DE19649525A1 - Verfahren und Einrichtung zur datenreduzierten Signalabtastung, -speicherung und -darstellung eines analogen elektrischen Eingangssignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine zum Durchführen desselben dienende Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von An­ spruch 12.

Übliche Datenreduktionsverfahren arbeiten im allgemeinen mit veränderlicher Abta­ strate und erlauben keine zeitgerechte Rekonstruierung des dazustellenden Ein­ gangssignals, da keine genaue zeitliche Zuordnung der abgetasteten Signalproben möglich ist.

Bei einem weiteren bekannten Datenreduktionsverfahren (Min/Max-Verfahren) wer­ den in einem vorgegebenen und während des Meßvorgangs konstanten Zeitintervall jeweils nur der kleinste und der größte Meßwert gespeichert. Diese beiden Werte werden an einem einzigen Zeitpunkt gleichzeitig wiedergegeben und bei der Anzeige durch vertikale Linien miteinander verbunden. Hierbei ist die Anzahl der Signalproben genau vorherbestimmbar. Jedoch können sich erhebliche, variable und nicht eindeu­ tige Signalverfälschungen beispielsweise dann ergeben, wenn innerhalb eines Zeitin­ tervalls mehrere Schwingungen auftreten, von denen dann jeweils nur der kleinste und der größte Meßwert gespeichert werden. Außerdem liegt auch hier keine exakte zeitliche Zuordnung der Signalproben innerhalb der Zeitintervalle vor. Dieses Verfah­ ren erfordert unter Berücksichtigung der jeweils vorhandenen technischen Mittel eine schwierige Anpassung an das zu untersuchende Eingangssignal, der Meßfehler steigt mit zunehmender Länge des Zeitintervalls.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine hierzu dienende Einrichtung zu schaffen, womit es unter Berücksichtigung einer möglichst einfachen Anwendbarkeit möglich ist, einerseits eine genaue zeitgerechte Zuordnung der Signalproben zu erzielen und andererseits den mit einer Datenreduk­ tion grundsätzlich verbundenen maximalen Signalfehler exakt innerhalb einer vorgeb­ baren Fehlergrenze zu halten. Trotz hoher Abtastrate soll eine effektive und gleich­ zeitig aufwandsgünstige Datenreduktion erzielbar sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses An­ spruchs aufgeführten Merkmale aus, nämlich dadurch, daß ein signalangepaßt ein­ stellbares, jedoch während der Signalabtastung zeitlich konstantes Abtastintervall für das Zeitraster gewählt wird, daß ein signalangepaßt einstellbares, jedoch während der Signalabtastung konstantes Reduktionsintervall für die Signalproben gewählt wird, daß der Signalwert der ersten Signalprobe gespeichert wird, daß eine Datenre­ duktion für diejenigen Signalproben durchgeführt wird, die sich von der jeweils zuvor gespeicherten Signalprobe um einen Signalwert unterscheiden, der betragsmäßig kleiner als das Reduktionsintervall ist, daß bei den datenreduzierten Signalproben de­ ren Signalwert-Speicherung unterdrückt wird und statt dessen eine fortlaufende bzw. lauflängencodierte Reduktionszählung der Anzahl der datenreduzierten Signalproben zwischen jeweils zwei nicht datenreduzierten Signalproben durchgeführt wird, daß bei den der ersten Signalprobe folgenden, nicht datenreduzierten Signalproben jeweils deren Signalwert zusammen mit einem der jeweils vorherigen Reduktionszählung entsprechenden Zählwert gespeichert wird und daß aus den gespeicherten Signal­ werten der Signalproben sowie aus den gespeicherten Zählwerten der Reduktions­ zählungen eine zeitgerecht und unter Vernachlässigung des Reduktionsintervalls auch betragsgerecht darstellbare, das jeweilige Eingangssignal repräsentierende Meßreihe gebildet wird, wobei die Signalwerte der datenreduzierten Signalproben je­ weils zeitgerecht durch einen solchen Signalwert ersetzt werden, der dem Signalwert der jeweils vorherigen nicht datenreduzierten Signalprobe entspricht.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, die durch die Datenreduktion entstehende maximale Signalungenauigkeit genau innerhalb des vorgebbaren Reduktionsintervalls (Delta Y) zu halten und eine absolut zeitgerechte Darstellung zu erzielen. Durch ge­ eignete Wahl des Reduktionsintervalls (Delta Y) wird der interessante, nämlich der stärker veränderliche, Verlauf des Eingangssignals mit hoher Abtastrate (viele Meß­ punkte) aufgezeichnet und wiedergegeben. Bei weniger interessanten Bereichen des Kurvenverlaufs wirkt sich die Datenreduktion durch Erhöhung der Reduktionsrate in vollem Umfang aus, ohne den Speicherungsaufwand zu belasten. Bei diesem Verfah­ ren bleiben also bei Vernachlässigung des vorgebbaren maximalen Fehlers innerhalb des Reduktionsintervalls (Delta Y) der Signalverlauf und somit die Signalqualität des digitalisierten Eingangssignals voll erhalten. Ferner ist es sehr vorteilhaft, daß bei der bildhaften Darstellung eine hohe Zoomfähigkeit der datenreduzierten Meßkurve vor­ liegt. Es ergibt sich eine maximale horizontale Auflösung, die nur durch die Abtastrate und die horizontale Auflösung eines Bildschirms begrenzt wird. Ferner ist bei diesem Verfahren eine Nachbearbeitung (z. B. eine Fourieranalyse) der Meßkurve per Soft­ ware möglich.

