In der Mess- und Automatisierungstechnik werden immer mehr Daten erfasst. Daher müssen die Kosten für die Messdatenerfassung reduziert werden. Als Basis eignet sich der Single-Board-Computer Raspberry Pi. Hierfür hat ein Messtechnik-Hersteller sogenannte HAT-Erweiterungsmodule entwickelt. Dank eines umfassenden Design- und Validierungsprozesses machen diese aus dem Raspberry Pi eine industrietaugliche Lösung.

Der Raspberry Pi erfreut sich großer Beliebtheit – auch bei Ingenieuren. Mit über 12,5 Millionen verkauften Einheiten im Jahr 2017 ist der Single-Board-Computer das am dritthäufigsten verkaufte Computersystem nach dem Windows-PC und Apples Macintosh-Rechner. Sein Erfolgsgeheimnis? Der Preis, seine Leistungsfähigkeit und nicht zuletzt seine Flexibilität. Ursprünglich zur Ausbildung von IT-Studenten entwickelt, hat sich der Einplatinenrechner insbesondere auf dem sogenannten Maker-Markt schnell verbreitet und schickt sich nun an, den anspruchsvollen, industriellen Sektor zu erobern. Dazu tragen auch HAT-Erweiterungsmodule bei, mit denen sich kompakte, individuelle Messsysteme, beispielsweise für das Internet-of-Things, entwickeln lassen. Doch in diesem Umfeld geht nichts ohne eine verlässliche Gerätevalidierung.

Industrietaugliche Mess- und Prüfsysteme

Als Basis für eine günstige Messdatenerfassung drängt sich der Raspberry Pi auf: Das aktuelle Raspberry-Pi-3-Modell B+ bietet für wenig Geld einen 64-Bit Quad-Core-ARM-Prozessor, Gigabit-Ethernet, WLAN, USB sowie einen MicroSD-Slot und HDMI-Anschluss. Aber: Es besitzt selbst keine industrietauglichen Onboard-Funktionen für Messtechnikanwendungen, wie zum Beispiel A/D-Wandler oder geeignete digitale Ein-/Ausgänge. Diese Funktionen können jedoch über einen USB-Anschluss oder eine 40-polige GPIO-Steckerleiste ergänzt werden. Entsprechende Aufsteckkarten werden als HAT (Hardware attached on top) bezeichnet. Kleine Unternehmen haben in den letzten Jahren preisgünstige HATs für unterschiedliche Applikationen entwickelt. Diese Entwicklungen genügen den Anforderungen in Ausbildung und für den Maker-Markt. Für das Industriesegment sind sie aber nur bedingt geeignet. Denn die meisten dieser Geräte werden nur teilmontiert sowie ohne Spezifikationen und Programmierunterstützung geliefert. Zudem fehlt meist ein verbindliches Leistungsversprechen, das aber wiederum nur durch eine sorgfältige Gerätevalidierung gegeben werden kann.

Nicht ohne Validierung

Die Gerätevalidierung ist ein wesentlicher Schritt im Entwicklungsprozess eines HAT-Moduls. Sie stellt sicher, dass der Qualitätsmaßstab eingehalten wird und das Produkt die spezifizierten Leistungen erfüllt. Ohne diesen Prozess können die mit dem Produkt erzielten Daten ungenau sein – ein „No go“ für den Industriebereich, wie die Mess- und Automatisierungstechnik. Ein umfassender Design- und Validierungsprozess macht den Unterschied aus – zwischen den Entwicklungen für den Maker-Markt und industrietauglichen Lösungen.

Hier setzen die HAT-Messtechnikmodule des US-Messtechnik-Herstellers Measurement Computing (MCC) an. Sie wurden speziell für den OEM/ODM-Einsatz konzipiert, um flexible Mess- und Prüfsysteme auf Basis des Raspberry Pi zu erstellen. Die HATs erweitern den Single-Board-Computer um gängige A/D- und D/A-Funktionen sowie um digitale I/O-Kanäle in einem platzsparenden, stapelbaren Format. Die HAT- Lösung empfiehlt sich vor allem für Einbausituationen, wo eine Konfiguration aus Rechner und separatem, beispielsweise über USB angebundenem Messmodul keinen Platz findet.

Die bisherige Produktreihe

Die kürzlich vorgestellte HAT-Produktreihe startete mit zwei Aufsteckkarten. Das Modell MCC 118 verfügt über acht Eingänge mit 12 Bit A/D-Auflösung für analoge Spannungen bis ±10 V. Die maximale Abtastrate der Aufsteckkarte beträgt 100 kS/s bei kontinuierlicher getakteter Erfassung. Außerdem stehen ein externer Clock-I/O-Kanal und ein digitaler Triggereingang zur Verfügung. Bis zu acht Module können auf einem Raspberry Pi übereinander gestapelt werden. Somit lässt sich ein kompaktes und flexibles Messsystem mit bis zu 64 Analogeingängen und einer Summenabtastrate von 320 kS/s realisieren. Das MCC 152 bietet zwei analoge Ausgabekanäle mit 12 Bit und zusätzliche acht 5 V beziehungsweise 3,3 V DIO-Kanäle. Beide Module zusammen ermöglichen den Bau eines multifunktionalen und leistungsfähigen Mess- und Steuerungssystems für viele Industrie-4.0-Applikationen.

Inklusive Software-Bibliothek

Die Messtechnik-HATs werden in den USA entwickelt, unter Verwendung qualifizierter Bauteile hergestellt, komplett getestet und mit einer 30-Tage-Rückgabe-Zusage und einer einjährigen Garantie geliefert. Eine ausführliche Dokumentation und Spezifikation, eine umfangreiche Gerätevalidierung und professionelle Support- und Garantieleistungen prädestinieren die Aufsteckplatinen für den Einsatz im industriellen Segment. Um eine möglichst kurze Time-to-Market bei der Entwicklung eigener Systeme zu erzielen, spielt für OEMs aber auch die Software eine Schlüsselrolle. Measurement Computing stellt seinen HAT-Modulen deshalb eine hochwertige Software-Bibliothek zur Seite.

Die Open Source Linux-Bibliothek bietet eine Programmierschnittstelle sowohl für Python, als auch für C/C++. Sie ermöglicht eine einfache Konfiguration und Integration der Messtechnik-HATs in Linux-Applikationen und ist für mehrere Linux-Distributionen verifiziert, darunter Raspbian, die populärste Distribution auf Raspberry-Pi-Computern. Viele Beispielprogramme inklusive Sourcecode bieten Anwendern einen verständlichen Einstieg unter Linux.