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

Autor / Redakteur: Dean Miles * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

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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Vernetzte Geräte: Im Internet der Dinge sind Werkzeuge und Maschinen verbunden. Wie stellt man als Entwickler sicher, dass die Geräte problemlos und fehlerfrei funktionieren? Die Messtechnik gibt darauf Antworten.
Vernetzte Geräte: Im Internet der Dinge sind Werkzeuge und Maschinen verbunden. Wie stellt man als Entwickler sicher, dass die Geräte problemlos und fehlerfrei funktionieren? Die Messtechnik gibt darauf Antworten.
(Bild: zapp2photoFotolia.com)

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.

Was bei der Empfängerprüfung zu beachten ist

Ebenfalls überprüft werden muss der Empfänger des IoT-Funkmoduls und ob er die richtigen Hochfrequenzsignale empfängt. Zudem ist zu überprüfen, ob das Modul unerwünschte Hochfrequenzsignale herausfiltern kann. Mit einem Empfänger-Empfindlichkeitstest lässt sich sicherstellen, dass der Funkempfänger das richtige Signal empfängt und decodiert.

In den meisten Fällen muss das jeweilige Signal mit einem geeigneten Pegel erzeugt und dann allmählich der Signalpegel so weit abgesenkt werden, bis das Gerät das Signal nicht mehr empfangen und decodieren kann. Liegt der gemessene Signalpegel unterhalb der geforderten Empfängerempfindlichkeit, hat das Gerät den Test bestanden.

Ein Hochfrequenzsignal für den jeweiligen Funkstandard lässt sich mit einem Vektor-Signalgenerator (VSG) erzeugen. Es erzeugt modulierte Hochfrequenzsignale, also digital kodierte Informationen. Geprüft werden muss außerdem, ob der Empfänger unerwünschte Hochfrequenzsignale blockiert, während er gleichzeitig das gewünschte Signal empfängt und decodiert. Das lässt sich mit einem Empfänger-Blocking-Test ermitteln. Hierfür werden zwei VSGs und ein Hochfrequenz-Mischer benötigt.

Ein typisches IoT-Gerät enthält mindestens einen Sensor, einen Prozessor und einen Funk-Chip, die in verschiedenen Modi arbeiten und eine Stromaufnahme von einigen Hundert Nanoampere bis zu einigen Hundert Milliampere aufweisen. Das ändert sich innerhalb von wenigen Mikrosekunden. Die Charakterisierung eines Geräts mit niedrigem Stromverbrauch ist keine leichte Aufgabe, wenn man gleichzeitig sicherzustellen will, dass es innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bleibt.

Sichergestellt werden muss, dass Ströme in einem großen Dynamikbereich exakt erfasst werden; erfasst werden müssen auch komplexe und schnelle Stromsignale während des Sendevorgangs über eine bestimmte Zeit, um eine stabile und genaue Stromversorgung für das zu prüfende Gerät sicherzustellen. Wird beispielsweise ein IoT-Gerät mit Solarenergie versorgt, müssen hohe Ströme gemessen werden. Mit einem grafischen Sampling-Multimeter des Typs Keithley DMM7510 lässt sich die Leistungscharakteristik der verwendeten Solarzelle untersuchen.

Das Messgerät verfügt über integrierte Temperaturfühler und Lichtsensoren. Es meldet den Batterieladezustand, wenn Energie über die Solarzellen gewonnen wurde. Der aktive Sende-/Empfangsvorgang benötigt mehr als 29 mA. Im Ruhemodus liegt der Wert bei 70 nA.

Den Energiebedarf eines vernetzten Gerätes bestimmen

Viele Entwickler von vernetzten Anwendungen fragen sich, mit welchem Instrument sie die Energieverbrauchs-Charakteristik untersuchen können. Ist ein Strommessgerät oder ein Oszilloskop mit einem Spannungs- oder Stromtastkopf besser geeignet? Die Tabelle zeigt einen Vergleich der aktuell verfügbaren Strommessinstrumente einschließlich der wichtigsten Funktionen.

Oszilloskop und Tastköpfe sind für hohe Ströme und schnelle Änderungen ausgelegt. Picoammeter und klassische DMMs messen sehr kleine Ströme, das aber nicht unbedingt schnell. Grafische Sampling-Multimeter sind relativ neu und bieten im Vergleich zu konventionellen Instrumenten eine umfangreiche Funktionsauswahl.

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Ein vollständiger Konformitätstest für ein IoT-Design in einem zertifizierten Labor ist teuer. Schnell scheitern die Tests und Re-Designs sind teuer und zeitaufwendig. Besser ist es, am Ende des Design-Zyklus die Geräte zu verifizieren. Im Gegensatz zu einer vollständigen Konformitätsprüfung muss der Pre-Compliance-Test nicht zu den internationalen Standards konform sein.

Ziel ist es, einfach potenzielle Probleme aufzudecken und das Risiko eines Fehlschlags bei dem teuren Konformitätstest zu verringern. Die verwendete Messtechnik darf nicht konform sein und eine geringere Genauigkeit und Dynamikbereich aufweisen als konforme Empfänger – aber nur so lange es eine ausreichende Toleranzreserve zu den Testergebnissen gibt.

