System-Aufbau Verdrahtung, Entstörung, Montage Allgemeine Hinweise und Glossar kws 7/92

"Alles Gleichstrom !" pflegen Hochfrequenz-Physiker achselzuckend zu bemerken, wenn man ihnen stolz von der noch schnelleren Taktfrequenz einer neuen CPU berichtet. Jeder, der sich schon einmal mit dem praktischen Aufbau von Computern befaßt hat, weiß Anderes zu berichten: da sorgt dieser Gleichstrom zum Beispiel dafür, daß Daten von der Floppy nicht gelesen werden können oder daß auf dem Bildschirm alles erscheint, nur kein stabiles Bild. Um unseren Anwendern den täglichen Kampf mit derlei Problemen etwas zu erleichtern, haben wir an dieser Stelle einige Hinweise und Anregungen zusammengetragen, die sich aus der Praxis der letzten Jahre herauskristallisiert haben. Teil 2 dieser Schrift ist ein kleines Lexikon der Fachbegriffe ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Nicht jeder, der unsere Systeme als Handwerkszeug benutzt, ist von Beruf Hardware-Entwickler. Wem die Computer-Terminologie nicht so leicht über die Lippen kommt, der wird diesen Abschnitt vielleicht hilfeich finden.

Inhalt Teil 1: Aufbau-Hinweise 1. Schaltnetzteile 2. Gehäuseaufbau 3. Schutzerde- und Masse-Anschluß 4. Funk-Entstörung 5. Anschluß von Peripheriegeräten 5.1 Floppy-Laufwerk 5.2 SCSI-Bus 5.3 Monitoranschluß 5.4 V.24-Schnittstellen 5.5 Centronics-Interface 6. Prozeß-Ein-/Ausgabe 6.1 Optokoppler 6.2 A/D-Wandler 6.3 Digital-I/O 6.4 Hinweise zur Leitungsführung Teil 2: Glossar

Teil 1: Aufbau-Hinweise 1. Schaltnetzteile Leider ist es bei der Stromversorgung von Rechnersystemen kaum möglich, auf längsgeregelte Netzteile zurückzugreifen, weil sie groß, schwer und verlustreich sind. Davon abgesehen, wären sie ideal: sie sind unempfindlich gegen Netzspannungsschwankungen und verursachen auch selbst keine Störungen. Bei der Installation von primär oder sekundär getakteten Schaltnetzteilen ist einiges zu beachten: Grundlast: es ist konstruktiv aufwendig, Schaltregler so zu konstruieren, daß sie auch bei sehr kleinen Ausgangsbelastungen korrekt arbeiten. Sie benötigen in der Regel eine Mindest-Last, meist 5-10% der Maximallast. In variabel bestückbaren Systemaufbauten kann es daher notwendig sein, diese Mindestlast durch Einbau eines Lastwiderstandes zu garantieren. Ohne hinreichende Belastung spricht sonst gleich beim Einschalten die Überspannungs-Sicherung des Netzteils an und schaltet den Ausgang ab. Wenn ein Schaltnetzteil zwei unabhängige Regler hat (5V und 12V), so müssen auch beide mit ihrer Mindestlast belastet werden. Dies kann auch dann gelten, wenn die eine Spannung nicht benötigt wird: da beide Regler zwar unabhängig sind, jedoch aus Gründen der Störungsverringerung miteinander synchronisiert werden, funktioniert in vielen Fällen ein Regler nur dann, wenn auch der andere richtig arbeitet. Festplattenlaufwerke, die durch ihren Motor die 12V-Versorgung an sich hinreichend belasten, eignen sich dennoch oft nicht als Grundlast. Das liegt daran, daß die Motorregelung erst nach Stabilisierung der Versorgungsspannung aktiv werden will, es zur Stabilisierung ohne Last jedoch nicht kommt. Will man den hohen Leistungsverbrauch eines geeigneten Lastwiderstands (z.B. 10% von 12V x 8A = ca. l0W) vermeiden, dann kann man an dieser Stelle auch einen Widerstand und einen damit in Serie geschalteten Kaltleiter mit niedriger Sprungtemperatur (z.B. 60 Grad) verwenden. Die beiden werden thermisch gut verbunden und z.B. mit Schrumpfschlauch nach außen isoliert. Im Einschaltmoment fließt dann der gewünschte Grundlast-Strom, der Widerstand heizt den Kaltleiter auf, und wenn dieser dann zu sperren beginnt, hat das Festplattenlaufwerk die Grundlastfunktion übernommen. Im Dauerbetrieb wird auf diese Weise wesentlich weniger Leistung unnütz verbraucht. Störungen: durch die hohe Schaltfrequenz bedingt erzeugen Schaltnetzteile in großem Umfang breitbandige Störungen in der Umgebung. Wenn der Ausgang des Netzteils potentialfrei belassen wird, so können zwischen Ausgangsmasse und Schutzerde hochfrequente Störpegel von über 50 V gemessen werden. Daß dies nicht die richtige Umgebung insbesondere für magnetische Massenspeicher ist, ist klar. Besonders stark wirken sich Störungen in großen Gehäusen aus, die aus wenigen flächigen Aluminiumteilen bestehen. Am einfachsten läßt sich das Problem lösen, indem man eine stabile Verbindung zwischen Masse und Schutzerde herstellt; diese ist jedoch zwecks Vermeidung von Masseschleifen unerwünscht. Erfahrungsgemäß bewährt sich eine kapazitive Verbindung am besten, und zwar direkt am Netzteil bzw. am Sternpunkt der Schutzerde angebracht (kurzes Kabel!) und aus zwei keramischen VielschichtKondensatoren bestehend: einen von 100 nF und einen mit "schneller" Keramik und etwa 100 pF Kapazität. Mehr dazu in den folgenden Kapiteln. Sicherung und Netzfilter: Die Netzsicherung ist insbesondere bei Sekundärreglern großzügig zu dimensionieren: mindestens die dreifache Nennleistung des Netzteils sollte sie verkraften und außerdem träge sein. Wegen der vom Netzteil ausgehenden Störungen ist der Einbau eines Netzfilters Pflicht. Dieses muß direkt beim Netzanschluß mit kürzest möglichen Kabeln angebracht werden. Billige Netzfilter mit

größeren Toleranzen haben oft einen unsymmetrischen Aufbau bezüglich Schutzerde; sie bringen dadurch vor allem beim Einschalten des Systems etwaige Fehlerstrom-Schutzschalter zum Ansprechen.

