellt werden muss, sind die entstehenden Kosten und Aufwände zu klären.
Eine Zeitplanung (MS Project) sowie eine Risikoanalyse sind zu erstellen.
2. Projektmeeting – Design und Implementierung Jedes Projektteam stellt in einer kurzen
Präsentation (ca. 15min) die gewählte Designentscheidung zu seinem Projekt vor.
Technologien und Produkte werden vorgestellt. Programmablaufpläne und Schnittstellen werden
erläutert. Probleme und Lösungswege werden erläutert. Die Zeitplanung und die Risikoanalyse werden
angepasst.
3. Projektmeeting - Verteidigung
Jedes Projektteam stellt in einer Präsentation (ca. 15min) die Ergebnisse seines Projektes vor.
Projekte SS2014Nr. Aufgabe Technik Studenten Betreuer Termine
1 „Robi“ Denso 6-Achsen Roboter von DensoAnsteuerung in C#
Adam,Wojtyschak H. HeimbachT. Höhndorf
(2)
2 „LabVIEW meets µC“ NI LabVIEW für ARM Mußi, Bernstein, Nentwig St. DöhlerO. Kamper
(2)
3 „Bilderfassung/-analyse“ OpenCV, C# Mitzschke, Rösel, Hammoudia
St. DöhlerO. Kamper
(1)
4 „Programmable Automation Controller mit ESB Bridge“
NI CompactRIO,NI LabVIEW, C#
Böhm, Weiblen, Zoske St. DöhlerO. Kamper
(2)
5 „Smart Metering – Basiszähler“ µC (ggf. CPLD/FPGA), C/C++RS485 Bus mit Zeitslotsteuerung
Böttcher, Tschersovsky, Bollmann
H. HeimbachO. Punk
(2)
6 „Smart Metering –Modbus2COSEM“
Großkunden-GaszählerEmbedded System, C#
Polyakov, Yaraschewski O. PunkH. Heimbach
7 „Bagger“ SmartPhone, Arduino Voigt, Müller H. HeimbachO. Punk
(1)
8 „Ultraschall-Bildgebung“(Simulation und Experiment)
MATLAB Phased Array System Toolbox
Moreno, Breitkopf, Just St. DöhlerO. Punk
(1)
9 „Roboterarm mit Wii“ NI LabVIEWWii Controller & Balance Board
Burkert, Bredner, Scheunemann
R. SeelaT. Höhndorf
(1)
10 „Visualisierung Messtechnik –Versuchsstände Sensorik“
NI LabVIEW Wolf, Trummer, Kiehl R. SeelaT. Höhndorf
(1)
11 „Update Messplätze -Destillation & Absorption“
SOFT SPS & HARD SPS (SIMATIC)
Doll, Göller, Kalis F. RamholdSt. Döhler
(2)
12 Optische Selektierung von Kartoffeln
NI LabViewNI Vision
Nauditt, Werner, Schubert St. DöhlerO. Kamper
(2)
Projekte SS2013Aufgabe Technik Studenten Betreuer„Manipulator“(Tischsteuerung triggert Messung)
xyz-Tisch von IselµC oder CPLDNI LabVIEW + NI DAQ
Ch. WernerTh. MädelA. Dockhorn
H. HeimbachT. Höhndorf
„Spurassistent“ NI LabVIEW + NI VisionSpielzeugauto
F. StrötzelF. HeinzeR. Ernst
T. HöhndorfH. Heimbach
„Ultraschall-Bildgebung“(Simulation und Experiment)
MATLAB Phased Array System Toolbox
St. DöhlerO. Punk
„Tag der offenen Tür“ NI LabVIEWWii Balance Board
V. BrischR. BrüschS. Blasche
R. SeelaT. Höhndorf
„Schallpegelmesser“ NI LabVIEW + SoundkarteElektronischer Mischer
St. DöhlerA. Illigmann
„Fledermaus“(Ortung)
NI LabVIEW + NI DAQLautsprecher + Mikrophone
E. RötzscherM. RoscherS. Stokloßa
H. HeimbachO. Punk
Aufgabenstellung: „Manipulator“
Ziel ist eine wiederholte (Ultraschall-)Messung während einer kontinuierlichen Tischverfahrung eines xyz-Tisches der Fa. Isel
Tischsteuerung triggert dabei die (Ultraschall-)Messung Aufnahme und Weiterverarbeitung der Schrittsignale der
Schrittmotorsteuerung des xyz-Tisches (Schrittsignale sind bereits nach außen geführt)
In Abhängigkeit eines konfigurierbaren Abstandes muss die µC/CPLD Lösung die Messkarte extern triggern
Komponenten: xyz-Tisch von Isel (vorhanden) µC oder CPLD als Verarbeitungseinheit für die Schrittsignale und
Triggerquelle für die Messkarte (zu entwickeln) NI DAQ bzw. NI Digitizer Messkarte (vorhanden) NI LabVIEW oder C#/.NET Anwendung zur Konfiguration des µC/CPLD,
zur Vorbereitung der Messkarte und zur Datendarstellung (zu entwickeln)
Aufgabenstellung: „Spurassistent“
Ziel ist es, ein Modellfahrzeug eine aufgezeichnete Linie nachfahren zu lassen
Bilderfassung und –auswertung ist mit NI Vision zu realisieren
Komponenten: NI Vision und USB Webcam (vorhanden) Bausatz Fahrzeug (zusammen zu bauen) Ansteurung der Motoren (zu entwickeln) Steuer-Rechner (zusammen zu stellen) NI LabVIEW/ NI Vision Anwendung zur