Abgesehen davon, daß sich das Verfahren grundsätzlich für alle veränderlichen ana­ logen Eingangssignale eignet, sind in diesem Zusammenhang die Merkmale der An­ sprüche 2 und 3 besonders bevorzugt. Die zeitlichen Veränderungen des periodi­ schen Eingangssignals lassen sich genau verfolgen und in verschiedenen Darstel­ lungsweisen anzeigen. Beispielsweise können im Motortesterbereich bei der Unter­ suchung von Zündspannungssignalen diese als Paradebild (alle Zylinder nebenein­ ander; 100% Darstellung) oder als Rasterbild (alle Zylinder übereinander dargestellt) oder als Einzelbild (nur ein Zylinder dargestellt) angezeigt werden. Da die Abtastrate während des Meßvorgangs konstant bleibt, kann im Speicherbetrieb zwischen den einzelnen Darstellungsarten beliebig umgeschaltet werden. Von den Zündspan­ nungssignalen werden die interessanten Bereiche des Kurvenverlaufs (Brennlinie) zumindest weitgehend ohne Datenreduktion verarbeitet, während bei den weniger interessanten Bereichen des relativ flachen Kurvenverlaufs (Ende Ausschwingvor­ gang, Schließwinkel) eine hohe Datenreduktionsrate auftritt. Bei der Aufnahme des Zündspannungsverlaufs an Verbrennungsmotoren ist ein Datenreduktionsfaktor von größer als 10 zu erwarten. Die hohe Zoomfähigkeit macht es möglich, einen Bildaus­ schnitt beispielsweise bei einer Abtastfrequenz von 1 MHz und einer horizontalen Auflösung von 500 Bildpunkten bis auf 500 µs zu zoomen. Die genannten Maßnah­ men erlauben auch ein exaktes Messen charakteristischer Motorkenngrößen (z. B. Brenndauer, Schließwinkel, Drehzahl) mit anschließender Fehleranalyse. Die so er­ mittelten Kenngrößen können mit Sollwerten verglichen und ausgewertet werden. Außerdem ist eine gemeinsame Darstellung des Ist- und Sollwertverlaufs in einem Diagramm denkbar. Im Fehlerfall kann die Meßkurve zur Verdeutlichung in einer an­ deren Farbe dargestellt werden. Für reine Zeitmessungen (z. B. Motorrundlauf) kann das Reduktionsintervalls (Delta Y) relativ groß gewählt werden - mit Vergrößerung von Delta Y steigt der Datenreduktionsfaktor, so daß sich dieser Fall auch für eine Langzeitspeicherung eignet.

Die Maßnahmen von Anspruch 4 führen dazu, daß die Anzahl von aufeinanderfol­ genden Datenreduktionen begrenzt wird und daß in gewissen Abständen auch dann exakte Signalproben gespeichert werden, wenn der Kurvenverlauf des Eingangs­ signals über längere Zeit sehr flach, nämlich ständig innerhalb des Reduktionsinter­ valls (Delta Y) verläuft.

Die Maßnahmen von Anspruch 5 sind bevorzugt, weil eine digitale Auswertung sowie Weiterverarbeitung unter Berücksichtigung vorhandener technischer Systeme beson­ ders einfach ist.

Die Weiterbildungen der Ansprüche 6 bis 8 eignen sich, um die Signalabtastung und die Datenreduktion in optimaler Weise an das zu untersuchende Eingangssignal und die erwünschte Signaldarstellung anzupassen.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 ist es möglich, Triggervorgänge durchzu­ führen und in einer vereinfachten Weise mehrere Eingangssignale durch Kanalum­ schaltung gleichzeitig zu untersuchen.

Die Ausgestaltung von Anspruch 11 hat sich besonders bewährt, weil durch die sepa­ rate Zwischenspeicherung auf einfache Weise der für die Datenreduktion nur relativ kurzfristig erforderliche Vergleichswert unabhängig von anderen länger gespeicherten Werten vorübergehend zur Verfügung gestellt werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ferner eine zum Durchführen des genannten Verfahrens dienende Einrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 12 ge­ nannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufge­ führten Merkmale aus, nämlich durch einen mit einem konstanten, jedoch einstellba­ ren, Abtastintervall für das Zeitraster getakteten Analog/Digital-Wandler, durch einen die digitalen Signalproben vom Analog/Digital-Wandler empfangenden und untersu­ chenden Datenreduktions-Baustein, der eine ausfilternde Datenreduktion für diejeni­ gen Signalproben durchführt, die sich von der jeweils zuvor gespeicherten, nicht da­ tenreduzierten Signalprobe um einen Signalwert unterscheiden, der betragsmäßig kleiner als ein vorgegebenes, jedoch einstellbares, Reduktionsintervall (Delta Y) ist, und der für eine fortlaufende bzw. lauflängencodierte Reduktionszählung der Anzahl der datenreduzierten Signalproben zwischen jeweils zwei nicht datenreduzierten Si­ gnalproben sorgt durch einen Adreßzähler zum Erzeugen von Wortadressen, die den vom Datenreduktions-Baustein nicht datenreduzierten und somit zu speichernden Signalproben zugeordnet sind, durch einen digitalen Scopespeicher zum fortlaufen­ den wortadressierten Speichern von den nicht datenreduzierten Signalproben ent­ sprechenden Datenworten, die jeweils die Signalwerte dieser Signalproben, und die Zählwerte der zugehörigen Reduktionszählung, durch eine Recheneinheit zum Er­ zeugen einer bildhaft darstellbaren Meßreihe aus den im Scopespeicher gespeicher­ ten Datenworten und durch einen Bildschirm, wie denjenigen eines Personalcompu­ ters zum Anzeigen der bildhaft bildhaft darstellbaren Meßreihe. Eine solche Einrich­ tung eignet sich gut zur praktischen Durchführung des genannten Datenreduktions­ verfahrens mit den erwähnten Vorteilen und ist vielseitig einsetzbar. Die Adreßzäh­ lung und die wortadressierte Speicherung der nicht datenreduzierten Signalproben sowie der Zählwerte der zugehörigen Reduktionszählung ermöglichen eine einfache Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Maßnahmen.