Verdrahtungsprinzip. Die Verknüpfung der 5V-Ausgänge gleich beim Netzteil dient dazu, die Strombelastung je Anschlußpin gleichmäßig zu verteilen. Bei den meisten kostengünstigen AnschlußSteckern erweist sich diese Maßnahme als dringend notwendig.

2. Gehäuseaufbau Kabelbaum Alle Verbraucher, die eine nennenswerte Stromaufnahme haben, müssen einen eigenen Anschluß am Netzteil besitzen. Zwar kann man zwei Floppy-Laufwerke über dieselbe Leitung versorgen, aber es ist vollkommen indiskutabel, ein Festplattenlaufwerk und den Kartenkäfig an dieselbe Leitung zu hängen, oder die Floppy "hinter" der Festplatte anzuschließen. Die Störungen, die der eine Verbraucher erzeugt, werden sonst auf den anderen übertragen und über dessen Signalkabel zum Rechner weitergeleitet. Alle Stromversorgungen werden sternförmig angeschlossen! Von den "Sense"-Leitungen des Netzteils macht man besser keinen Gebrauch, sondern verbindet sie direkt am Netzteil mit den zugehörigen Ausgängen. Manche Spannungsregelung reagiert seltsam, wenn sie den "Matsch" ausregeln soll, der sich auf den Versorgungsleitungen zum Rechner bildet. Besser sind stabile und kurze Leitungen: etwa 2.5 qmm und bis zu 30 cm für 10 A Last. A propos Anschluß: nicht jedes Netzteil, das 20 A Ausgangsstrom liefert, besitzt auch Steckanschlüsse, die diesen Strom vertragen. In der Regel ist es so, daß bei Vorhandensein von mehreren Steckanschlüssen der Maximalstrom nur bei halbwegs gleichmäßiger Aufteilung auf alle Anschlüsse langfristig vertragen wird. Wenn also an drei Anschlüssen drei Verbraucher anzuschließen sind, von denen einer allein 80% des Gesamtstroms aufnimmt, so müssen die drei Anschlußkabel nahe beim Netzteil nochmals miteinander verbunden werden. Eine aufquetschbare Kabelklemme (AMP Electro-Tap ) genügt. Ohne diese Maßnahme wird der Anschluß eines Tages schwarz verkohlt sein. Zwangsentlüftung: besser Zwangsbelüftung, denn der Luftstrom sollte nach Möglichkeit ins Gehäuse hinein gerichtet sein. Zum einen läßt sich so ein gerichteter Strom auf die stärkste Wärmequelle lenken, und zum anderen wird nicht unkontrollierbar Luft und damit Schmutz durch alle Ritzen des Gehäuses angesaugt. Eine dieser "Ritzen" ist z.B. der Schlitz des Floppy-Laufwerks, und etwaige Schmutzpartikel lagern sich dann vorzugsweise auf der Diskette ab. Jede andere Stelle der Ablagerung wäre vorzuziehen! Ansaugluft-Filter bewähren sich in der Praxis nicht: Je schmutziger die Luft, desto schneller setzen sich sich zu und behindern die Kühlung. Dies führt schneller zum Ausfall des Rechners als die Verschmutzung selbst. Wie die Kühlung dimensioniert werden muß, richtet sich nach der Konfiguration des Systems und der maximal zulässigen Temperatur-Erhöhung im Gehäuse. Genauere Berechnungen und Messungen sind empfehlenswert; die notwendigen Grundlagen und Diagramme finden sich z.B. im "Handbuch des 19"-Aufbausystems" von Dr. D. Hesse, erschienen im Markt & Technik Verlag. Transportsicherungen: Wenn ein System so aufgebaut werden soll, daß es auch einen Transport mit der Post aushält, so muß man sich hinsichtlich Transportverpackung ebenso Gedanken machen wie über den mechanischen Aufbau im System. Die geeignetste Verpackung ist eine genau berechnete Konstruktivverpackung aus geschlossenzelligem (PE-) Schaum, bei der die eigentliche Federungswirkung durch die eingeschlossene Luft erzeugt wird und nicht wie bei Styropor durch die Zellwände. Die Auflagefläche, mit der der Schaum am Gerät anliegt, ist aus Federkonstante und Produktgewicht zu bestimmen und die Stärke des Schaums aus der zulässigen Maximalbeschleunigung (meist um die 50 g Spitzenwert wegen installierter Massenspeicher). Außerdem ist zu bedenken, daß beim Transport größere Baugruppen zu Eigenschwingungen angeregt werden können: man hat deswegen schon durchgebrochene Karten gesehen. Solche Schwingungen sind durch geeignete Transportsicherungen oder Hartschaum-Polster zu dämpfen. Isolation von Massenspeichern: Es kann nützlich sein, Floppy- und Festplattenlaufwerke vom Gehäuse isoliert zu montieren und ihre Chassis ggf. über eigene Erdleitungen mit Schutzerde zu verbinden. Dies gilt auch dann, wenn ein Festplattenlaufwerk ein vom Innenchassis isoliertes Außenchassis hat. Von diesen empfindlichen Geräten sind Störungen jedenfalls so weit wie möglich fernzuhalten. Es ist in diesem Sinn auch ungut, einen Einbaumonitor gleich neben den Massenspeichern zu installieren. Mehr dazu in den folgenden Abschnitten.

