DE3402709A1

DE3402709A1 - Datenlogger zur mikroprozessorgesteuerten datenaufzeichnung und systemueberwachung

Info

Publication number: DE3402709A1
Application number: DE19843402709
Authority: DE
Inventors: Klaus 6901 Neckarsteinach Bruder; Wolfgang-Albert Dr. 6900 Heidelberg Flügel
Original assignee: GEOTEC GmbH
Current assignee: GEOTEC GmbH
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1985-08-01

Description

Datenlogger zur mikroprozessorgesteuerten Datenaufzeichnung und Systemliberwachung

Die Erfindung betrifft einen Datenlogger, auch Datalogger genannt, und damit ein Datenerfassungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die mikroprozessorgesteuerte Datenaufzeichnung gewinnt in der umweltbezogenen Feldforschung in zunehmendem Maße an Bedeutung. Ihr Einsatzbereich ist im wesentlichen auf netzversorgte Stationen beschränkt, in denen infolge der Energieversorgung der Stromverbrauch der Anlage nur von untergeordneter Bedeutung ist. Eine Erweiterung bestehender Meßnetze auf leistungsfähige, netzunabhängige Stationen scheitert oftmals nicht nur an finanziellen Bedingungen, sondern auch an den aufwendigen Wartungsarbeiten und damit verbundenen hohen Personal kosten sowie an dem hohen Stromverbrauch der derzeit bekannten Anlagen der genannten Art.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Datenloqger, also ein Datenerfassungssystem, zu entwickeln, das die genannten Nachteile nicht aufweist, sich universell und energiesparend insbesondere für den stromnetzunabhängigen Einsatz zur Datenerfassung in der Umweltforschung, dien angewandten Geowissenschaften und bei der Ermittlung von wissenschaftlichen Infrastrukturdaten in der Dritten Welt eignet sowie für den Einsatz zur kennwertabhängigen Anlagensteuerung, und zwar entweder stromnetzunabhängig oder wahlweise auch zum Anschluß an jedes gängige Stromnetz.

niesr Auf'iabe wird erfindunqsqemn'ß gelost durch eine Einrichtung zur· energiesparenden, netzunabhängigen, solarzellen- und/oder akkugestützten Meßwertaufnahme und -speicherung für längere Betriebsdauer sowie zur hochauflösenden, integrierenden Meßwerterfassung bei selbständiger Sensorerkennung und meßwertabhängiger Steuerung angeschlossener externer Systeme.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sin din den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die energiesparende, netzunabhängige Meßwertaufnahme und -speicherung, die einen minimalen Wartungs- und Personalkostenaufwand mit sich bringt, ermöglicht einen mehrwöchigen Dauerbetrieb. Durch Verwendung hochwertiger Elektronikbausteine, wie sie beispielsweise im Militärbereich üblich sind, lassen sich das Grundsystem und alle Zusatzteile auf einen Außentemperaturbereich zwischen -20 und +85⁰C auslegen. Der Datenlogger läßt sich nach dem Baukastenprinzip aufbauen, ausgehend von einer selbständig einzusetzenden, geringe Kosten verursachenden Version, und zwar mit auswechselbaren Meßeinschüben, die der Aufgabe entsprechen, welche mit dem Datenlogger in dem jeweiligen Anwendungsfall verfolgt wird.

Das Energieproblem wird durch eine Kombination verschiedener Hardware- und Software-Eigenschaften der Anlage gelöst. Dazu gehört, daß sämtliche integrierten Schaltkreise (Logik) im System in der CMOS-Technologie ausgeführt sind.

Zur Erläuterung der Erfindung dient das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel, wobei

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Leiterplatte der oben genannten Logik zeigt und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer als Stechgabel ausgebildeten, mit der Leiterplatte gemäß Fig. 1 versehenen Meßzelle zur Bestimmung der Feuchte und Temperatur mineralischer und/oder organischer Gemische, insbesondere des Erdbodens.

Die integrierte Logik gemäß Fig. 1 ist so aufgebaut, daß während des Betriebs der Anlage bzw. des Gerätes die Software des auf der Leiterplatte 1 befindlichen Mikroprozessors 2 Typ CD 1806(AC)von RCA ständig überprüft, welche Teile des Systems gerade nicht benötigt werden und sie nach Bedarf ab- bzw. zuschaltet. Ausgehend von der Überlegung, daß für den aeplanten Einsatzbereich mit 128 Kanälen eine Meßwerterfassung im zeitlichen Abstand von 2,0 Sekunden noch ausreichend ist, werden alle 128 Analogkanäle nur durch einen einzigen hochwertigen CMS-Analog-Digital-Konverter (ADC) bearbeitet. Die angeschlossenen Sensoren werden nicht ständig unter Strom gehalten, sondern im Multiplexverfahren zugeschaltet. Das System prüft, ob das Sensorsignal stabil ist und verarbeitet es erst dann weiter, wenn dies der Fall ist. Der Netzteil stellt eine Kombination aus Längs- und Schaltreglern dar. Dieser Schaltregler erreicht einen Wirkungsgrad von 90 % und hebt den Gesamtwirkungsqrad des Netzteils auf etwa 70 % an. Die Energieversorgung erfolgt über Solarzellen, die durch interne Akkus zwischengepuffert werden. Das Netzteil regelt die Stromversorgung der Anlage aus dem Solarstrom, lädt die eingebauten Akkus mit überschüssiger Energie und schaltet sie bei Bedarf zu. Durch Verwendung einer Kombination von

