Flexible Datenerfassung im Fahrversuch mit WLAN-Telemetrie

Bei konventionellen Funk-Telemetriesystemen kann im Fahrversuch aufgrund von physikalischen Gesetzmäßigkeiten, Abschattungen und Reflektionen das Auftreten von Interferenzen mit den damit verbundenen Störungen niemals zu 100% verhindert werden. Das stellt die Messtechniker oft vor ernsthafte Probleme. Will man aber aufgetretene Übertragungsfehler im Betrieb korrigieren können, muss das Telemetriesystem zwangsläufig bidirektional und somit im Asynchron-Modus arbeiten.

Mit Tentaclion stellt CAEMAX Technologie GmbH nun ein intelligentes und schnelles Messsystem vor, das für den Anschluss aller gängigen Sensoren ausgelegt ist und dabei große Signalbandbreiten von bis zu 20 kHz pro Kanal bietet. Über Ethernet lässt sich das System einfach an jedes Notebook anschließen und steuern. Ein WLAN-Interface erlaubt darüber hinaus auch die kabellose Übertragung der Messwerte – entweder über bis zu 300m direkt in ein mit WLAN ausgestattetes Notebook oder über bis zu 3 km Freifeld an einen Empfänger, der dann die Daten über die Ethernet-Schnittstelle an den PC überträgt.

Beim Tentaclion-System kommen sogenannte Transceiver (Transmitter + Receiver = Sender + Empfänger) zum Einsatz, die kontinuierlich kleinere Datenpakete senden und empfangsseitig auf Korrektheit überprüfen. Bei Übertragungsproblemen werden diese solange erneut angefordert, bis sie fehlerfrei ihr Ziel erreicht haben.

Ermöglicht wird das durch bis zu 8 MB große Zwischenspeicher, die in jedem Signalaufbereitungsmodul vorhanden sind. Die Nutzung der standardisierten Netzwerk- und Internetprotokolle TCP/IP, HTTP und FTP ermöglicht die weltweite Fernwartung durch autorisierte Nutzer für Messdaten-Downloads, Parameteränderungen, Stichprobenentnahmen bei Langzeitmessungen, File-Transfers zum Support-Center und Firmware-Updates.

Dezentrale Signalaufbereitung mit komfortabler Web-Bedienung

Durch die dezentrale Systemarchitektur mit Platzierung der Signalaufbereitung direkt am Sensor und den Wegfall langer, störanfälliger Analogleitungen wird eine maximale Messgenauigkeit erreicht.

Die kanalweise wählbare Sensorsignalaufbereitung erlaubt den direkten Anschluss von Dehnungsmessstreifen (DMS), Mikrofonen und Beschleunigungsaufnehmern (ICP/IEPE), Thermoelementen, widerstandsbasierenden Sensoren (RTD- und Pt-Elemente) sowie Strömen. Alle Signaleingänge sind als Einfach- oder Differenzspannungseingänge mit sehr hoher Gleichtaktunterdrückung ausgeführt und erlauben somit auch Messungen mit potentialgekoppelten Thermoelementen.

Das System bietet programmierbare Abtastraten von 12 Samples/s bis 48 kSamples/s mit Signalbandbreiten von 5Hz bis 20kHz pro Kanal, stufenlos programmierbare Verstärkung von 1 bis 1024, automatische Offsetkompensation (Autozero), sowie programmierbare Sensorversorgungen von 0 bis 12V oder 0.1 bis 4mA mit 120mW pro Kanal bei 16 Bit Auflösung. Für die simultane Erfassung der gängigen Fahrzeugdaten steht darüber hinaus ein eigenes CAN-Bus Interface zur Verfügung.

Die vollständige Parametrierung erfolgt über einen integrierten Webserver mittels HTTP und ist somit völlig unabhängig von Software und Betriebssystem. Nach Eingabe der moduleigenen IP-Adresse in einen beliebigen Webbrowser öffnet sich die „Homepage“ des Moduls, auf der alle Einstellungen vorgenommen werden. Anschließend werden diese in einer lokalen Konfigurationsdatei gespeichert, die über FTP von jeder externen Software gelesen werden kann. Die Bedienung ist auch in die RemusLAB-Software von CAEMAX integriert und ermöglicht somit die komfortable Parametrierung des Messsystems, sowie die Datenerfassung und Speicherung im Notebook.

Flexibler Einsatz im Fahrversuch

Ein realitätsnahes Beispiel zeigt die flexiblen Einsatzmöglichkeiten des Tentaclion-System im Fahrversuch auf: Die folgenden Bilder zeigen ein typisches Testoval mit etwa 6 km Streckenlänge, auf dem sich ein oder mehrere Testfahrzeuge im Hochgeschwindigkeitsbereich von bis zu 250 km/h bewegen. Messdaten sollen in den Testfahrzeugen erfasst und laufend an eine stationäre Messstation bzw. ein Messfahrzeug übertragen werden. Für die folgenden Betrachtungen ist es wichtig zu wissen, dass die tatsächlich erreichbaren Datenraten über die WLAN-Strecke natürlich von den Wetter- und Sichtbedingungen, aber auch von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger abhängig sind. Möglichst kurze Übertragungswege sind also von Vorteil.