3. Schutzerde- und Masse-Anschluß Kondensatoren: Es wurde bereits im Netzteil-Kapitel erwähnt, daß eine kapazitive Verbindung zwischen Netzteilmasse und Schutzerde herzustellen ist, und zwar direkt am Netzteil und Erde-Sternpunkt mit möglichst kurzen Leitungen (nur wenige Zentimeter!). Dieser Erde-Sternpunkt seinerseits hat direkt am Erde-Eingang des Gehäuses zu sein. Jede einzelne Schutzerdeverbindung muß hierher geführt sein! Alle übrigen Verbindungen zwischen Masse und Erde sollten entfernt werden, also auch etwaige "frame ground"-Steckbrücken auf Laufwerken. 19"-Technik: Bei dieser Technik bestehen die Gehäuse aus einer Unzahl von Einzelteilen, die mehr oder weniger gut miteinander verbunden sind. Es ist darauf zu achten, daß wirklich einwandfreier Kontakt zwischen Quer- und Seitenprofilen besteht und daß auch die Frontplatten von Baugruppen richtig geerdet sind. Dazu sollten sie mit eingepreßten Metallnippeln für die Frontplattenbefestigung ausgerüstet sein, auch wenn es nicht so gut aussieht wie solche aus Plastik. Damit es Kontakt gibt, müssen aber auch die Gewindestreifen in den Querprofilen durch Eindrehen von Madenschrauben zuverlässig mit dem Profil verbunden werden. Masseschleifen: Genau wie die Schutzerde soll auch die Signalmasse immer sternförmig verdrahtet werden! Dies ist nicht immer leicht möglich: mitunter haben Peripheriegeräte wie Drucker oder Bildschirme intern Verbindungen zwischen Masse und Schutzerde, so daß ein Verbindungsweg zwischen zwei Peripheriegeräten über die Schutzerde entsteht und damit eine ringförmige Verbindung vom Rechner zum einen Gerät, von da zum anderen und wieder zurück zum Rechner. Daraus ergeben sich Probleme insbesondere bei längeren Leitungen: wenn über eine der Signalleitungen nennenswerte Ströme fließen, erzeugen sie auf dem Umweg über die Masseschleife auch einen Spannungsabfall in der Zuleitung zum anderen Gerät, der sich zu dessen Signal addiert. Dies führt zu Fehlmessungen analoger Signale, zu Störungen auf dem Bildschirm oder auch zur unbeabsichtigten Auslösung von Alarmen bei Digitalausgängen mit Ausgangsüberwachung. Aufgrund leidvoller Erfahrungen sei nochmals darauf hingewiesen, daß die Vermeidung solcher Masseschleifen wichtig ist! Wenn nicht anders möglich, ist galvanische Trennung vorzusehen. Verteilte Systemkonfigurationen: Damit sind an dieser Stelle solche Aufbauten gemeint, die räumlich weit auseinandergezogen sind und die an unterschiedlichen Stellen mit Strom versorgt werden müssen. Ein einfaches Beispiel ist eine Konfiguration aus zwei Rechnern, die in verschiedenen Räumen aufgebaut werden und die einen gemeinsamen Drucker mittels eines Drucker-Umschalters benutzen. Das Problem bei solch einer Konfiguration besteht darin, daß die beiden Rechner an unterschiedlichen Netzstromkreisen angeschlossen sind: wenn einer dieser Kreise durch Einschalten von Motoren oder auch nur der Raumbeleuchtung plötzlich belastet wird, verschieben sich die Potentiale der Netzversorgungen beider Rechner gegeneinander. Auch wenn die Signalspannungen der Rechner prinzipiell potentialfrei sind, so werden im Moment des Einschaltens doch Störimpulse mit durchaus nennenswerter Energie auf die Rechnermasse übertragen, und in unserem Beispiel würden diese Pulse über den gemeinsamen Druckeranschluß zum anderen Netzstromkreis abfließen. Das Ergebnis ist je nach Intensität eine Funktionsstörung beim Drucken oder ein defektes Interface im Drucker oder im Rechner. Auch hier hilft sternförmiger Anschluß, d.h. alle Geräte beziehen ihre Spannungsversorgung aus derselben Steckdose. Wenn dies nicht möglich ist, z.B. bei Prozeßperipherie, die zwangsläufig auf Potentiale am anderen Ende der Werkshalle bezogen ist, dann ist galvanische Trennung obligatorisch. Aber auch hier ist Vorsicht geboten: auch durch galvanisch getrennte Schnittstellen können kurze Pulse kapazitiv übertragen werden, so daß eventuell das Vorschalten von Filtern notwendig sein wird, um Pulse von weniger als einigen Mikrosekunden Dauer wirksam zu unterdrücken.

4. Funk-Entstörung Computer sind breitbandige Störquellen. Das Spektrum der Störungen beginnt bei einigen zehn kHz, wo sich zyklisch durchlaufene Schleifen der Software bemerkbar machen können, setzt sich fort mit der Schaltfrequenz des getakteten Netzteils (i.d.R. um 150 kHz und Vielfache davon), dann kommt die CPU-Taktfrequenz und schließlich die Video-Pixelfrequenz (bis 100 MHz und Vielfache davon). Diese Störungen wirken sowohl über die Netzleitung nach außen wie auch durch direkte Abstrahlung aus dem Gehäuse und aus allen Anschlüssen und Kabeln. Die erste Voraussetzung zur Vermeidung von Abstrahlungen ist ein Hochfrequenz-dichtes Gehäuse. Diese Dichtigkeit wird durch geeignete Materialien (z.B. Aluminium) erreicht, wobei die Außenhaut des Gehäuses aus möglichst wenigen Teilen bestehen sollte, die untereinander und mit Schutzerde sehr gut verbunden sein müssen. Am besten funktioniert ein großflächiger Kontakt zwischen Bodenwanne und Deckel eines zweiteiligen Gehäuses; großflächig bedeutet hier das Verschrauben von großzügig bemessenen, von Lack und Oxid freien Flächen. Die Verbindung über Kabel ist nur die zweitbeste Lösung, besonders im höchsten Frequenzbereich. Darüber hinaus ist es notwendig, daß eventuelle Blindplatten und Einsätze optimalen Kontakt mit dem geerdeten Gehäuse haben. Speziell in der 19"-Technik ist hierauf zu achten, da die übliche Montage von Teilfrontplatten mittels Plastiknippeln und Halsschrauben keinen Erfolg verspricht: dabei werden lediglich eloxierte Flächen aneinandergedrückt und kein zuverlässiger Kontakt zum Rahmen hergestellt. Bei 19"-Baugruppenträgern gilt also: Gewindestreifen sind mittels Madenschrauben in den Querprofilen zu befestigen und zu kontaktieren, und die Teilfrontplatten erhalten Metallnippel, die dann über die Halsschrauben Kontakt zwischen Frontplatte und Gewindestreifen herstellen. So aufgebaut, wird ein Rechnersystem allerdings noch keinen Test nach VDE 0851 bestehen. Einige zusätzliche Maßnahmen werden notwendig sein, jedoch hilft dabei u.U. nur Experimentieren weiter. Im Folgenden ein paar Hinweise: Ferrite: Ein Netzfilter allein wird wahrscheinlich nicht ausreichen, um alle netzgebundenen Störungen hinreichend zu unterdrücken. Insbesondere hochfrequente Störungen, die vom Rechner ausgehen und rückwärts über die Niedervoltleitungen und das Netzteil ins Stromnetz wirken, werden am besten nahe der Quelle bedämpft. Dazu sind Ferritschalen hilfreich, die auf den Kabelbaum zwischen Netzteil und Rechnerbaugruppen aufgeklemmt werden. Andere Ferrite eignen sich zur Anbringung an Flachkabeln und können Störungen, die über die Peripherieanschlüsse (Floppy, SCSI) nach außen dringen bedämpfen. Für Leitungen mit schnelleren Signalen (Bildschirm) eignen sie sich weniger, wie ganz allgemein an dieser Stelle die Anbringung kapazitiver Verbindungen nach Erde geeigneter ist. Kondensatoren: Wenn innerhalb des Gehäuses Flachkabel verlegt werden, die zu externen Anschlüssen führen, dann werden diese Kabel sich auf dem Weg zur Gehäusewand bereits jede Menge Störsignale einfangen. Wenn ohne weitere Maßnahmen daran von außen ein Kabel angeschlossen wird, möglichst mit Abschirmung an Signalmasse, dann ist der Störsender fertig. Aber schon die Anschlußbuchse am Gehäuse allein strahlt im höheren Frequenzbereich unzulässig ab. Eine sinnvolle Konstruktion sieht hier vor, daß erstens nur Steckverbinder mit metallischer, geerdeter Abschirmung eingesetzt werden, und daß zweitens direkt am Steckverbinder eine kapazitive Verbindung zwischen Signalmasse und Schutzerde hergestellt wird. Diese Verbindung besteht am besten aus zwei parallel geschalteten Vielschicht-Keramikkondensatoren: einem von etwa 100 nF (X7R Keramik), der höhere Energien ableiten kann, und einem von ca. 100 pF (COG Keramik), der kürzeste Pulse eliminiert. Auf kurze Anschlüsse ist zu achten, am besten wäre eine kleine Leiterplatte mit SMD-Kondensatoren.