Die bevorzugten Merkmale von Anspruch 13 eignen sich sehr gut für die praktische Durchführung der Datenreduktion.

Gemäß Anspruch 14 hat sich ein ständig neu überschreibbarer Ringspeicher für die Untersuchung längerer oder periodischer Eingangssignale besonders bewährt. Ins­ besondere für kürzere oder nicht periodische Eingangssignale können jedoch auch anders strukturierte Speicher verwendet werden.

Die weiteren Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 15 und 16 sehen eine vorteilhafte Integrierung weiterer Synchronisationskennwerte (zur Triggerung und zur Kanalum­ schaltung) in die zu speichernden digitalen Datenworte vor.

Die Ausgestaltung von Anspruch 17 erlaubt das Verwenden eines einfachen und preiswerten Personalcomputers, der vornehmlich nur zum Eingaben von Befehlen sowie Programmen und zum bildlichen Darstellen des rekonstruierten analogen Ein­ gangssignals dient, während im Front End bzw. im Scopespeicher alle wesentlichen Signalverarbeitungs- und -speicherungsvorgänge erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen und weiteren Details näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Prinzipdarstellung das Abtasten eines schnell veränderlichen analogen Eingangssignals in einem Zeitraster mit zeitlich konstanten Abtastintervallen und das datenreduzierende Unterdrücken sowie Zählen von innerhalb eines vorgege­ benen Datenreduktionsintervalls zur zuvor gespeicherten Signalprobe liegenden Si­ gnalproben,

Fig. 2 in einer blockschaltbildartigen Prinzipdarstellung eine als Motortester ausgebildete Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der vorliegenden Er­ findung und

Fig. 3 in einer blockschaltbildartigen Prinzipdarstellung einen Abschnitt der Einrichtung aus Fig. 1 mit weiteren Details desselben.

Gemäß Fig. 1 werden an Zeitpunkten t₁, t₂ etc. von einem beispielsweise schnell ver­ änderlichen, analogen Eingangssignal in einem Zeitraster mit konstantem, jedoch ein­ stellbarem, Zeitintervall Delta t = t₂-t₁ im Bereich der dargestellten Rechtecke Signal­ proben entnommen. Bei dem Eingangssignal handelt es sich beispielsweise um ein periodisches Signal, wie das Zündspannungssignal eines Verbrennungsmotors. Die Signalproben werden dadurch gewonnen, daß das analoge Eingangssignal einem ent­ sprechend getakteten Analog/Digital-Wandler zugeführt wird, an dessem Ausgang die digitalisierten Signalproben abgenommen werden können.

Von den einzelnen Signalproben werden nur dienigen gespeichert, die sich von der jeweils zuvor gespeicherten, also nicht datenreduzierten Signalprobe, um einen Signalwert unterscheiden, der betragsmäßig gleich oder größer als ein vorgegebenes, jedoch einstellbares, Reduktionsintervall Delta Y ist. Somit werden nur die den schwarz gefüllten Rechtecken zugeordneten Signalproben gespeichert, während die übrigen Signalproben datenreduzierend nicht gespeichert bzw. unterdrückt werden. Statt dessen werden die einer gespeicherten Signalprobe unmittelbar aufeinanderfolgenden, zu unterdrückenden Signalproben gezählt, und der sich somit ergebende Reduktionszäh­ lerstand wird jeweils zusammen mit der nächsten zu speichernden Signalprobe abge­ speichert. Im vorliegenden Beispiel bedeutet das, daß den der ersten Signalprobe fol­ genden sieben Signalproben die Reduktionszählerstände mit dem Wert 0 zugeordnet werden, während der letzten Signalprobe der Reduktionszählerstand 5 zugeordnet wird, weil zuvor 5 aufeinanderfolgende Signalproben unterdrückt wurden.

Somit kann das analoge Eingangssignal aus den datenreduziert gespeicherten Digital­ werten zeitgerecht und unter Vernachlässigung der nicht erfaßten Signalabweichungen innerhalb des Datenreduktionsintervalls Delta Y auch betragsgerecht rekonstruiert werden. Dabei werden die Signalwerte der datenreduzierten, also nicht gespeicherten, Signalproben jeweils zeitgerecht durch einen solchen Signalwert ersetzt werden, der dem Signalwert der jeweils vorherigen nicht datenreduzierten Signalprobe entspricht.

Während der Messung bleiben das Reduktionsintervall und das Zeitintervall des Zeitrasters unverändert. Diese Intervalle können jedoch vor der Messung eingestellt und dem Verlauf des zu untersuchenden Eingangssignals entsprechend angepaßt werden. Um sehr schnell veränderliche Signale genauer untersuchen zu können, kann das Zeitintervall für das Zeitraster entsprechend verkleinert werden. Um auch be­ tragsmäßig weniger stark veränderliche Signale oder einzelne Signalabschnitte genau­ er untersuchen zu können, kann das Reduktionsintervall entsprechend verkleinert wer­ den. Ein Verkleinern der genannten Intervalle vergrößert bei gleichem Eingangssignal allerdings den erforderlichen Speicherbedarf.

