Universelles Mess- und Steuergerät mit 3,5 Single Board Computer unter LabVIEW in der Biomedizintechnik

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1 Universelles Mess- und Steuergerät mit 3,5 Single Board Computer unter LabVIEW in der Biomedizintechnik Lehnich, H.; Kaltenborn, G.; Pauer, H.-D. Kurzfassung Das universelle Mess- und Steuergerät besteht aus einem Single Board Computer (SBC) in den Abmessungen eines 3½ Zoll Diskettenlaufwerks. Über ein Erweiterungsmodul am PC/104 Bus des SBC können, dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst, bis zu 2 PCMCIA- Komponenten ( DAQ, GPIB, RAM ) hinzugefügt werden. Das Betriebssystem Windows 95 befindet sich in einem Flash-Speicher auf dem SBC. In Abhängigkeit von der Kapazität des eingesetzten Flash-Speichers sind LabVIEW-Anwendungen oder die vollständige LabVIEW Programmierumgebung ausführbar. Universelle Treiberbibliotheken wie NI-DAQ und GPIB stehen für Windows 95 zur Verfügung. Vorhandene VI-Bibliotheken sind somit ohne Änderungen auf der SBC-Hardware lauffähig. Die Integration des universellen Mess- und Steuergeräts in ein Windows Netzwerk wird über die Ethernet Schnittstelle des SBC realisiert. Damit werden alle vom PC bekannten netzwerkbasierten Funktionen nutzbar, auch die Möglichkeiten der Fernsteuerung von VIs ( VI Client / VI Server ), der Remote Device Access ( RDA ) und der Data Socket Dienst. Einleitung Die Vorteile von VI-gestützten Mess- und Steuereinrichtungen sind anerkannt [1]. Ein separater PC steuert die Prozesse über Zwischengeräte, die an die spezifische Aufgabenstellung angepasst sind (Bild 1). Bild 1: Darstellung einer typischen Messwerterfassung mit LabVIEW Der klinische Einsatz dieser Art von Messplätzen zeigt auch einige Nachteile dieser Konfiguration auf. Die Kombination aus einem biomedizintechnischem Gerät z.b. einem physiologischen Verstärker und einem PC muss als Einheit und in den Einzelgeräten den Sicherheitsanforderungen der MedGV entsprechen [2]. Vom Nutzer vorgenommene Änderungen am PC, z.b. der Anschluss an ein Netzwerk, kann negative Folgen für die elektrische Sicherheit der gesamten Gerätekombination haben. Die Sicherheit der Anwendungsprogramme wiederum kann durch andere Software, die nicht für den bestimmungsgemäßen Gebrauch notwendig ist, beeinträchtigt werden.

2 Aufgabenstellung: Der Rechner soll in das biomedizintechnische Gerät als eingebettetes (embedded) Steuersystem integriert werden. Die Nutzung von LabVIEW als grafische Programmierumgebung ist weiterhin zu gewährleisten. Somit sind auch Geräte in Einzelfertigung oder anwendungsspezifische Messeinrichtungen flexibel und universell mit Hilfe von Virtuellen Instrumenten programmierbar. Anforderungen an die Hardware Die Mindestvoraussetzungen für einen mit Virtuellen Instrumenten zu programmierenden, eingebetteten PC sind: Prozessor, 32 MB Arbeitsspeicher und 32 MB Programmspeicher. Aus Gründen der elektrischen und mechanischen Sicherheit sollten die Stromaufnahme, die Wärmeentwicklung und die Geräuschentwicklung des PC-Moduls möglichst gering sein. Der Einsatz von Komponenten, die bewegte mechanische Teile enthalten ( Floppy, konventionelle Festplatten, Lüfter) ist zu vermeiden. Die Standard E/A Kanäle für Bildschirm, Tastatur, Netzwerk, serielle und parallele Ports sollten vorhanden sein, um bei Bedarf oder generell die benötigten Benutzerschnittstellen bereitstellen zu können. Bild 2: 3 ½ Zoll Single Board Computer PCM 4823 Fa. Advantech Single Board Computer vereinen alle PC Baugruppen auf einer Platine (Bild 2) und entsprechen damit weitgehend den Hardwareanforderungen an eingebettete Steuerrechner unter LabVIEW. Der abgebildete 3½ Zoll SBC 4823 verfügt neben Standard E/A Steckverbindern auch über einen ISA- Bus vom Typ PC/104.