Diese Art von Aufbau ist für jeden einzelnen Peripherieanschluß getrennt durchzuführen! Die kapazitive Verbindung bewirkt übrigens nicht nur Verbesserungen im Bereich Funkentstörung, sondern sie kann auch notwendig werden, um die Bildqualität eines angeschlossenen (Analog-) Monitors zu verbessern. Kabel: Zum Anschluß externer Geräte kommen natürlich nur abgeschirmte Kabel in Frage! Der Schirm wird zweckmäßig nur an einer Kabelseite mit Schutzerde verbunden, weil andernfalls Erde-Schleifen entstehen, über die Ausgleichsströme abfließen, die wiederum Abstrahlungen verursachen können. Selbstverständlich müssen auch alle Steckergehäuse metallisch und geerdet sein. Insofern sind externe Flachkabelanschlüsse ungeeignet, es sei denn, ein relativ kostspieliges und mechanisch nicht ganz kompatibles System (3M) wird verwendet: hierbei kommt paarweise verseiltes Rundkabel zum Einsatz, das jedoch für IDC-Steckverbinder geeignet ist, und es gibt geschirmte Steckergehäuse. 5. Anschluß von Peripheriegeräten Obwohl in der Regel problemlos, bietet auch der Anschluß von z.B. Massenspeichern gelegentlich geradezu unüberwindliche Hindernisse. Mal geht alles gut, mal gibt es nichts als Lesefehler; eine kleine Änderung der Verdrahtung scheint Erfolg zu bringen - bis zum nächsten Morgen, an dem alles schlechter denn je funktioniert und nun das Zurückrüsten der Änderung von gestern der endgültige Durchbruch ist. Erfahrungsgemäß widersetzt sich die Problematik auch der Nachprüfung mittels Oszilloskop, da beliebige Störpegel je nach Meßanordnung gemessen werden können und eine konkrete Aussagefähigkeit der Resultate nicht existiert. 5.1 Floppy-Laufwerk Floppy-Laufwerke sind empfindlich gegen jede Art von Einstreuungen. Sie sind um so empfindlicher, je kleiner sie sind und je höhere Kapazität sie haben. Neue Laufwerke sind regelmäßig sensibler als frühere Typen, und eine Abschirmung ist allenfalls rudimentär vorhanden - das muß an dem Preiskampf auf diesem Gebiet liegen. Störungen durch Streufelder äußern sich bei Floppies charakteristischerweise dadurch, daß beim Lesen der inneren Spuren häufiger Fehler auftreten als auf den äußeren Spuren. Der Grund dafür ist die höhere Schreibdichte auf den inneren Spuren: Dort müssen auf kleinerem Umfang genausoviele Informationen untergebracht werden, und dies führt zu schwächeren und ergo leichter störbaren magnetischen Signalen. Als Test kann einfach das Formatieren einer (High Density-) Diskette mit Retries verwendet werden: es ist dann beim Lesedurchlauf schön zu hören, wie die Zahl der Retries (mit hörbarem Neupositionieren) auf den inneren Spuren zunimmt. Bevor nun das ganze System umgebaut wird, sollte zumindest versucht werden, ob nicht das Laufwerk oder die Testdiskette schuld sind: bei beiden ist die Qualität nicht immer, was sie sein sollte. Einstreuungen vom Bildschirm: Solche kommen nur bei kompakt aufgebauten Systemen, z.B. tragbaren Geräten mit Einbaumonitoren vor. Das Laufwerk sollte niemals direkt neben einer Bildröhre mit ihren vielfältigen elektrischen und magnetischen Streufeldern montiert werden. Manchmal hilft in solchen Fällen ein zusätzliches geerdetes Schirmblech (Alu, Lochblech genügt). Grundsätzlich sollen Floppy-Laufwerke ohnehin immer auf ein geerdetes Blech montiert werden, das ihre ungeschützte (Leiterplatten-) Seite abschirmt. Wenn Schirmbleche nicht helfen, muß der Abstand zwischen Laufwerk und Bildschirm größer gewählt werden.

