Automatische Synchronisierung von Geräten mit Precision Time Protocol

Winterthur, Juni 2018 – Welcher Messtechniker kennt es nicht: Heute brauchen drei Kollegen Geräte für verschiedene Messungen mit einigen Kanälen, morgen hat man selbst eine grössere Messaufgabe mit vielen Kanälen zu bewältigen. Mit mehreren synchronisierbaren Datenerfassungsgeräten lässt sich dieser Spagat elegant umsetzen. Aber wie funktioniert das eigentlich konkret?

Hat man stets wiederkehrende, identische Messungen zu bewältigen, gilt ein klassisches, hochkanaliges Messsystem als etablierte Lösung. Muss man jedoch mal mit vielen Kanälen, mal mit wenigen, dafür möglicherweise in verschiedenen Messaufgaben zur gleichen Zeit messen können, ist hohe Flexibilität gefragt. Dies liesse sich mit der Anschaffung von mehreren, identischen Datenerfassungssystemen realisieren. Wegen der hohen Kosten ist diese Lösung allerdings für gelegentliche, flexible Nutzungen nur bedingt dazu geeignet. Das alternative Ausweichen auf günstigere Hersteller hat neben potentiell ungenaueren Messresultaten den Nachteil, dass der Anwender sich erst in die Bedienphilosophie einarbeiten und weitere herstellerspezifische Software installieren und kennenlernen muss. Können hingegen hochwertige Geräte und Software für die verschiedenen Aufgaben flexibel verwendet werden, steigert das die Effizienz deutlich und spart Anschaffungskosten. Die Basis dazu bilden intelligente Einzelgeräte, die sich zu einem Verbund zusammenschliessen lassen.

Synchronisierung mittels Precision Time Protocol (PTP) als effiziente Lösung. Bei der Erfassung von Messsignalen ist es absolut zentral, dass diese synchronisiert erfolgt, da ansonsten Resultate möglicherweise völlig falsch interpretiert werden können. Eine Synchronisierung kann prinzipiell auf zwei Arten erfolgen. Die klassische Lösung: Eine separate Leitung mit einem System-Takt wird zu jedem Gerät geführt und stellt sicher, dass die jeweiligen Messwerte (Samples) zur gleichen Zeit erfasst werden. Die andere Option ist, die jeweiligen Geräte mit einer präzisen Uhr auszustatten und diese periodisch abzugleichen.

Das PTP nach IEEE 1588-2008 Standard (entspricht PTP V2) beschreibt ein raffiniertes Verfahren, wie die Uhren von lokalen Netzwerkkomponenten abgeglichen werden können, sodass sie eine Genauigkeit im Sub-Mikrosekundenbereich erreichen – und dies ohne Zusatzleitungen. Werden Messwerte nun mit dem genauen Zeitwert versehen, können auf einem übergeordneten Rechner die Daten vieler Geräte zusammengefasst und dank der Zeitstempel zeitlich präzise dargestellt werden.

Was ist Precision Time Protocol (PTP)?

Das Elegante am PTP ist, dass der Anwender sich nicht um die Synchronisierung kümmern muss. Die Geräte synchronisieren sich selbständig über die normalen Netzwerkleitungen. Einzig die Topologie muss den Ansprüchen von PTP genügen. So dürfen sich zwischen den einzelnen PTP-Geräten keine nicht-PTP-fähigen Switches befinden, da solche nicht garantieren können, Datenpakete stets gleich schnell weiterzuleiten.

PTP kennt zwei Uhr-Typen: Master und Slaves. Ein Slave synchronisiert sich jeweils zu seinem entsprechenden Master. Die präziseste Uhr innerhalb eines Verbundes wird im Rahmen des automatischen „Best Master Clock Algorithmus“ (BMC) bestimmt. Ausgehend vom so gewählten „Grandmaster“ erfolgt dann die jeweilige Synchronisierung des nächsten Slaves, der möglicher-weise wiederum als Master für die nächste Stufe agiert. Nach erfolgreicher Initialisierung wird die Synchronität in regelmässigen Abständen kontrolliert und die Uhren gegebenenfalls nachjustiert.

PTP in der Praxis – Anwendungsbeispiel mit Geräten von Kistler

Bei der Implementierung von PTP zeigen sich Qualitätsunterschiede. Je näher PTP an der eigentlichen Digitalisierung von Signalen umgesetzt wird, desto präziser ist auch die Synchronisierung. Bei KiDAQ und LabAmp Geräten von Kistler erhalten digitalisierte Messwerte ihren Zeitstempel daher gleich hinter dem Analog/Digital-Wandler in einem Field Programmable Gate Array (FPGA). So wird Präzision im Sub-Mikrosekundenbereich möglich.

Für synchronisierte Messungen können mehrere KiDAQ und LabAmp Datenerfassungsgeräte flexibel in einem Verbund verwendet werden. Damit steht ein variables und beliebig erweiterbares System zur Verfügung, das praktisch keine Grenzen kennt. So können beispielsweise hochdynamische Signale eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors mit einem LabAmp 5165A in Kombination mit Temperaturen, Drehmomenten, Spannungen und piezoresistiven Drucksignalen erfasst werden, die an einem KiDAQ Datenerfassungssystem angeschlossen sind – und das präzise synchronisiert. Dabei spielt es keine Rolle, wie viele Geräte gekoppelt werden. Dank der  hohen Anzahl verschiedener KiDAQ-Module gibt es praktisch kein Sensortyp, der nicht abgedeckt wird.

Software-seitig gehört KiStudio Lab die Zukunft. Hier finden Konfiguration, Messung und Analyse statt – schnell, einfach und intuitiv. Die webbasierte Mess-Software wird im Laufe der Zeit die Funktionalität verschiedener bisheriger Kistler Software-Tools übernehmen und mit neuen Fähig-keiten erweitern.

Fazit

Mit Precision Time Protocol lassen sich auf komfortable und kostensparende Weise einzelne KiDAQ und LabAmp Datenerfassungsgeräte von Kistler zu einem grösseren Datenerfassungssystem kombinieren, ohne dass zusätzliche Synchronisierungsleitungen benötigt werden. Die Synchronisierung verläuft automatisch und hochgenau im Hintergrund. Die erfassten Daten stehen bequem und zentral zur Verfügung.