Der zum Durchführen des genannten Verfahrens dienende Motortester besteht gemäß den Fig. 2 und 3 im wesentlichen aus zwei Teilen, nämlich einem Personalcompu­ ter bzw. PC 12 und einem (eine Scope-Einheit enthaltenden) Front End 10. Diese Teile sind über eine schnelle serielle Schnittstelle (Ethernet) 14 verbunden. Während eines Meßvorgangs werden die analoge Signalverarbeitung, die Digitalisierung und die digita­ le Vorverarbeitung sowie Speicherung der reduzierten Daten im Front End 10 durchge­ führt. Die gemessenen Daten werden an den PC übermittelt, der die Weiterverarbei­ tung, Darstellung und Speicherung übernimmt.

Das Front End 10 wird als ein offenes, modulares Bussystem ausgeführt. Jede Signal­ verarbeitungseinheit stellt ein in ein Rack-System einsteckbares Modul dar. Die Ba­ sisausstattung des Front End umfaßt ein Bus-System 18, ein CPU/Scope-Modul 16, 26 und ein Analogmodul 20.

Das Analogmodul 20 hat im vorliegenden Bespiel für einen kanalorientierten bzw. -um­ schaltbaren Betrieb mit zwei Kanälen zwei Eingangsleitungen zum Anlegen von zwei beispielsweise schnell veränderlichen, analogen, insbesondere periodischen, Ein­ gangssignalen E1 und E2. Diese können an der Zündspule oder dem Zündkabel ab­ genommen werden. Die Eingangssignale E1 und E2 gelangen über das Analogmodul 20 und einen Analog-Abschnitt des Bus-Systems 18 zu den Kanälen K1 und K2 eines Analogteils 22 im Front-End 10. Die Funktionsweise der Datenreduktion ist für alle Ein­ gangskanäle gleich und somit auf eine beliebige Anzahl von Eingangskanälen an­ wendbar. Die einzelnen Kanäle werden punktweise alternierend digitalisiert und redu­ ziert, so daß sich mit zunehmend ansteigender Anzahl der Eingangskanäle die kanalbe­ zogene Abtastrate verringert. Da bei einem Zweikanalbetrieb mit einer eingestellten Abtastfrequenz ständig zwischen zwei Eingangskanälen umgeschaltet wird, wird bei diesem alternierenden Betriebsmodus jeder Eingangskanal nur mit der halben Ab­ tastfrequenz digitalisiert.

In den Kanälen K1 und K2 befindet sich je ein als Summenschaltung ausgebildetes Bereichsanpassungs-Modul 36 bzw. 40. Den beiden Summenschaltungen wird jeweils zusätzlich ein zweites Signal von einem Digital/Analog-Wandler (DAC1 bzw. DAC2) 38 bzw. 42 zugeführt, damit die an den Ausgängen der Bereichsanpassungs-Module 36, 40 anstehenden und einem nachfolgenden, mit einer Auflösung von je 8 Bit ausgebil­ deten Analog/Digital-Wandler 34 zugeführten modifizierten Eingangssignale durch ge­ eignete Offset-Einstellung im optimalen Arbeitsbereich des Analog/Digital-Wandlers 34 zu liegen kommen, im vorliegenden Fall im positiven Spannungsbereich von 0 bis 5 Volt. Die mit einer Auflösung von je 8 Bit ausgebildeten Digital/Analog-Wandler 38 bzw. 42 sind - wie auch ein an einen PLD- bzw. Datenreduktions-Baustein 24 angeschlos­ senes Parameterregister-Modul 30 - mit einem Adreß-Daten-Abschnitt des Bus- Systems 18 verbunden.

Die Intelligenz der Scope-Einheit ist überwiegend in dem im System programmierbaren PLD-Baustein (Programmable Logic Device) 24 untergebracht und umfaßt verschiede­ ne Teilfunktionen (Generierung der Abtastrate für den Analog/Digital-Wandler 34, Da­ tenreduktion und Arbiter).