Einstreuungen vom Netzteil: Oft erkennbar daran, daß das System einwandfrei arbeitet, solange das Laufwerk nicht vollständig festgeschraubt wird. Der Effekt läßt darauf schließen, daß durch schlechte Erdung von Blechteilen oder mangelnde kapazitive Verbindung zwischen Netzteilmasse und Schutzerde Störungen durch das Blech vagabundieren. Abhilfen: Erdverbindungen überprüfen, Frame Ground Jumper entfernen und ggf. durch Kondensator ersetzen, Laufwerk elektrisch von seiner Trägerplatte isolieren und separate Leitung vom Erde-Sternpunkt zum Laufwerk-Chassis legen. Einstreuungen von der Festplatte: Neuere Festplatten (z.B. Quantum) besitzen Linearmotorantriebe für die Kopfpositionierung, die intensive magnetische Störfelder aussenden. Bei Montage des Floppy-Laufwerks Wange an Wange mit der Festplatte kann keine Floppy mehr gelesen werden, sobald die Festplatte aktiv wird. Abhilfe ist nur möglich durch entweder größeren Abstand (min. 2-3 cm) oder eine Mumetallfolie, die man einfach auf die Festplatte klebt. Frame Ground: Verbindung zwischen Signalmasse und Laufwerk-Chassis wird je nach Laufwerk durch eine Schraube, einen Widerstand, eine Steckbrücke (frame ground jumper) oder eine Kombination von allem erzeugt. Statische Verbindungen sind unerwünscht wegen Masseschleifen, also sollten Steckbrücken oder Schrauben entfernt werden. Widerstände (100 kOhm) schaden nicht; zweckmäßig ist es oft, an dieser Stelle einen SMD-Kondensator von 10 nF auf die Floppy-Leiterplatte zu löten. Abschlußwiderstände: Der Floppy-Bus muß abgeschlossen werden, und dazu sind auf den Laufwerken Abschlußwiderstände vorgesehen. Bei älteren Typen (5.25") sind dies oft niederohmige Widerstandsnetzwerke, die gesockelt sind. Wenn mehrere Laufwerke im System installiert werden, so darf in diesem Fall nur das letzte auf dem Bus über einen Abschluß verfügen, da andernfalls der Bus überlastet wird. Auf den übrigen Laufwerken sind die Abschlüsse demnach abzuschalten bzw. zu entfernen. Neuere Laufwerkstypen sind hochohmiger abgeschlossen, so daß auch bei mehreren Laufwerken die Abschlüsse im Laufwerk verbleiben können. Externe Laufwerke: Zusätzliche Laufwerke lassen sich bequem in externen Gehäusen unterbringen. Das Floppy-Kabel zum Rechner sollte allerdings insgesamt nicht länger als etwa 2 m werden, und im Interesse der Allgemeinheit wären die Bemerkungen zur Funk-Entstörung zu beachten. Es ist davon abzuraten, die Stromversorgung auch dem Rechner zu entnehmen (Ausnahme: Laufwerke mit Versorgung über das Signalkabel). Erstens ist das Stromkabel eine schlecht abschirmbare Störquelle und zweitens kann es bei dieser Länge schon zu einer etwas zu labilen Versorgungsspannung kommen. Besser sind kleine Subsystem-Einheiten mit integrierter Stromversorgung - letztere bitte an derselben Steckdose wie den Rechner anschließen. 5.2 SCSI-Bus Kabellänge: Üblicherweise kann ein 50-poliges SCSI-Flachkabel bis zu 5 m lang werden, etwas mehr ist zulässig mit paarweise verseiltem Spezialkabel. 25-polige SCSI-Kabel dienen nur Punkt-zu-PunktVerbindungen z.B. beim Anschluß eines Streamer-Subsystems und sollen nicht länger 0.5 m sein, weil sie keine Masseadern mitführen, die ein Übersprechen der Signale vermindern würden. Abschlüsse: SCSI-Konfigurationen sind lineare Anordnungen von Geräten, d.h. der SCSI-Bus wird sozusagen vom Rechner kommend durch alle angeschlossenen Geräte durchgeschleift. Der Bus muß an beiden Enden korrekt abgeschlossen sein: einer der beiden Abschlüsse und damit auch eines der beiden Enden des Busses befindet sich auf der Controller-/ Rechnerplatine. Ist nur ein Endgerät angeschlossen, so findet die zweite Terminierung dort statt, bei zweien muß auf einem Endgerät der Abschlußwiderstand entfernt werden. Konstellationen, bei denen das SCSI-Kabel vom Rechnerinterface nach beiden Seiten zu je einem Endgerät führt, sind prinzipiell nur möglich, wenn auf einer Seite das Kabel maximal 30 cm lang ist und dort der Abschlußwiderstand entfällt.

Externe Laufwerke: Für externe Festplatten-Subsysteme etc. gilt hinsichtlich Verkabelung dasselbe wie für externe Floppy-Laufwerke, wegen der höheren Ansprüche an die Stromversorgung ist bei SCSI-Geräten jedoch eine Versorgung aus dem Rechnernetzteil gar nicht zu empfehlen. Problematisch können die korrekten Busterminierungen werden: Nehmen wir an, wir wollen neben der internen SCSI-Festplatte extern optional einen zusätzlichen Streamer anschließen. Das Kabel zum Streamer benötigt schon wegen seiner Länge normalerweise im Streamer einen Abschluß, aber wenn es nicht installiert ist, fehlt dem System eben dieser Abschluß oder es hat im anderen Fall einen zuviel. Welche der beiden Möglichkeiten vorzuziehen ist, wechselt von Laufwerk-Typ zu Laufwerk-Typ. Die einzige saubere Lösung besteht darin, das Ende des SCSI-Bus auf die externe Anschlußbuchse zu legen und bei Nichtgebrauch eines Streamers dort einen steckbaren Abschlußwiderstand anzubringen. Solange der Abschluß nicht verlegt wird, ist dann alles in Ordnung ...... 5.3 Monitoranschluß Der Anschluß von Bildschirmen ist normalerweise ohne Probleme, wenn geeignetes Kabel und serienmäßig hergestellte Monitore verwendet werden. Kabellänge: mit normalem geschirmtem Kabel sollte eine Länge von etwa 2 m nicht überschritten werden, vor allem bei hohen Auflösungen und Pixelfrequenzen. Koaxialkabel (75 Ohm, RG59/U) eignet sich für Entfernungen bis zu einigen 10 m. Falls neben dem Monitor auch eine Tastatur steht: deren Kabel läßt sich nur bis auf ca. 10 m verlängern, größere Abstände bis 25 m erfordern eine separate Stromversorgung für die Tastatur. Buffer: Wenn der Bildschirm noch weiter vom Rechner entfernt aufgestellt werden soll, dann muß ein Video-Buffer eingesetzt werden. Bei KWS ist ein solcher erhältlich, der sich für Taktfrequenzen bis 100 MHz und Entfernungen bis über 100 m eignet. Er besteht aus fünf identischen Breitbandverstärkern für R, G, B und die Sync-Signale und gestattet den parallelen Anschluß eines zweiten Bildschirms in geringerem Abstand. Tastatur-Anschluß über solche Distanzen ist nur möglich mit Tastaturen mit separater Spannungsversorgung und V.24-Schnittstelle. Abschirmung: Wie weiter oben erwähnt, sollte der Kabel-Schirm nur einseitig mit Schutzerde verbunden werden, um unerwünschte Ausgleichsströme zu vermeiden. Erdung: Dieser Punkt betrifft Eigenkonstruktionen von Bildschirmgeräten mit Metallgehäusen und Schaltnetzteilen. Nur bei solchen sind bisher Probleme bekannt geworden: beim Einschalten des Monitors, während das Gerät seine internen Hochspannungen aufbaut, kann es zu Potentialverschiebungen und Störimpulsen gegenüber Schutzerde = Monitorgehäuse kommen, die über das Signalkabel mit der Rechner-Masse ausgeglichen werden. Dadurch kann der Monitoreingang oder der Grafik-Ausgang beschädigt werden. Abhilfe erfolgt ggf. durch eine RC-Kombination (100kOhm / 1uF parallel) zwischen Monitor-Masse und -Gehäuse. 5.4 V.24-Schnittstellen Kabelkapazität und -Länge: der maximale Übertragungsweg einer seriellen Verbindung nach V.24-Norm ist in dieser Norm auf rund 30 m festgelegt. In der Praxis funktioniert die Übertragung auch bei wesentlich längeren Kabeln noch einwandfrei. Begrenzende Faktoren sind die Kapazität des Kabels, die bei jeder Signalflanke umgeladen werden muß und der Maximalstrom, den die Treiber dafür liefern können. Je höher die Baudrate der Übertragung gewählt wird, desto kritischer ist die Kabellänge.