3 Das ermöglicht den Anschluss von Datenerfassungskarten, um universelle Mess- und Steuerfunktionen zu realisieren. Ein Flash RAM Modul übernimmt die Funktion der Festplatte. Konfigurationen von Betriebssystem und Hardware Um die vorhandenen VI-Bibliotheken einschließlich NI-DAQ weiterhin ohne Änderungen nutzen zu können, wurde Windows 95 als Betriebssystem ausgewählt. Es belegt ohne Netzwerkunterstützung 26 MB auf dem Flash RAM (DiscOnChip). Zur Ausführung von LabVIEW-Anwendungen wird die Laufzeitbibliothek lvrt.dll benötigt. Diese belegt weitere 4 MB Programmspeicher. Ein 32 MB Chip für Programme und Betriebssystem, ergänzt durch einen 32 MB Arbeitsspeicher ist für einfache Mess- und Steueraufgaben mit Virtuellen Instrumenten ausreichend (Tabelle 1 Zeile 1). DiscOnChip Windows 95 Minimalkonfiguration Windows 95 mit Netzwerk NI-DAQ lvrt.dll Verfügbar für LabVIEW Anwendung Bemerkung 32 MB 26 MB 4 MB 2 MB 48 MB 26 MB 14 MB 4 MB 4 MB 48 MB 37 MB 4 MB 7 MB 64 MB 37 MB 14 MB 4 MB 9 MB Datenerfassung z.b. über die serielle Schnittstelle mit 6B Modulen Einzelplatzrechner mit allen NI- DAQ Funktionen VI Client/Server Datenerfassung z.b. über die serielle Schnittstelle mit 6B Modulen NI-DAQ mit RDA VI Client/Server Tabelle 1 : LabVIEW-Anwendungen in Abhängigkeit von der Kapazität des DiscOnChip Die Differenz zwischen der Kapazität des DiscOnChip (Spalte1) und der Summe aus den erforderlichen Speicherkapazitäten (Spalte 2-5) ergibt den für die Anwendung verfügbaren Speicherplatz (Spalte 6). Für die Realisierung von universellen Datenerfassungsfunktionen (Tabelle 1 Zeilen 2 und 4) ist die Erweiterung des SBC über den PC/104 Bus notwendig. Messwerterfassungskarten werden für diesen Standard-Bus von verschiedenen Herstellern angeboten. Die dafür notwendigen speziellen LabVIEW-Treiber erfordern aber eine Änderung der vorhandenen LabVIEW-Bibliotheken. Die erstellten Virtuellen Instrumente sind nur auf der jeweiligen Hardware lauffähig. Für die Programmierung und Testung ist das ein erheblicher Nachteil. Eine Erweiterung des SBC durch eine PCMCIA Baugruppe (Bild 3) ermöglicht den Einsatz von DAQ-Cards z.b. DAQ-Card 6024E. Das Betriebssystem unterstützt auch in der Minimalkonfiguration die Plug&Play Funktion der PCMCIA-Karten. Die NI-DAQ Bibliothek erkennt die jeweilige eingesteckte National Instruments Datenerfassungshardware und stellt die benötigten Treiber für die LabVIEW-Anwendung bereit. Das Erweiterungsmodul verfügt über einen weiteren Steckplatz. Der begrenzte Programmspeicher auf dem DiscOnChip (z.b. Laufwerk C mit 64 MB) kann an dieser Stelle durch kostengünstigeren Compact Flash Speicher erweitert werden. Dieser wird vom Betriebssystem als Laufwerk D verwaltet. Das eröffnet die Möglichkeit, das gesamte LabVIEW- Entwicklungssystem und den Application-Builder auf Flash RAM zu installieren (Bild 4).