Dateneingabe- und Dialogkontrol1displays auf LCD-Basis wird eine einfache Programmierung und Kontrolle der Anlage ermöglicht, so daß weitere Leuchtdioden zu" Funktionsüberprüfung nicht benötigt werden.

Die Systemsoftware erlaubt eine vorprogrammierte integrierende Meßwerterfassung, wobei sowohl die zu protokollierenden Meßwertintervalle als auch deren zeitliche Auflösung für die Integration des Endwertes vorprogrammiert werden können. Bei Bestückung der Anlage mit 128 Kanälen liegt die minimale Integrationszeit bei 2 Sekunden und limitiert damit auch das minimal mögliche Meßintervall. So können bei der Wahl eines Meßintervalls von beispielsweise 5 Minuten bereits 150 Integrationsschritte von je 1 Sekunde Zeitabstand durchgeführt werden. Maximal sind zur Zeit 768 Integrationsschritte möglich.

Die eigentliche Meßwerterfassung erfolgt durch ein neuartiges, kombiniertes Multiplexverfahren. Bei diesem Verfahren werden die einzelligen Sensoren zuerst durch die CPU angesteuert und mit Strom versorgt. Anschließend führt der Rechner eine Sensorerkennung durch, indem er das einkommende sensorabhängige Analogsignal durch einen ersten CMOS-Analog-Digital-Konverter ADC des Typs CMOS-Flash (ADC), 4 Bit digitalisiert. Der Mikroprozessor ordnet aufgrund der Sensorerkennung die dem jeweiligen Sensor zugehörige Verstärkung zu. Nachdem sich das Meßsignal nach etwa 5 Millisekunden stabilisiert hat, wird das aufgefangene Analogsignal akzeptiert und in einem zweiten, hochwertigen 12-Bit-Analog-Digital-Konverter (ADC) digitalisiert. Anschließend schaltet der Mikroprozessor den Sensor zur Stromersparnis sofort wieder ab.

Dieser Verzicht auf "elektronische Schnelligkeit" bei Vollbestückuna bedeutet jedoch keinen Verzicht auf Meßwertinformation, da im Geländeeinsatz der 2-Sekunden-Abfragtakt durchaus ausreichend ist.

Durch die Entwicklung dieses MuI tipiexsystems ist es möglich, auf die sonst zu jedem Meßeinschub gehörenden Analog-Digital-Konverter (ADC)zu verzichten und damit die Anschaffungskosten erheblich zu senken. In dem hier beschriebenen Datenlogger werden alle 16 Kanaloder Meßeinschübe durch einen hochwertigen, schnellen CMOS-Analog-Digital-Konverter (ADC) bearbeitet, wobei die in Fig. 1 schematisch dargestellten Meßkanäle

I bis 16, von denen nur die endseitigen, mit 8 bzw.

II bezeichneten zu sehen sind, nacheinander im Multiplexverfahren zugeschaltet werden.

Das softwaregesteuerte Multiplexverfahren wird durch eine entsprechende Auslegung der Hardware des Datenloggers unterstützt. So ist jede 16-Kanal-Einschubkarte über ein einziges Kabel mit einem Verteilerkasten 9, 10 verbunden, an dem die 16 Meßzellen angeschlossen werden. Auf diese Weise kann auch in größerer Entfernung vom Datenlogger installiert werden, ohne daß ein unübersichtlicher "Kabelsalat" entsteht. Durch diese Konzeption wird eine höhere Flächenrepräsentanz der Untersuchungen erreicht, der finanzielle Installationsaufwand verringert, das zu transportierende Volumen und Gewicht reduziert und die Übersichtlichkeit der Installationen gefördert.