Bildverarbeitung und Motorensteuerung (zu entwickeln)
Aufgabenstellung: „Tag der offenen Tür “ In gemeinsamer Absprache mit Herrn
Seela Termin notwendig … die Studenten
machen die ersten Vorschläge an mich
Aufgabenstellung: „Fledermaus“
Ziel ist es, eine Schallquelle im Raum mit mehreren Mikrophonen zu orten
Komponenten: NI DAQ Messkarte (vorhanden) Versuchsaufbau (zu entwickeln) NI LabVIEW oder C#/.NET Anwendung zur
Schallausgabe, mehrkanaligen Erfassung und Ortsbestimmung (zu entwickeln)
Projekte SS2012Aufgabe Technik Studenten BetreuerRegelkreis mit LabVIEW für ARM µC (Konstantlichtregelung mit LED und Fotowiderstand)
NI LabVIEW ARM Microcontrollers Teaching Kit
O. KamperD. SalmR. Götze
St. Döhler
Regelkreis mit .NET Microframework µC (Höhenstabilisator für Quadcoptermit Ultraschallsensoren)
Panda II µC (C#) Th. RomppelA. LangeN. Patzold
H. HeimbachSt. Döhler
Ultraschall-Bildgebung (SAFT) xyz-Tisch von IselNI Digitizer + WaveformGeneratorC# + NI Measurement Studio
Ch. MeyerM. UhleP. Singer
T. Höhndorf
Bilderfassung/-analyse zur Höhenprofilmessung mit Laserund WebCAM
Laser (rot), WebCAMNI LabVIEW + NI Vision
G. IscanR. SchüttM. Zimmermann
O. Punk
Schwingungsanalyse mit LabVIEW FPGA/RT
Xilinx Spartan 3E EvalBoardNI LabVIEW
M. LauterbachSt. MaurerN. Wendler
H. Heimbach
Visualisierung von Kieferbewegungen
NI LabVIEW + NI Vision K. MehleA. BrischH. Freßdorf
H. HeimbachO. Punk
Ultraschall Messplatz
Roboterarm mit Wii
Bilderkennung
Projekte SS2011Aufgabe Technik BetreuerG-Code Interpreter mit LabVIEW xyz-Tisch von Isel St. Döhler
Ultraschall A-Bild Messplatz 1 mit LabVIEW
NI PCI Digitizer KarteSONOTEC Sender
St. Döhler
Ultraschall A-Bild Messplatz 2 mit LabVIEW
FPGA Eigenbau (VXI-11) H. Heimbach
Ultraschall A-Bild Messplatz 3 mit MATLAB/Simulink
FPGA Eigenbau (VXI-11) T. Höhndorf
Real-Time Engine für Universal Protocol mit LabVIEW FPGA/RT
NI CompactRIO O. Punk
Bildaufnahme und –erkennung mit LabVIEW („Ackerfurche“)
NI CompactVisionod. NI Vision mit USB WebCam
T. Höhndorf
Ampelsteuerung mit LabVIEWFPGA/RT
Xilinx Spartan 3E EvalBoard H. Heimbach
Messtechnische Erweiterung eines Versuchstandes „Wärmeübertragung“
NI DAQ, progr. Spannungsquelle, Sensoren
F. Ramhold
Projekte SS2010 Rechnernetze und Virtuelle Instrumentierung/Prof. Heuert:
Ultraschall A-Bild mit NI PXI - Döhler CompactRIO (FPGA) Harfe (Instrumentierter Kerbschlag-Biege-Versuch) - Punk CompactVision (balancierende Kugel auf Rollbahn) - Heuert Smart Metering M-BUS Bridge und Funkübertragung (ATmega32 DevBoard) -
Punk Isel-Tisch mit Joystick - Döhler VXI (SS2009) - Heuert Scope (SS2009) - Heuert
Automatisierungstechnik/Dipl.-Ing. (FH) Seela: Steuern eines Roboterarmes mittels Wii Controller
Verfahrenstechnik/Dipl.-Ing. Ramhold: Messtechnische Erweiterung eines Versuchstandes zur Wärmeübertragung
Mechanische Verfahrenstechnik/Dipl.-Ing. Müller (Uni Halle): Justierung/Kalibrierung von speziellen Messkameras Hilfsmittel zur Vorverarbeitung von Strömungsmessbildern Konturanalyse – unregelmäßig verformte Tropfen zur Ermittlung des
Schwerpunkts und der Schichtdicke eines Tropfens
Projekte SS2009
Belege - Rückblick Lehrveranstaltung „Messplatzautomatisierung“, 7.Semester
Diplomstudiengang Physikalische Technik und Informationsverarbeitung
02PHT „Kugel auf Rollbahn“ „Balancierender Stab 1D“ „Bobby Car“ „NMR Gradientensystem“
03PHT „CompactRIO“ „FPGA“ „PXI“ „NMR Gradientensteuerung“
04PHT c‘t Lab (Modulares Messsystem im Eigenbau) Ultraschallfeld (Schnelle Datenerfassung) Rührer-Versuchsstand (Bilderkennung/-auswertung) NMR Konsole mit FPGA (Messen und Steuern mit harter Echtzeit)
„Kugel auf Rollbahn“
Aufgabenstellung:Konstruieren und Implementieren Sie ein System, welches selbständig die Lage einer Kugel auf einer Rollbahn nach Positionsvorgaben regelt.