4 Bild 3: PCMCIA Erweiterung für Single Board Computer (PC/104 Bus) Die LabVIEW-Version 5.1 belegt dabei auf Laufwerk C zusätzlich 4 MB. Die Konfiguration gemäß Tabelle 1 Zeile 4 benötigt dann ca. 58 MB Speicherplatz. Der größte Teil der Dateien, 101 MB für Version 5.1, wird aber erwartungsgemäß vom Installationsprogramm auf dem Ziellaufwerk D eingerichtet. Für die eigentliche Funktion der LabVIEW-Anwendung beim Nutzer wird das Entwicklungssystem nicht benötigt. Der Vorteil zeigt sich erst, wenn nachträgliche Programmänderungen durch den Softwareentwickler unmittelbar vor Ort vorgenommen werden müssen. Das Betriebssystem erkennt die eingesteckte Speicherkarte, richtet das Laufwerk D ein und LabVIEW kann gestartet werden. Nach erfolgter Programmänderung wird mit dem Application-Builder die korrigierte LabVIEW-Anwendung erzeugt und auf Laufwerk C abgelegt. Nach dem Entfernen der Speicherkarte ist somit der Programmcode wieder geschützt. Bild 4: LabVIEW-Entwicklungssystem und Application Builder auf einem 42 mm * 36 mm großen Compact Flash Speicher Benutzerschnittstellen Die erforderlichen Benutzerschnittstellen für das universelle Mess- und Steuergerät sind von der Art der Anwendung abhängig. Die Datenerfassung über ein Netzwerk im Remote Device Access (RDA) und auch die Fernsteuerung von Virtuellen Instrumenten ist durch das Client / Server Prinzip gekennzeichnet. Das Mess- und Steuergerät liefert die Daten (Server), die durch einen externen PC (Client) empfangen und verarbeitet werden. Der Client hat auch die Aufgabe, die Benutzerschnittstelle bereitzustellen. Für den Server sind daher Statusanzeigen (LED) ausreichend.

5 Steuereinrichtungen für Geräte, die mit einer einfachen Bedienstruktur auskommen, können kostengünstig mit alphanumerischen LCD-Terminals realisiert werden. Der Anschluss an den Rechner erfolgt über die serielle Schnittstelle. Die Ein- und Ausgabeoperationen z.b. gedrückte Taste erkennen und Text auf das Display schreiben, sind vom Programmierer zu erstellen. Deshalb ist es sinnvoll, den PC, auf dem die Programme entwickelt und getestet werden, mit einem funktionsgleichen Terminal auszustatten. Grafisch orientierte Benutzerschnittstellen sollten über Anzeigeelemente mit einer minimalen Auflösung von 640*480 Bildpunkten (VGA) verfügen. Im vorgestellten universellen Messund Steuersystem wird ein 6,4 Zoll TFT Farbdisplay der Firma Sharp verwendet, das unmittelbar an der digitalen Videoschnittstelle des SBC angeschlossen werden kann. Das Betriebssystem unterstützt das VGA-Format standardmäßig. Der Einsatz von Virtuellen Instrumenten ist damit problemlos möglich. Das vorgestellte Mess- und Steuergerät wird für die Programmierung und Steuerung der Bewegung einer Plattenkegel-Scherstress-Apparatur angewendet [3]. Literaturhinweise: [1] Jamal, R. ; Pichlik, H. LabVIEW Programmiersprache der vierten Generation Prentice Hall 1997 ISBN [2] Kaltenborn, G.; Lehnich, H. ; Pauer, H.-D. Projektierung einer VI-gestützten Messeinrichtung in der Biomedizintechnik Virtuelle Instrumente in der Praxis (2000) S ISBN [3] Lehnich, H.; Kaltenborn, G.; Pauer, H.-D. LabVIEW Application for Motion Control Using an Embedded 3 ½ inch Single Board Computer National Instruments NIWeek 2001 CD Austin, Texas USA,