Als Datenspeicher werden Rekorderbänder benutzt, die in zwei Stereolaufwerken 6 bespielt werden. Die Daten werden in Blockform ausgegeben, wobei zu jedem Kanal

die K.in;i I nummer, dip Son^orkennzahl und der Meßwert, also beispielsweise die Temperatur, die Feuchte, etc. angegeben werden, die mit Hilfe der in Fig. 2 schematisch dargestellten Meßzelle in Form einer in das Meßgut einsteckbaren Gabel , bestehend aus zwei mit Abstand parallelen Zinken 12, 13 aus Kunststoff und zwei in diese eingebettete, ebenfalls parallele und einen konstanten Abstand voneinander aufweisende Kupferplatten 14, 15 sowie einem eingebauten Temperaturfühler 16 gemessen werden. Jeweils 4 Kanäle belegen eine Zeile. Die 16 Kanaleinschübe sind in Unterblöcke untergliedert. Zusätzlich wird zu jedem Block die Stationsnummer, das Datum, die Uhrzeit, die Blocknummer und die Anzahl der angeschlossenen Kanäle angegeben. Eine speziell entwickelte elektronische Schaltung verhindert, daß Bandlängenunterschiede oder ein beim Bandantrieb auftretender Schlupf zu einer Verzerrung der Datenregistrierung führen.

Die Blockregistrierung und beim Abspielen die Blockerkennung erfolgen mit Hilfe einer Frequenzkontrolle auf die folgende Weise. In einem Oszillator wird eine Mutterfrequenz von 2 MHz erzeugt. Die einkommenden Analogsignale werden digitalisiert, wobei aus der Mutterfrequenz für die logische 1 eine Frequenz von 10 KHz und für die logische 0 eine Frequenz von 5 KHz ausgekoppelt werden. Zusätzlich schreibt der Stereo-Schreibkopf eine Referenzfrequenz von etwa 7,65 KHz auf die zweite Spur des Bandes 6. Während des Schreibund Lesevorgangs vergleicht die Schaltung die registrierte Referenzfrequenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert und regelt entsprechend den Bandantrieb so, daß Daten- und Referenzfrequenz wiederum den Wert der Mutterfrequenz ergeben.

Die Schreibdichte der Datenblöcke kann mit Hilfe von Dip-Switches (Schalter) zwischen 300, 600, 1200 und 2400 baud gewählt werden. Beide Bänder zusammen stellen z. B. bei 1200 baud Schreibdichte einen Massenspeicher von 300 Kbyte dar und gewährleisten auf diese Weise eine dauerhafte, beispielsweise mehrwöchige, wartungsfreie Datenaufzeichnung. In Dauerversuchen wurden die Laufwerke und die prozeßgesteuerte Datenregistrierung bis zu Temperaturen von -16°C erfolgreich getestet.

Die Betriebssoftware des Datenloggers'ist in Maschinensprache geschrieben und zeichnet sich durch eine extrem hohe Anwenderfreundlichkeit aus, da nur wenige Betriebsinformationen verlangt werden, die jeder Anwender, ohne Kenntnisse einer Computersprache zu besitzen, in kürzester Zeit eingeben kann.

Das Betriebssystem, das fest im PROMS 2 abgelegt wird, benutzt einen Anzeigemonitor 5, der über eine Tastatur angesprochen wird, und stellt den Dialog mit dem Anwender über einen Dialog-Monitor her. Tippfehler können über die CLEAR-Taste gelöscht werden. Die Software überprüft selbständig die Logik der Programmeingabe und fordert nach Falscheingabe durch die Angabe einer Fehlernummer den korrekten Wert an.

Das fest implementierte Meßwerterfassungsprogramm erfordert vom Anwender weniger als 10 Eingaben, die im folgenden gekennzeichnet sind. START-Taste zur Ingangsetzung des Systems; RUN PROGRAMM I, Wahl des Meßwerterfassungsprogramms; CHANGE KEY, die untere Ebene des Tastenfeldes zur Einqabe der nun folgenden numerischen Eingaben wird gewählt. Zu diesen zählen: das aktuelle Datum mit Uhrzeit, die Stationsnummer, die Nummer des Startkanals, die Nummer des Stopkanals, der Registrierzyklus in Sekunden und das Integrationsintervall in Sekunden.

Alle Eingaben werden mit dem Drücken der ENTER-Taste abgeschlossen. Der Datenlogger wiederholt nach der letzten Eingabe zur Kontrolle alle eingegebenen Werte im Anzeigedisplay und im Dialogdisplay und schreibt anschließend das Datum und die Uhrzeit im Anzeigedisplay. Danach beginnt er mit den Messungen.

Aus Gründen der Konzeption aller integrierter Schaltkreise in CMOS-Ausführung hat die Betriebssoftware die folgenden beiden Beschränkungen. Bei Bestückung der Anlage mit mehr als 64 Kanälen liegt das minimale Integrationsintervall bei 2 Sekunden.'Gegenwärtig sind nicht mehr als 768 Integrationsschritte vorgesehen.

Es ist noch zu ergänzen, daß in Fig. 1 mit 3 die programmierbare Echtzeitbasis, mit 4 der 12-Bit-Analog-Digital-Konverter und mit 7 ein Spannungswandler (_+ 5 V) bezeichnet ist.