Tentaclion_Rundkurs_1Beispiel 1: Im einfachsten Fall befindet sich nur ein Fahrzeug auf der Teststrecke, die zudem ohne Sichthindernisse, d.h. von überall komplett einsehbar sein soll. Das stationäre Messfahrzeug sei im Beispiel in der Mitte einer der beiden langen Geraden platziert, was einen maximalen Übertragungsweg von ca. 1500m ergibt. Die höchsten Transferraten erzielt man dabei, wenn das fahrende Testfahrzeug die Rolle des WLAN Access Points übernimmt (Download-Modus). Die Spezifikationen des Systems erlauben in diesem Fall und bei idealen Wetterbedingungen eine Datenrate von bis zu 30 Mbps (= Megabit pro Sekunde). Das genügt um beispielsweise 36 Kanäle mit 16 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 48 kSamples/sec fehlerfrei zu erfassen. Das entspricht der maximalen Signalbandbreite von 20 kHz pro Kanal.

Tentaclion_Rundkurs_2Beispiel 2: Nun soll ein zweites Testfahrzeug hinzutreten, dessen Daten simultan erfasst werden müssen. Sicht- und Wetterverhältnisse seien dabei weiterhin ideal. In diesem Fall platziert man das stationäre Fahrzeug sinnvoller Weise zentral im Gelände, um die kürzesten Übertragungswege zu gewährleisten. Für eine möglichst einfach konfigurierbare System-Topologie übernimmt nun das Messfahrzeug die Rolle des Access Points.

Die Datenübertragung über WLAN erfolgt daher nun im Upload-Modus, was zwangsläufig zu einer erheblichen Reduzierung der maximalen Transferraten führt. Im Beispiel beträgt diese beim kürzesten Abstand von etwa 600m noch 5 Mbps, im weitesten Fall (1200m) nur noch 3 Mbps. Die Datenraten reduzieren sich weiter, da sich nun zwei Transceiver das gleiche Frequenzband teilen müssen. Andererseits lassen sich durch den Zwischenspeicher im Sender langsamere Übertragungsphasen überbrücken. Die Praxis zeigt, dass in diesem Fall eine kontinuierliche Transferrate von ca. 1,5 Mbps pro Fahrzeug erreicht werden kann. Das entspricht immerhin 4 Kanälen mit einer Abtastrate von jeweils 24 kSamples/sec bzw. auch mehr als 4 Kanälen mit entsprechend geringerer Abtastrate.

Tentaclion_Rundkurs_3Beispiel 3: Im letzten und kompliziertesten Fall soll nun ein dichtes Waldstück in der Mitte des Ovals die freie Sicht erheblich begrenzen. Die optimale Position für unser stationäres Messfahrzeug befindet sich nun in einer Ecke, von wo aus etwa 50% der Teststrecke einsehbar sind. Anders ausgedrückt: Die beiden Testfahrzeuge befinden sich jeweils die Hälfte der Zeit im Funkschatten.

Bei einer angenommenen Geschwindigkeit von 250km/h und einer daraus resultierenden Rundenzeit von etwa 90 Sekunden erfordert dies demnach eine durchschnittliche Zwischenspeicherung der Messdaten für mindestens 45 Sekunden. Die Speichergröße von 8 MB reicht dann in der Theorie nicht ganz, um die Transferrate aus dem vorherigen Beispiel in allen Fällen zu gewährleisten. Eine weitere Reduktion der Abtastrate und/oder Kanalzahl wäre also eventuell notwendig. In der Praxis erfolgt die Leerung des Datenpuffers in der Annäherungsphase der Fahrzeuge aber meist erheblich schneller.

Erfordert der Fahrversuch darüber hinaus ein kontinuierliches Online-Monitoring, d.h. ohne Unterbrechungen im Funkschatten, so kann auch dies durch den Einsatz weiterer Transceiver – so genannter „Repeater-Stationen“ – realisiert werden, die eine durchgängige Sicht- und Funkverbindung rings um die Strecke gewährleisten. Dabei wird auf das WDS (= Wireless Distribution System) Protokoll zurückgegriffen, das eine drahtlose Kommunikation auch zwischen mehreren Access Points ermöglicht.

Mit Tentaclion können demnach Testfahrzeuge im Bereich ihrer Teststrecken lückenlos und mit maximalen Übertragungsraten, drahtlos miteinander vernetzt werden. Das gesamte System lässt sich zudem komfortabel und in kürzester Zeit konfigurieren und weltweit jederzeit ohne Inanspruchnahme lokaler Infrastruktur in Betrieb nehmen.