Nach unseren Messungen liegt die maximale Kabellänge je nach eingesetztem Treiberbaustein zwischen 250m (MAX 232 Treiber) und 350 m (14C88/89 Treiber). Dabei gehen wir von einer Übertragungsrate von 19200 Bd und einem Standardkabel mit einer Kapazität von 130 pF/m aus. Es ist jedoch zu bedenken, daß bei einer solchen Grenz-Kabellänge der Störabstand Null ist, d.h. mit häufigen Übertragungsfehlern zu rechnen ist. Abhilfe in solchen Fällen: kürzere Kabel, kleinere Baudrate oder Spezialkabel (gibt es mit weniger als 40 pF/m). Optokoppler: Derartig lange Leitungen erfordern unbedingt galvanische Trennung zwischen Leitung und Rechner. Dies dient nicht so sehr der fehlerfreien Übertragung als vielmehr dem Überleben der Schnittstellenbausteine: ohne galvanische Trennung wird voraussichtlich das erste Gewitter in der Nachbarschaft den Ausfall von Interfaces bewirken, weil dabei hohe Störspitzen in die Leitungen induziert werden bzw. Potentialdifferenzen sich über die Schleife: Rechner - Erde - Endgerät - serielle Verbindung Rechner ausgleichen. 5.5 Centronics-Interface Einzige Anmerkung hierzu: der Gebrauch von T-Switches zum Umschalten mehrerer Rechner auf einen Drucker kann nur empfohlen werden, wenn Drucker und beide Rechner aus demselben Stromkreis versorgt werden. Andernfalls besteht die Gefahr der Beschädigung von Schnittstellen. 6. Prozeß-Ein-/Ausgabe 6.1 Optokoppler Kapazität: Optokoppler sind das meistverwendete Hilfsmittel, um Signal-Stromkreise voneinander zu trennen und Masseschleifen zu vermeiden. Aber sie trennen die Stromkreise nicht in idealer Weise, da sie eine (wenn auch geringe) Koppelkapazität zwischen beiden Seiten besitzen. In langsamen Schaltungen spielt diese Kapazität keine Rolle, aber wenn über schnelle Optokoppler hohe Datenraten übertragen werden können, so wird auch eine geringe Koppelkapazität genügen, um schnelle Störpulse zwischen den zu trennenden Massepotentialen zu übertragen. Es ist also trotz galvanischer Trennung notwendig, beim Systemaufbau sorgfältig vorzugehen und Störpulse durch geeignete Maßnahmen unschädlich zu machen. Potentialtrennung: Die maximal zulässige Differenz zwischen den Massepotentialen beiderseits der galvanischen Trennung ergibt sich nicht aus der Spezifikation des Optokopplers, sondern aus dem Layout der Baugruppe! Die Koppler selbst sind in der Regel ausgelegt für Spannungsdifferenzen von 1 kV oder mehr, wobei nach VDE allerdings nur Spezialbauformen zulässig sind und jedenfalls keine Optokoppler im 8-pin DIP- oder SO-Gehäuse. In diesen Fällen lassen die viel zu geringen Kriechstrecken auf der Leiterplatte (3 - 5 mm) eine Trennung um allenfalls 100 bis 200 V zu, bei ungünstigem Layout auch weniger. Üblicherweise dienen diese Schnittstellenschaltungen auch nicht zur Überbrückung großer Spannungsunterschiede, sondern zur Trennung an sich gleicher Potentiale, denen unterschiedliche Störpegel überlagert sind. 6.2 A/D-Wandler Eingangsfilter: Jedem A/D-Wandlereingang ist ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet, das höhere Signalfrequenzen unterdrückt. Dies ist notwendig, da ab einer bestimmten Signalfrequenz (1/2 x Abtastfrequenz des Wandlers) eine sinnvolle Messung nicht mehr durchgeführt werden kann und höherfrequente Signalanteile die Messung verfälschen würden.