  • Spektrumanalysator mit Spitzenwertdetektor (optional Quasi-Spitzenwert),
  • Vorverstärker (optional),
  • Antenne mit nicht-metallischem Standfuß für gestrahlte Emissionen,
  • Netznachbildung (LISN) für leitungsgebundene Tests,
  • Leistungsbegrenzer für leitungsgebundene Tests und
  • Nahfeld-Tastköpfe für die Diagnose (optional)

Das Bild 2 zeigt den Messaufbau für einen Pre-Compliance-Test für leitungsgebundene Emissionsprüfung. Das DUT ist ein universelles Netzteil für ein Notebook. Für leitungsgebundene Messungen wird anstatt einer Antenne eine Netznachbildung (LISN) verwendet. Das ist im Prinzip ein Tiefpassfilter, der zwischen einer AC- oder DC-Stromquelle und dem Testobjekt eingefügt wird, um eine bekannte Impedanz zu schaffen und eine Messschnittstelle für Hochfrequenz-Störungen zur Verfügung zu stellen. Diese isoliert auch die unerwünschten Hochfrequenz-Signale von der Stromquelle.

Ein Vorverstärker ist eine gute Möglichkeit, um die relativ kleinen Signalpegel vom Testobjekt (DUT) zu erhöhen. Zu beachten ist, dass die auf einer 50- oder 60-Hz-Stromversorgung geleiteten Interferenzen ebenfalls Probleme verursachen können.

Leitungsgebundene EMI-Tests

Leitungsgebundene EMI-Tests werden typischerweise von 9 kHz bis 30 MHz gemessen. Bei der vermessenen, kostengünstigen Stromversorgung überschritt die leitungsgebundene Emission etwa 177 kHz über dem Grenzwert. Gestrahlte Emissionen sollten an einem Ort gemessen werden, der möglichst geringe externe Signalstörungen aufweist.

Zum Einsatz kamen drei kostengünstige logarithmisch-periodische Antennen und eine Doppelkonus-Antenne. Die Antennen wurden auf ein Stativ montiert und es flossen die Antennen-Faktoren (AF) sowie die Kabeldämpfung in die Feldstärke-Korrektur des Spektrumanalysators ein. Die Doppelkonus-Antenne wird für Frequenzen von 20 bis 200 MHz genutzt, da für die längeren Wellenlängen eine größere Antenne erforderlich ist.

Ein Pre-Compliance-Test wird aus verschiedenen Entfernungen zum Testobjekt gemessen: mit einem Meter oder wenige Zentimeter. Eine reduzierte Entfernung zwischen Testobjekt und Testantenne vergrößert das Verhältnis von Signalstärke vom Testobjekt zur Hochfrequenz-Hintergrundstörung. Leider lassen sich die Messergebnisse von Nahfeld-Tests nicht direkt in Ergebnisse von Fernfeld-Tests umrechnen, die in der EMI-Konformitätsprüfung genutzt werden.

Kommt ein zusätzlicher Vorverstärker zum Einsatz, erhöht dieser den schwachen Signalpegel des Testobjekts. Bevor man sich dem Testobjekt zuwendet, ist zuerst das Testumfeld zu evaluieren und zu charakterisieren. Ist der Signalabstand zwischen den Grenzwerten und den Umgebungsstörungen ausreichend groß? Gibt es bekannte Signale, die reduziert werden können? Muss der Testaufbau in eine ruhigere Umgebung verlegt werden?

Sobald das Thema Hintergrundstörungen zufriedenstellend gelöst ist, kann das Testobjekt eingeschaltet werden. Die Differenzwerte zwischen den beiden Messungen entsprechen den Emissionen vom Testobjekt. Das im Beispiel verwendete WiFi-Demo-Board hat die EMI-Konformitätsprüfung bestanden. Wenn der Testaufbau korrekt ist und keine Störungen den Grenzwerten zu nahe kommen, kann mit der Konformitätsprüfung begonnen werden.

Den Intentional Radiator Test nicht vernachlässigen

Nicht zu vernachlässigen ist der Intentional Radiator Test: Ein Radiator, also ein beabsichtigter Strahler, ist ein Gerät, das während des Betriebs hochfrequente Energie, die nicht Infrarot- oder Ultraschall-Energie ist, aussendet. Solche Geräte müssen die Testanforderungen für Unintentional Radiator erfüllen, da die internen Schaltungen Emissionen bei Frequenzen erzeugen können, die außerhalb des Bereichs liegen, für den das Gerät entwickelt wurde.

Bei der Evaluierung eines Spektrumanalysators für solche Prüfungen sollte ein Instrument ausgewählt werden, das mindestens die dritte Oberwelle oder höher der innerhalb des Gerätes erzeugten und ausgestrahlten Signale erfassen kann. Der Testaufbau ist gleich der für gestrahlte Emissionen.

* Dean Miles ist Senior Technical Marketing Manager bei Tektronix und verantwortlich für das High-Performance-Produkt-Portfolio.

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