„Balancierender Stab 1D“
Aufgabenstellung:Konstruieren und Implementieren Sie ein System, welches selbständig einen frei beweglichen Stab (1D) balanciert.
„Bobby Car“
Video:VEE TV „Special Report“
„Bobby Car“
Antrieb
Lenkung
Geo-Informationssystem
GPS
Bilderkennung
Aufgabenstellung:Konstruieren und Implementieren Sie ein autonomes System bei Verwendung moderner IT-Systeme.
„NMR Gradientensystem“
Aufgabenstellung:Konstruieren und Implementieren Sie einen Messplatz zur 3D Vermessung und Visualisierung von Magnetfeldern, wie sie von NMR Gradientensystemen bzw. NMR Shimsystemen erzeugt werden.
Real-TimeMessen, Steuern und Regeln
CompactRIO
„PAC“ … Programmable Automation Controller the successor of SPS ! FPGA plus Real-Time Controller mit „PC“-Schnittstellen (LAN,
RS232, …) Konkret:
8-Channel 12-Bit AI (500kS/s) 4-Channel 16-Bit Simultaneos Sampling AI (100kS/s) 4-Channel 16-Bit AO (100kS/s) 8-Channel TTL I/O 2-Port CAN
PXI
Konkret: Real-Time PXI Controller (dual boot) Multifunction DAQ Function Generator Multimeter Multiplexer Scope Vision (Analog Camera Module)
c‘t Lab
Projekt: Bausteine zum Messen, Steuern und Regeln mit dem PC
„Mess- und Steuerelektronik zum Anschluss an den PC ist entweder horrend teuer oder von begrenztem Gebrauchswert. Wer mehr verlangt als eine Relaiskarte zum Anschluss an den Druckerport, lässt für industrielle Lösungen schnell einige Monatsgehälter beim Händler. Für unsere leistungsfähigen Mess- und Steuerungsmodule zum Selbstbau lohnt es durchaus, den Lötkolben noch einmal anzuheizen.“
c‘t Lab - Artikel
c't 10/07, S. 124, Bausteine zum Messen, Steuern und Regeln mit dem PC
c't 10/07, S. 130, PC-Interface und Stromversorgung c't 11/07, S. 212, A/D-, D/A- und Port-Motherboard ADA-IO c't 12/07, S. 194, Schaltstufen für die I/O-Ports c't 13/07, S. 202, A/D- und D/A-Wandler für Port-Modul ADA-IO c't 15/07, S. 188, DDS-Funktionsgenerator-Modul c't 16/07, S. 176, Bedienpanel und Stromversorgung c't 18/07, S. 186, Grafische Programmierumgebung LabVIEW
richtig einsetzen c't 19/07, S. 212, Programmierbares Netzteil-Modul DCG c't 20/07, S. 196, Leistungsstufe für das Labornetzteil-Modul
Ultraschallfeld
Physikalische Aufgabenstellung von Prof. Rosenfeld
3D Vermessung eines Ultraschallfeldes
Rührer
Ziel: Ziel des Versuches ist die Ermittlung des Mischungsverhaltens einer Flüssigkeit in
Abhängigkeit vom Rührer und der Drehzahl. Problem:
Eine schwer mischbare Flüssigkeit (ähnlich Öl und Wasser) soll durch Rühren homogenisiert werden.
Dies soll mit einer Webcam aufgenommen werden und das Bild ausgewertet werden. Bei gleichmäßiger Verteilung der Grauwerte (oder Farbwerte) ist der Versuch zu beenden.
Problem: Hierbei habe ich (Ramhold) mit Mathcad (*.bmp) experimentiert und gute Erfolge gehabt. Eine Steuerung aus Mathcad war mir jedoch nicht möglich.
Aufgabe: Das Mischungsverhalten soll mittels Video analysiert werden. Die Analyse soll über
Auslesen der Graustufen im Video erfolgen. Dies ist möglich, da die Farbunterschiede im Behälter Konzentrationsunterschieden entsprechen.
Zu hohe Drehzahl des Rührers muss begrenzt werden können. Der Versuch soll Videogestützt beendet werden. Abbruchkriterium und –schwelle ist
skalierbar zu gestalten (Zeit, Anzahl der Mittelwerte, Änderung der Graustufen …).