Wie oben bereits erläutert, ist der hier beschriebene Datenlogger speziell für den stromnetzunabhängigen Einsatz zur Datenerfassung geeignet sowie zur kennwertabhängigen Anlagensteuerung oder auch für eine aus Datenerfassung und Anlagensteuerung kombinierte Aufgabenstellung geeignet. Er läßt sich darüber hinaus als Datenerfassungs- und Datensteuereinheit auch an jedes gängige Stromnetz anschließen. Sein netzunabhängiger solar- und akkugestützter Einsatz macht ihn besonders für spezielle Anwendungsgebiete in der Umweltforschung, also beispielsweise der Forstwirtschaft, der angewandten Geowissenschaften, des Umweltschutzes, der Hydrologie, der Gewässerkunde und der Meteorologie, sowie für die Landwirtschaft geeignet; im letzteren Fall beispielsweise zur Bewässerungs

steuerung und zur Frostschutzberegnung. Aufgrund seines robusten Aufbaus ist er von der Umgebungstemperatur und -feuchte weitgehend unabhängig, so daß er auch zur Grundlagenforschung und Erstellung einer wissenschaftlichen Infrastruktur in außereuropäischen Ländern, beispielsweise in Ländern der Dritten Welt besonders vorteilhaft verwendet werden kann.

Zusammenfassend lassen sich die besonderen Vorteile des im obigen beschriebenen Datenloggers wie folgt kennzeichnen: Energiesparende, netzunabhängige Meßwertaufnahme und -speicherung, die einen mehrwöchigen Dauerbetrieb ermöglicht; hochauflösende, integrierende Meßwerterfassung bei selbständiger Sensorerkennung und Möglichkeit zur meßwertabhängigen Steuerung angeschlossener externer Systeme über insgesamt 256 Input/Output-Kanäle; ausreichend großer Datenspeicher auf wenigstens zwei zuschaltbaren Rekorderlaufwerken; selbstkontrollierende, benutzerfreundliche Meßprogrammsoftware mit der Möglichkeit zur frei wählbaren zeitlichen Auflösung der echtzeitgesteuerten Meßwerterfassung; standardmäßige Auslegung des Grundsystems und aller Zusatzteile auf einen Außentemperaturbereich zwischen -20 und +85⁰C durch Verwendung hochwertiger Elektronikbausteine; Datentransfer von der Speichereinheit über RS232-Schnittstel1e oder CENTRONIX-Schnittstelle (20-Bit) Parallel I/O Bus; Aufbau der Anlage bzw. des Gerätes nach dem Baukastenprinzip, ausgehend von einer selbständig einzusetzenden Billigversion mit auswechselbaren Meßeinschüben, entsprechend der geplanten Funktion der Anlage bzw. des Gerätes.

Claims

TISCHER · KERN & BREHN

Albert-Rosshaupter-Strasse 65 D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 ■ Telex 05-212284 patsd Telegramme Kernpatent Münchi

GEOTEC GmbH

6900 Heidelberg 26. Januar 1984

Ke/B

PEOT-7177

Patentansprüche

Datenlogger zur mikroprozessorgesteuerten Datenaufzeichnung und Systemführung im Geländeeinsatz durch Abfragung und Registrierung von an einer größeren Anzahl Meßstellen in Intervallen anfallenden digitalen oder analogen Meßwerten und Speicherung derselben in einem eigenen Speicher, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur energiesparenden, netzunabhängigen, solarzellen- und/oder akkugestützten Meßwertaufnahme und -speicherung für längere Betriebsdauer sowie zur hochauflösenden, integrierenden Meßwerterfassung bei selbständiger Sensorerkennung und meßwertabhängiger Steuerung angeschlossener externer Systeme.
2. Datenlogger nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Meßwerterfassung durch ein kombiniertes Multiplexverfahren erfolgt.
3. Datenlogger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e ■ kennzeichnet , daß die meßwertabhänqige Steuerung der angeschlossenen externen Systeme über insgesamt 256 Input/Output-Kanäle erfolgt.
4. Datenlogqer nach Ansnruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Datensoeicher wenigstens zwei zuschaltbare Rekorderlaufwerke aufwei st.
5. Datenlogger nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet , daß in ihmeinesich selbst kontrollierende Meßprogrammsoftware fest installiert ist, die die Möglichkeit zur frei wählbaren zeitlichen Auflösung der echtzeitgesteuerten Meßwerterfassung bietet.
6. Datenlogger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung von der Speichereinheit über eine RS232-Schnittstel1e oder CENTRONIX-Schnittstelle (20-Bit Parallel I/O Bus) erfolgt.
7. Datenlogger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Baukastenprinzip aufgebaut ist und nur wechselbare Meßeinschübe aufweist, deren Funktion seinem jeweiligen Verwendungszweck entspricht.