Um die maximal mögliche Meßgenauigkeit zu erreichen, sollte die Dimensionierung der Eingangsfilter der Anwendung angepaßt werden. Als Eckfrequenz der Filter ist ein Wert knapp oberhalb der maximal vorkommenden Nutzsignalfrequenz zu wählen Das dürfte meist ein viel niedrigerer Wert sein als bei der Standardbestückung, die ohne Kenntnis der Anwendung vermutlich für höchstmögliche Signalbandbreite ausgelegt wurde. Kabel: Auch hier ist natürlich nur geschirmtes Kabel verwendbar. Flachkabel nur für kurze Weglängen (50 cm) z.B. bis zu einer Verteilerschiene nehmen, da sonst das Übersprechen der Signale zwischen den einzelnen Adern zu einem Problem wird. Schutzmaßnahmen: Die Eingänge von A/D-Wandlern sind empfindlich. Vor allem die üblicherweise vorgeschalteten Multiplexer vertragen keinerlei Überspannungen über den vorgegebenen Eingangsbereich hinaus (siehe jeweiliges Handbuch). Beim Entwurf einer A/D-Wandlerkarte sind hier Kompromisse notwendig, weil die im Prinzip möglichen Schutzmaßnahmen mittels Vorwiderständen, Zenerdioden etc. schwerwiegende Einschränkungen von Genauigkeit und Bandbreite zur Folge haben. In der Praxis wird ein Eingang geschützt durch eine Anordnung von Dioden, die Überspannungen zur Stromversorgung des Wandlers hin ableiten. Aber es muß ganz klar sein, daß auf diese Weise nur energiearme Störpulse unschädlich gemacht werden können! Beim Anlegen einer niederohmigen Überspannungsquelle werden die Schutzdioden und danach der Wandler bzw. dessen Stromversorgung zerstört. Wenn in der Anwendung nicht sichergestellt werden kann, daß nur "schwache" Überspannungspulse vorkommen, dann ist ein externer Schutz unumgänglich (z.B. durch Transienten-Suppressordioden, die das Störsignal kurzschließen und danach auszutauschen sind). 6.3 Digital-1/O Verkabelung: Obwohl die 24-V-Technik vergleichsweise störsicher ist, sollte dennoch die Verkabelung genau geprüft werden. Es gilt sinngemäß dasselbe wie für Rechner-Stromversorgungen: jede Stromversorgung hat sternförmig aufgebaut zu sein. Es geht nicht an, daß eine Plus-Leitung vom Netzteil zu einem Signalgeber und von da zu einem Ausgangsmodul geführt wird: der Verbraucher, der dort angeschlossen ist, löst beim Einschalten einen massiven Störpuls auf der Stromversorgung aus, der via Signalgeber auf einen Eingang übertragen wird. Selbst das parallele Verlegen von Kabeln über große Distanzen kann unter Umständen Ärger bereiten, also Vorsicht. Ausgangsüberwachung: Auf die automatische Überwachung von digitalen Ausgängen verzichtet KWS ganz bewußt. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein von einer solchen Automatik ausgelöster Alarm ein Fehlalarm ist, beträgt vermutlich über 90%, weil kapazitive und induktive Lasten an Digitalausgängen häufig temporäre (aber unbedenkliche) Überlast oder einfach Störungen verursachen. Jeder auftretende Alarm muß daher durch die Systemsoftware zunächst geprüft werden, z.B. durch mehrmaliges Abwarten, Wiedereinschalten des betreffenden Ausgangszustands usw. Dieses Verfahren ist viel zu zeitraubend, um es regelmäßig und für jeden Ausgang anzuwenden. Wir schlagen vor, zur Ausgangsüberwachung nur den kritischsten Ausgängen jeweils einen Eingang parallel zu schalten und die Überwachung in geeigneter Weise der Software zu überlassen. Eine Beschädigung der Ausgänge durch Überlast ist sowieso kaum denkbar, da sie über umfangreiche Schutzfunktionen bei Überlastung oder Überhitzung verfügen.

Versorgungsanschluß: wo eine externe Einspeisung von 24 V notwendig ist, ist dieser Anschluß gegen Verpolung geschützt. Bei Leistungsausgängen wird ein Versorgungsstrom von 0.5 A / Ausgang benötigt. Aus Gründen der Betriebssicherheit sind hier Schmelzsicherungen vorzusehen, z.B. eine für je 16 Ausgänge. 6.4 Hinweise zur Leitungsführung Über die Art und mögliche Länge von Signalleitungen wurden bei den jeweiligen Interfaces bereits einige Hinweise gegeben. In diesem Abschnitt soll nun zusammengefaßt werden, was bei der Verdrahtung von Schaltschränken und Anlagen zusätzlich zu beachten ist. Kabelkanäle: die parallele Verlegung von Signalleitungen in Kabelkanälen ist nicht unproblematisch und erfordert je nach Art der Leitung unterschiedliche Vorsichtsmaßregeln. - Analogeingänge: geschirmtes Kabel verwenden und dieses räumlich getrennt von anderen Leitungen verlegen. Bei kleinen Kabellängen (unter 3m) reicht auch eine der beiden Maßnahmen. - Analogausgänge: ab 3 m Länge schirmen und insbesondere von Digitalausgängen getrennt führen. - Digitaleingänge: von Wechselspannungs- und Versorgungsleitungen getrennt führen, ab 3m Länge und unter ungünstigen Bedingungen schirmen. Nicht parallel zu Digital-Ausgangsleitungen verlegen. -

Digitalausgänge: nicht parallel zu Eingängen führen.

- 24V-Versorgung: nicht parallel zu Signaleingangsleitungen führen, bei Bedarf auch schirmen. Je besser die 24V-Spannung geregelt oder wenigstensd geglättet ist, desto weniger Störungen verursacht sie. Die Mindestanforderung an die Glättung dieser Versorgung ist ein Pufferkondensator von 250 pF pro Ampere Laststrom. - 230V-Leitungen: von allen Signalleitungen trennen und/oder abschirmen. Über längere Entfernungen als 3 m sollten alle oben genannten Kategorien von Signalen jeweils in eigenen Leitungsbündeln getrennt geführt werden. Von Starkstromleitungen (>500V) ist ein Mindestabstand von 10 cm einzuhalten. Schirmung: Die Kabel-Schirme sollen großflächig an einer gemeinsamen Stelle geerdet werden. Das heißt: es werden Kabelschellen verwendet, die das Schirmgeflecht ganz umfassen und an einer Erdungsschiene z.B. am Kabel-Eintritt in den Schaltschrank montiert. Diese Schiene ist dann mit einer starken und kurzen Leitung (10 qmm) mit dem Erde-Sternpunkt zu verbinden. Wenn von der Erdungsschiene bis zum Anschluß am Steuerrechner ebenfalls geschirmtes Kabel verwendet werden soll, so ist dieses nur einseitig zu erden, nämlich an der Schiene. Der Einfachheit halber können Kabelschirme generell einseitig an Erde angeschlossen werden. Bei hohen Anforderungen an die Güte der Schirmung ist beidseitiger Erdanschluß vorzuziehen, jedoch wird dann unbedingt die Verlegung einer parallelen Potential-Ausgleichsleitung erforderlich! Diese Leitung verbindet die beiden Erdungspunkte miteinander und muß so dimensioniert werden, daß ihr Leitungswiderstand maximal 10% des Widerstandes des Schirmgeflechts beträgt. Minimierung von Einstreuungen: In der Nähe der Steuerung oder sogar im gleichen Schrank installierte geschaltete Induktivitäten (Schütze, Ventile) sind mit Löschgliedern (Dioden, RC-Glieder) zu beschalten. Größere Trafos und andere Störquellen wie Monitore sollen durch geeignete Schottwände abgetrennt werden.

Eine Beleuchtung mit Leuchtstofflampen in unmittelbarer Nähe ist zu vermeiden. Große Leitungslängen, insbesondere außerhalb von Gebäuden: hier ist eine wirksame Abschirmung mit besonders niedrigem Schirmwiderstand notwendig. Bei analogen und seriellen Signalen sollte doppelt abgeschirmtes Kabel verwendet werden. In diesem Fall ist der Außenschirm beidseitig zu erden (Ausgleichsleitung!) und der Innenschirm nur einseitig.