Gemäß Fig. 2 wird der Analog/Digital-Wandler 34 von einem an Timer- und Adreß- Daten-Abschnitte des Bus-Systems 18 angeschlossenen Abtastraten-Modul 44 im PLD-Baustein 24 angesteuert, also mit der dem jeweiligen Zeitraster entsprechenden Abtastfrequenz versorgt. Die durch die Abtastung gewonnen digitalen Signalproben gelangen zu einem in Fig. 3 detaillierter dargestellten Daten-Reduktions-Modul 46 im PLD-Baustein 24, das gemäß Fig. 2 vom Adreß-Daten-Abschnitt des Bus-Systems 18, vom Abtastraten-Modul 44 sowie einem Triggeraufbereitungs-Modul 32 angesteuert wird und selbst ein Adreßzähler-Modul 28, das Parameterregister-Modul 30 sowie ein Reduktionszähler-Kanalkennung-Triggerkennung-Modul 48 ansteuert. Von diesem Modul 48 gelangen die digitalen Signale über ein an den Adreß-Daten-Abschnitt des Bus-Systems 18 angeschlossenes Arbiter-Modul 50 aus dem PLD-Baustein 24 in ei­ nen Scopespeicher (Scope-Modul) 26. Das Arbiter-Modul 50 sorgt für die richtige Zu­ griffssteuerung auf den als Dual-Ported, also mit Zweifachzugriff, ausgeführten Scope­ speicher (Dual-Ported-SRAM) 26 und verhindert, daß die beiden Partner, nämlich der Analog/Digital-Wandler 34 über den PLD-Baustein 24 und die CPU 16, gleichzeitig auf den Scopespeicher 26 zugreifen können (bei gleichzeitgem Zugriffsbegehren kann nur das Glied darauf zugreifen, das vorher nicht darauf zugegriffen hat). Der Scopespei­ cher 26 wird vom Adreßzähler-Modul 28 angesteuert und kann seinerseits die digitalen Signale an den Adreß-Daten-Abschnitt des Bus-Systems 18 liefern. Der Scopespeicher 26 weist im vorliegenden Fall vier SIM-Module 1 bis 4 mit insgesamt 8 MByte (Organisation 16 Bit) auf und ist vorzugsweise als Ringspeicher ausgebildet, der ständig mit neuen Daten überschreibbar ist. Statt dessen kann er in einem speziellen Modus auch so betrieben werden , daß für einen Single-Shot-Betrieb nach einmaligem Auffül­ len des gesamten Scopespeichers 26 die Digitalisierung automatisch angehalten wird.

Die hardwaremäßig digitalseitig datenreduzierten Meßwerte werden im Scopespeicher 26 zusammen mit Synchronisationsbits jeweils als digitale Datenworte mit im vorlie­ genden jeweils 16 Bit gespeichert. In jedem Wort stellen die ersten 8 Bits (Bits 0 bis 7) den eigentlichen Meßwert dar, die folgenden 5 Bits (Bits 8 bis 12) repräsentieren den zugehörigen Reduktionszählerstand (also die Anzahl der aufeinanderfolgenden vorhe­ rigen Signalproben-Unterdrückungen). Ein weiteres Bit (Bit 13) repräsentiert die Kanal­ kennung (Kanal 1 oder 2) für eine Kanalumschaltung. Die beiden letzten Bits (Bits 14 und 15) des Datenwortes repräsentieren einen dem zugehörigen Meßwert eventuell zugeordneten und aus den analogen Eingangssignalen E1 und E2 erzeugten Bildtrig­ ger oder Ereignistrigger. Diese Trigger ermöglichen später eine Zuordnung der aufge­ zeichneten Signalverläufe zu den einzelnen Zylindern. Die letzten drei Bits (Bits 13 bis 16) des Datenwortes stellen demnach Synchronbits dar. Nach Auftreten eines Bildtrig­ ger-Ereignisses wird die Bildanfangsadresse (Adreßzählerstand) in dem von der CPU 16 lesbaren Parameterregister 30 gespeichert.

Ein Bildtrigger kann im vorliegenden Fall eines Motortesters zum Überprüfen von Zündspannungssignalen dann erzeugt werden, wenn am 1. Zylinder eine bestimmte Spannungsschwelle (peak) überschritten wird. Mit diesem Trigger kann beispielsweise eine fortlaufende Parade-Darstellung der Signalverlaufsfolgen an allen Zylindern (alle Zylinder nebeneinander) durchgeführt werden, beispielsweise einer Folge von vier Ein­ zelbildern bei vier Zylindern. Durch die bei dem vorliegend benutzten Datenreduktions­ verfahren erzielte hohe Zoomfähigkeit ist es möglich, hieraus im Speicherbetrieb einen einzelnen Zylinder auszuwählen und in der Einzelbilddarstellung bis zur maximalen Auflösung zu zoomen.

Ein Ereignistrigger (Klemme 1 bzw. Kl 1 Signal) kann im vorliegenden Fall eines Motor­ testers zum Überprüfen von Zündspannungssignalen beispielsweise dann erzeugt werden, wenn an irgendeinem Zylinder eine bestimmte Spannungsschwelle (peak) überschritten wird. Mit diesem Trigger kann beispielsweise eine Darstellung der Si­ gnalverläufe oder eines Teils derselben nur an einem Zylinder erfolgen.

Die Zentralprozessor- bzw. CPU-Einheit 16 im Front-End 10 befindet sich zwischen dem Ethernet-Modul 14 sowie dem Adreß-Daten-Abschnitt und dem Timer-Abschnitt des Bus-Systems 18 und in Datenaustausch mit dem Analog-Modul 20. Beim Einschal­ ten des Gerätes wird das jeweilige Meßprogramm vom PC 12 in die CPU-Einheit 16 heruntergeladen.

Die Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers 34 ist von der CPU-Einheit 16 für das ge­ samte Meßprogramm in mehreren Schritten (abhängig vom Systemtakt der CPU - im vorliegenden Fall in drei Stufen bis maximal 1,428 MS/S) fest einstellbar. Um einen höheren Freiheitsgrad für zukünftige Anwendungen zu haben, kann der Analog/Digital- Wandler 34 auch mit einem flexiblen externen Wandlungstakt von im vorliegenden Fall bis zu 900 KHz betrieben werden, wobei jedoch die Abtastrate während des Meßpro­ gramms ebenfalls konstant bleibt. Im Dataloggerbetrieb (langsame Abtastung im 100 KHz-Bereich) wird der externe Wandlungstakt direkt durch die Zeitgeber-Einheit (TPU- Kanal) der CPU erzeugt.

