Messtechnik für Industrie 4.0 Wie sich die komplex vernetzten Module des IoT messen lassen

Die vernetzten Geräte des Internets der Dinge bestehen aus unterschiedlichen Komponenten, die problemlos zusammenarbeiten müssen. Welche Messgeräte notwendig sind, zeigen wir Ihnen im Beitrag.

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Es gibt viele Möglichkeiten, vorhandene Objekte mit Hilfe von Mikroprozessoren, I/O-Bussen, Sensoren und Sendern in intelligente vernetzte Geräte zu verwandeln. Allerdings sind die Möglichkeiten mit gewissen technischen Herausforderungen verbunden. Wie verwandelt man Werkzeuge und Maschinen, die sich in Form oder Funktion seit Jahrzehnten nicht geändert haben, in elektronische Geräte zu verwandeln, die benutzerfreundlich, vernetzt und Standard-konform sind? Wie kann man sicherstellen, dass die im Labor entwickelten Geräte im Feld funktionieren?

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Ein effizienter Prozessablauf erfordert eine gute Test- und Messstrategie und die entsprechenden Instrumente, damit rechtzeitig die richtigen Design-Entscheidungen getroffen werden. Einem IoT-Entwickler stehen sechs Schlüsselherausforderungen gegenüber, wobei der Test- und Messtechnik ein entscheidender Teil des Projekts zukommt:

• Auswahl des drahtlosen Moduls: Auf Grund der zunehmenden Vielfalt von verfügbaren drahtlosen Modulen ist die Auswahl schwierig. Eine genaue Test- und Messtechnik gibt Einblicke, die über die Angaben im Datenblatt hinausgehen und zeigt, ob ein Modul die jeweiligen Anforderungen erfüllen kann.

• Digitaldesign und Debugging: Wenn eine Fehlersuche auf Systemebene erforderlich ist, muss geprüft werden, ob das Problem vom Modul oder vom Subsystem verursacht wird. Mit einem Mixed-Domain-Debugging lässt sich die Ursache schneller aufspüren.

• Batterielaufzeit maximieren: Wenn es bei der Batterielaufzeit auf jede Minute ankommt, dann muss der Energiebedarf genau modelliert werden.

• Zertifizieren nach EMI und EMC: Die Hersteller von IoT-Geräten müssen lernen, wie sie ihr Produkt um Funkfunktionen erweitern können und wie sie aktuell und künftig auf Emissionen und Konformität testen.

• Zertifizierung drahtloser Standards: Neue Produkte müssen für den jeweils verwendeten Standard qualifiziert werden. Das erfolgt unabhängig davon, ob es sich dabei um WiFi, Bluetooth oder ZigBee handelt.

• Interferenzen mit anderen Geräten: Das Frequenzspektrum 2,4 GHz ist ein sehr populär für kostengünstige, lizenzfreie Anwendungen. Deshalb sind in diesem Frequenzband Millionen von Sender aktiv. Ein lizenzfreies Spektrum ist deshalb attraktiv. Allerdings gibt es keinen Schutz vor anderen Geräten, die im selben Frequenzband oder auf den gleichen Kanälen arbeiten.

Die Teams für das IoT-Design stoßen am häufigsten im Debugging, der Optimierung der Batterielaufzeit und der Pre-Compliance-Prüfung auf Schwierigkeiten.

Hochfrequenz-Design und erfolgreiches Debugging

Es ist üblich, dass Funkkomponenten von sehr erfahrenen Hochfrequenz-Entwicklungsingenieuren entworfen werden. Jedoch gibt es mittlerweile unzählige Funkmodule, die in eine Hardware integriert werden können, ohne dass der Entwickler nennenswerte Erfahrung im Hochfrequenz-Design hat. Diese Multifunktionalität der Module und die immer geringeren Kosten helfen zweifellos, das explosive Wachstum von IoT-Geräten voranzutreiben.

Je nach Funktionalität des zu entwickelnden Geräts müssen auch noch digitale und analoge Schaltungen integriert werden. Zudem ist sicherzustellen, dass das Funkmodul funktioniert. Das Bild 1 zeigt ein typisches IoT-Gerät: Ein WiFi-Modul sowie ein DC-Netzteil und eine IoT-spezifische Hardware.

Die Grafik zeigt mehrere potenzielle Problemzonen, in denen Prüfungen und Debugging möglichst einfach erfolgen können. Nach dem Einschalten des Geräts stellt sich die erste Frage: sendet es oder nicht? Wird ein Signal ausgesendet, dann muss geprüft werden, ob die Frequenz stimmt und ob der Signalpegel und die Linearität korrekt sind. Dabei hilft im einfachsten Fall ein Spektrumanalysator.

Das Messgerät zeigt nicht nur, ob das Signal vorhanden ist, sondern misst zudem Frequenz und Pegel. Eventuell müssen das Signal decodiert oder digitale Daten aus dem Signal extrahiert werden. In diesem Fall ist ein Vektor-Signalanalysator (VSA) erforderlich. Das Funkmodul sendet nur das, was es soll.

Das anwendungsspezifische Modul aus Bild 1 ist sozusagen das Gehirn des Geräts – es wird so programmiert, dass es alle Module einschließlich des Funkmoduls steuert. Funktioniert das Modul nicht wie erwartet, ist zu prüfen, warum das so ist. Eventuell erhält das Funkmodul die falschen Steuersignale oder es liegt an fehlerhaften Bus-Befehlen. Auch ein Problem mit der Spannungsversorgung ist denkbar.

Um die Hochfrequenz-, Analog- und Digitalteile des Designs debuggen zu können, wird ein Oszilloskop benötigt. Das Gerät erfasst alle notwendigen Signale gleichzeitig im Zeit- (konventionelle Oszilloskop-Funktionalität) und im Frequenzbereich (konventionelle Spektrumanalysator-Funktionalität).

Moderne Mixed-Domain-Oszilloskope verfügen über einen dedizierten Spektrumanalysator-Kanal, um alle relevanten Signale gleichzeitig zu erfassen. Durch die Zeitkorrelation lassen sich mögliche Probleme übergreifend betrachten. Wenn das Funkmodul nicht wie erwartet funktioniert, können die über den Steuerbus an das Modul gesendeten Befehle und gleichzeitig das Hochfrequenzsignal überwacht werden.

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