Die von den Eingangssignalen E1 und E2 ableitbaren Bildtrigger-Signale und Ereig­ nistrigger-Signale gelangen von der CPU-Einheit 16 über den Timerabschnitt des Bus- Systems 18 zu dem Triggeraufbereitungs-Modul 32, das das Daten-Reduktions-Modul 46 ansteuert. Die beiden genannten Triggermöglichkeiten beziehen sich jeweils auf beide Kanäle und können für Simulationszwecke von der CPU-Einheit 16 selbst er­ zeugt werden.

Die im Scopespeicher 26 zusammen mit der Synchroninformation als einzelne Daten­ worte abgelegten digitalen Daten können durch die CPU 16 ausgelesen und auf dem PC 12 dargestellt werden.

Gemäß Fig. 3 wird jeder durch den Analog/Digital-Wandler 34 digitalisierte Meßwert automatisch in einem Meßwertzwischenspeicher 52 des PLD-Bausteins 24 abgelegt. Außerdem wird der erste Meßwert eines jeden Kanals 1 bzw. 2 in einem zusätzlichen Zwischenspeicher (Zwischenspeicher letzter Meßwert Kanal 1 bzw. 2) 54 gespeichert. Ferner werden die ersten Meßwerte beider Kanäle zusammen mit der Kanalkennung, der Triggerkennung und dem Reduktionszählerstand (Zählerstand 0) vom Arbiter- Modul 50 direkt in den wortweise organisierten Scopespeicher 26 geschrieben. Der Adreßzähler 28 wird nach Speicherung eines Meßwertes um den Wert Eins erhöht. Danach wird in einem Vergleicher 56 der zweite Meßwert des ersten Kanals K1 mit dem ersten Meßwert dieses Kanals (Zwischenspeicher letzter Meßwert Kanal 1) vergli­ chen. Diese Meßwerte werden dann in Abhängigkeit davon, welcher der beiden Meß­ werte größer ist, so einem Subtrahierer 58 zugeführt, daß dieser den Betrag der Diffe­ renz dieser beiden Meßwerte bilden kann. Der so erhaltene Differenzbetrag wird in einem Vergleicher 64 mit dem für die Datenreduktion eingestellten Reduktionsintervall Delta Y aus einem Speicher (Speicher für Delta (positiv)) 62 verglichen. Der zweite Meßwert wird nur dann im Scopespeicher 26 abgelegt, wenn der Differenzbetrag gleich oder größer als der Spannungswert von Delta Y ist. Das Reduktionsintervall Delta Y ist variabel und kann vom Anwender stufenweise (Auflösung des Analog/Digital-Wandlers 34, LSB) in bestimmten Grenzen frei gewählt werden. Wenn also der Differenzbetrag gleich oder größer als Delta Y ist, wird der zweite Meßwert in den Scopespeicher über­ nommen und zusätzlich im Zwischenspeicher (Zwischenspeicher letzter Meßwert Kanal 1) 54 abgelegt. Der somit erhaltene Meßpunkt bzw. -wert dient als Ausgangspunkt zur Berechnung des Differenzbetrags zwischen diesem und dem folgenden Meßwert des ersten Kanals.

Wenn der Differenzbetrag kleiner als Delta Y ist, wird dieser Meßwert nicht gespei­ chert. Statt dessen wird dann, um die zeitliche Zuordnung zwischen den gespeicherten Meßpunkten bzw. -werten zu gewährleisten, in diesem ,,Datenreduktionsfall" der Re­ duktionszähler 48 (Fig. 2) bzw. 68 (Fig. 3) jeweils um den Wert Eins erhöht. Der aktuel­ le Zählerstand wird mit dem nächsten zu speichernden Meßwert ebenfalls im Scope­ speicher 26 abgelegt und anschließend auf den Wert Null zurückgesetzt. Damit ist der Zählerstand des Reduktionszählers 48 ein Maß dafür, wie lange sich das zu messende Signal (Anzahl der Abtastwerte) in dem Spannungsintervall von Delta Y bewegt hat (Lauflängencodierung).

Der nun folgende zweite Meßpunkt bzw. -wert des Kanals 2 und alle folgenden Meß­ punkte bzw. -werte durchlaufen die einzelnen Schritte des Reduktionsverfahrens eben­ so wie im Kanal 1 und werden gegebenenfalls entsprechend reduziert.

Wenn der maximale Reduktionszählerstand erreicht ist oder die Analog/Digital- Wandlung gestoppt wird oder ein Triggerereignis auftritt, wird der letzte Meßwert in jedem Falle - also unabhängig von seiner Größe - zusammen mit dem Reduktionszäh­ lerstand gespeichert.

Gemäß Fig. 3 ist eine Steuereinheit (State Machine) 66 an Eingänge der Geräteteile 28, 30, 34, ferner an Ausgänge der Geräteteile 32, 44, 58, 64, ferner an Eingänge des Reduktionszählers 68 (48 in Fig. 2), eines Kanalkennung-Triggerkennung-Moduls 70 (48 in Fig. 2) und eines Arbiter (State Machine) - Moduls 72 (50 in Fig. 2) angeschlos­ sen. Die Steuereinheit ist außerdem an den Adreß-Daten-Abschnitt des Bus-Systems 18 angeschlossen.

Die Arbitrierung für den Scopespeicher 26 regelt über den Arbiter 72 (50 in Fig. 2) in dem PLD-Baustein 24 die Zugriffe der beiden Partner (CPU 16, Analog/Digital-Wandler 34) auf den Scopespeicher 26. Um die Zugriffszeit auf dessen SRAM zu minimieren, wird die State Machine des Arbiters und die der Datenreduktion mit dem Systemtakt der CPU betrieben. Der Arbiter ist so ausgelegt daß der Scopespeicher 26 von der CPU 16 beschrieben und gelesen werden kann. Der Analog/Digital-Wandler 34 kann jedoch nur schreibend auf den Scopespeicher 26 zugreifen.

Nachdem mehrere Bilder (z. B. 3; Anzahl ist abhängig von der gewünschten Zeitbasis) im Scopespeicher 26 aufgelaufen sind, beginnt die CPU 16 mit dem Auslesen der ge­ speicherten Daten. In Abhängigkeit der eingestellten Abtastrate, der Drehzahl und der Anzahl der gewünschten Punkte in der t-Achse (100% Darstellung) bzw. der ge­ wünschten Zeitbasis (z. B. 5 ms) berechnet die CPU 16 die Anzahl der zusammenzu­ fassenden Signalproben. Hieraus und aus den lauflängencodierten Meßdaten wird eine Meßreihe gebildet. Diese stellt die obere und untere Hüllkurve des gemessenen Si­ gnals dar. Somit wird die Anzahl der Meßdaten auf eine für die Darstellung sinnvolle Größe datenreduziert (z. B. 1200 Meßdaten für einen 600 Punkte Standard-VGA-Auflösung).

Die normierten Meßdaten werden über das Ethernet-Modul 14 zu dem die Darstellung übernehmenden PC 12 gesendet. Dabei werden die obere sowie untere Hüllkurve gezeichnet und die dadurch entstehende Fläche ausgefüllt. Da die Anzahl der darstell­ baren Punkte immer kleiner als die Anzahl der gewandelten Daten ist, ist eine Interpo­ lation der Meßwerte überflüssig.

Claims (17)

1. Verfahren zur datenreduzierten Signalabtastung, -speicherung und -darstel­ lung eines veränderlichen analogen elektrischen Eingangssignals mit einer in einem Zeitraster erfolgenden Entnahme von zu speichernden Signalproben, dadurch gekennzeichnet,
daß ein signalangepaßt einstellbares, jedoch während der Signalabtastung zeitlich konstantes Abtastintervall für das Zeitraster gewählt wird,
daß ein signalangepaßt einstellbares, jedoch während der Signalabtastung konstantes Reduktionsintervall für die Signalproben gewählt wird,
daß der Signalwert der ersten Signalprobe gespeichert wird,
daß eine Datenreduktion für diejenigen Signalproben durchgeführt wird, die sich von der jeweils zuvor gespeicherten Signalprobe um einen Signalwert unterscheiden, der betragsmäßig kleiner als das Reduktionsintervall ist,
daß bei den datenreduzierten Signalproben deren Signalwert-Speicherung unterdrückt wird und statt dessen eine fortlaufende bzw. lauflängencodierte Reduktionszählung der Anzahl der datenreduzierten Signalproben zwischen jeweils zwei nicht datenreduzierten Signalproben durchgeführt wird,
daß bei den der ersten Signalprobe folgenden, nicht datenreduzierten Sig­ nalproben jeweils deren Signalwert zusammen mit einem der jeweils vorheri­ gen Reduktionszählung entsprechenden Zählwert gespeichert wird
und daß aus den gespeicherten Signalwerten der Signalproben sowie aus den gespeicherten Zählwerten der Reduktionszählungen eine zeitgerecht und un­ ter Vernachlässigung des Reduktionsintervalls auch betragsgerecht darstell­ bare, das jeweilige Eingangssignal repräsentierende Meßreihe gebildet wird, wobei die Signalwerte der datenreduzierten Signalproben jeweils zeitgerecht durch einen solchen Signalwert ersetzt werden, der dem Signalwert der je­ weils vorherigen nicht datenreduzierten Signalprobe entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangssignal ein periodisches Eingangssignal benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangs­ signal ein schnell veränderliches Zündspannungssignal eines Verbrennungs­ motors benutzt wird,

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Reduktionszählung nach Erreichen einer vorgegebenen maximalen Anzahl von aufeinanderfolgenden datenreduzierten Signalproben oder nach Unterbrechung der Signalabtastung oder nach Auftreten eines Triggerereig­ nisses der Signalwert der letzten Signalprobe unabhängig von seiner Größe zusammen mit dem dieser Signalprobe entsprechenden Zählwert gespeichert wird und daß für die dann unmittelbar folgenden datenreduzierten Signalpro­ ben die Reduktionszählung von vorne beginnt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalabtastung des analogen Eingangssignals über eine Analog/Digital- Wandlung mit konstanter Abtastrate erfolgt und die nachfolgende Signalver­ arbeitung mit einer wortadressierten Datenspeicherung der nicht datenredu­ zierten Signalproben bzw. -werte und der Zählwerte der Reduktionszählungen digital durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Signalwert-Stufen einstellbares Reduktionsintervall benutzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsin­ tervall für eine Signalverarbeitung ohne Datenreduzierung bis auf den Signal­ wert Null reduzierbar ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Zeit-Stufen einstellbares Abtastintervall benutzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Datenspeicherung der einzelnen digitalen Datenworte zusammen mit den Signalwerten und Zählwerten weitere zusätzliche digitale Kennwerte für Synchronisationszwecke gespeichert werden, wie solche bezüglich einer Bild­ triggerung und/oder einer Ereignistriggerung insbesondere bei periodischen Eingangssignalen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine abwechselnde Kanalumschaltung von mehreren, wie von zwei, Eingangssignalen auf eine gemeinsame Analog/Digital-Wandlung mit für alle Kanäle konstanter Abtastra­ te durchgeführt wird, daß den Signalproben zugeordnete kanalspezifische digitale Kennwerte erzeugt werden und daß diese zusammen mit den Signal­ werten der Signalproben sowie den Zählwerten und den anderen der Trigge­ rung dienenden digitalen Kennwerten gespeichert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abspeichern des Datenwortes einer nicht datenreduzierten Signalprobe deren Signalwert für Vergleichsvorgänge separat zwischengespeichert wird und daß dieser bis zum Auftreten der nächsten nicht datenreduzierten Signal­ probe zwischengespeicherte Signalwert mit den Signalwerten nachfolgender Signalproben verglichen wird.

12. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, mit einem in einem Zeitraster getakteten Analog/Digital- Wandler zur Signalentnahme von Signalproben eines veränderlichen analo­ gen elektrischen Eingangssignals, insbesondere Motortester für Verbren­ nungsmotoren, gekennzeichnet
durch einen mit einem konstanten, jedoch einstellbaren, Abtastintervall für das Zeitraster getakteten Analog/Digital-Wandler (34),
durch einen die digitalen Signalproben vom Analog/Digital-Wandler (34) empfangenden und untersuchenden Datenreduktions-Baustein (24), der eine ausfilternde Datenreduktion für diejenigen Signalproben durchführt, die sich von der jeweils zuvor gespeicherten, nicht datenreduzierten Signalprobe um einen Signalwert unterscheiden, der betragsmäßig kleiner als ein vorgegebe­ nes, jedoch einstellbares, Reduktionsintervall (Delta Y) ist, und der für eine fortlaufende bzw. lauflängencodierte Reduktionszählung der Anzahl der daten­ reduzierten Signalproben zwischen jeweils zwei nicht datenreduzierten Si­ gnalproben sorgt,
durch einen Adreßzähler (28) zum Erzeugen von Wortadressen, die den vom Datenreduktions-Baustein (24) nicht datenreduzierten und somit zu spei­ chernden Signalproben zugeordnet sind,
durch einen digitalen Scopespeicher (26) zum fortlaufenden wortadressierten Speichern von den nicht datenreduzierten Signalproben entsprechenden Da­ tenworten, die jeweils die Signalwerte dieser Signalproben und die Zählwerte der zugehörigen Reduktionszählung enthalten,
durch eine Recheneinheit (16) zum Erzeugen einer bildhaft darstellbaren Meß­ reihe aus den im Scopespeicher (26) gespeicherten Datenworten und
durch einen Bildschirm, wie denjenigen eines Personalcomputers (12), zum Anzeigen der bildhaft darstellbaren Meßreihe.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenreduk­ tions-Baustein (24) einen zusätzlichen Zwischenspeicher (54) zum vorüberge­ henden, separaten, nacheinander erfolgenden Speichern des Signalwertes zunächst der ersten Signalprobe und dann der jeweils nächsten zu speichern­ den, also nicht einer Datenreduzierung zu unterwerfenden, Signalproben, aufweist, ferner einen Subtrahierer (58), der jeweils den Differenzbetrag zwi­ schen dem Signalwert der zuvor im Zwischenspeicher (54) gespeicherten Si­ gnalprobe mit dem Signalwert der momentanen Signalprobe bildet, und einen Vergleicher (64), der den Differenzbetrag des Subtrahierers (58) mit dem vor­ gegebenen Reduktionsintervall (Delta Y) vergleicht und von dem nur diejeni­ gen Signalwerte der Signalproben für eine Speicherung im Scopespeicher (26) und für eine aktualisierte Zwischenspeicherung im Zwischenspeicher (54) freigegeben werden, für die der Differenzbetrag gleich oder größer als das Reduktionsintervall (Delta Y) ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Scopespeicher (26) als ein ständig neu überschreibbarer Ringspeicher aus­ gebildet ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein Analog-Modul (20) zum Erzeugen von der Triggerung dienenden digitalen Kennwerten, wie solchen zur Bildtriggerung und/oder Ereignistriggerung aus dem analogen Eingangssignal, und durch eine Organisation des Scopespei­ chers (26) in der Weise, daß diese Kennwerte in das im Scopespeicher (26) abzulegende zugehörige Datenwort integriert sind.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler (34) eingangsseitig mehrere, wie zwei, Si­ gnalkanäle (K1, K2) für mehrere separate analoge Eingangssignale aufweist, wobei die Signalkanäle (K1, K2) durch entsprechende Kanalumschaltung nacheinander einzeln mit dem Analog/Digital-Wandler (34) verbunden sowie entsprechende kanalspezifische Kennwerte erzeugt werden, und daß der Scopespeicher (26) in der Weise organisiert ist, daß diese kanalspezifischen Kennwerte in die im Scopespeicher (26) abzulegenden zugehörigen Daten­ worte der entsprechenden Signalkanäle (K1, K2) integriert sind.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einem Front End (10) mit der darin erfolgenden analogen Si­ gnalverarbeitung, Digitalisierung sowie digitalen Signalvorverarbeitung und ei­ nem hiermit über eine schnelle serielle Schnittstelle (Ethernet) (14) verbunde­ nen, unter anderem für die bildliche Darstellung des aus den gespeicherten Datenworten rekonstruierten Eingangssiganls dienenden Personalcomputer (12) besteht.