Teil 2: Glossar In diesem Abschnitt erläutern wir einige der Begriffe, die in unseren Dokumentationen regelmäßig verwendet werden. Wir rechnen fest mit Lob für diese gute Tat! Gleichzeitig hoffen wir, wenigstens hier und da zur Klarheit beizutragen und dabei möglichst nirgends die Intelligenz des Lesers zu beleidigen .... Abfrage-Zykluszeiten Die Zeit, die vergeht, bis alle Schnittstellen eines Prozeßrechners einmal bedient wurden. Programme zur Steuerung von Prozessen werden üblicherweise so geschrieben, daß alle Signaleingänge zyklisch abgefragt werden und dann über eine notwendige Reaktion entschieden wird. Wenn ein System beispielsweise den Temperaturablauf eines Fertigungsprozesses steuern soll, so werden alle angeschlossenen Temperaturfühler regelmäßig abgefragt, die Meßwerte mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen und dementsprechend die ebenfalls angeschlossenen Heizungselemente neu eingestellt. Weil nun die Reaktionszeit des Systems auf eine Temperaturabweichung kritisch ist, muß die Abfrage-Zykluszeit, in der alle Eingänge einmal abgefragt werden, möglichst kurz sein. Um vergleichbare Werte zu erhalten, wird diese Zykluszeit als die Zeit definiert, in der 1000 Einzelbit-Eingänge einmal ausgelesen werden können. Akku-Pufferung dient dem Datenerhalt bei statischem RAM, wenn das System ohne Stromversorgung ist (siehe Speicher). SRAM verfügt über eine Betriebsart mit verringerter Versorgungsspannung, bei der ein Zugriff auf den Speicher nicht möglich ist, die Daten jedoch erhalten bleiben, Dabei ist die Stromaufnahme der Speicherbausteine minimal, so daß auch ein kleiner Akku die Versorgung übernehmen kann. Die DatenHaltezeit hängt von der Stromaufnahme der RAMs ab (nur sehr ungenau spezifiziert), von der Größe, dem Alter und Ladezustand des Akkus und von der Temperatur. Üblicherweise und unter guten Bedingungen werden Zeiten von mehreren Wochen bis Monaten zu garantieren sein. Wenn von einem System allerdings verlangt wird; daß jahrelang regelmäßig Zeiten von mehr als nur wenigen Tagen zu überbrücken sind, dann dürfte die SRAM/Akku-Lösung zu unsicher sein. In diesem Fall ist der Einsatz von z.B. Flash-EEPROM vorzuziehen. Analog/Digital-Wandler (ADC) Gerät zur Messung der analogen Größe "Spannung". Der analoge Wert ("148 mV") wird in eine Digitalzahl ("000010010100") umgewandelt, die von einem Rechner weiter verarbeitet werden kann. Andere analoge Größen wie Temperatur oder Druck müssen erst durch Meßwertumformer in Spannungswerte gewandelt werden.

Bei dem Modul PM-AD1 wird ein Sampling-ADC mit 4-Kanal-Multiplexer eingesetzt. Dabei bedeutet "Sampling", daß der Wandler das Signal vor der Messung kurz abtastet und dann speichert. So kann eine Änderung des Signals während der Messung den Meßwert nicht verfälschen. Ein Multiplexer ist ein Eingangsumschalter: es können vier verschiedene Signale angeschlossen werden, und die Software entscheidet über die Auswahl des zu messenden Signals. Die insgesamt benötigte Wandlungszeit besteht aus der Zeit für die Kanalwahl, einer kurzen Ruhepause, die für das "Einschwingen" der Elektronik gebraucht wird, der Samplingzeit, der Meßzeit und der Übertragungzeit vom Wandler durch die Optokoppler zum Rechner. Beim PM-AD1 sind es zusammen 12us. Die Abfrage des Ergebnisses durch den Rechner kann durch "Polling" erfolgen, d.h. indem man ein Register im Modul solange ausliest, bis dort das Signal "fertig, Daten gültig" erscheint, oder aber durch Interrupt gesteuert. In diesem Fall meldet sich der Wandler gewissermaßen bei der CPU. Durch die Interrupt-Bearbeitung gehr allerdings etwas Zeit verloren. Bussystem Als Bus wird eine Verbindung zwischen zwischen mehreren Teilnehmern bezeichnet, die von ihrer Topologie her eine lineare Leitung beliebiger Polzahl mit zwei Enden ist, an der die Teilnehmer mittels T-förmiger Abzweigungen angeschlossen sind (Gegensatz: Ring-Topologie). So gesehen ist z.B. ein Ethernet im Gegensatz zum Arcnet ein Bus. Die Verbindung zwischen Prozessor und Zusatzkarten in einem Rechner ist stets als Bus ausgeführt. Je nach Anforderungen können die Interfaces der Teilnehmer zum Bus mehr oder weniger aufwendig sein: wenn auf einem Bus nur ein Master zugelassen wird, der stets den Zugriff zum Bus hat und über ihn lediglich die Peripherie bedient, so genügen als Interfaces einfache Puffer (Leitungstreiber; siehe lokaler Bus). Wenn dagegen mehrere Master zugelassen werden sollen, so muß die Zugriffsberechtigung für jeden Zugriff auf den Bus nach bestimmten Strategien vergeben werden, so daß jeder Master gelegentlich an die Reihe kommen kann (Arbitrierung; siehe VMEBus). Digital/Analog-Wandler (DAC) Umgekehrt wie beim ADC wird hier aus einer Digitalzahl eine analoge Größe, nämlich Spannung oder Strom gebildet. Per Software wird eine Zahl in ein Register geschrieben, und am Ausgang des DAC kann eine Spannung mit dem entsprechenden Wert abgegriffen werden. Beispiel: das Modul PM-DA1, das über vier unabhängige Wandler verfügt. Bei diesem Modul kann durch Umschalten entschieden werden, ob die zu erzeugende Ausgangsgröße eine Spannung oder ein Strom sein soll. Digitale Ein-/Ausgabe Digitale Eingänge sind Einzelbit-Eingänge, die demnach lediglich den Schaltzustand "Low" oder "High" von einem einzelnen Signal feststellen können. 16 davon befinden sich auf der proUnit Grundplatine. Sie sind vom Rechner durch Optokoppler isoliert, um auch Signale auswerten zu können, die auf einem anderen Potential liegen und um Masseschleifen zu vermeiden. Eingangsfilter unterdrücken Spannungsspitzen und ähnliche Störsignale. Spannungen unter 5V werden als "Low" erkannt, über 13V als "High". Die 16 digitalen Ausgänge der proUnit sind kurzschlußfest und ebenfalls isoliert. Der Ausgangsstrom, den die Ausgänge liefern sollen, stammt nicht aus dem Rechner, sondern aus einer extern anzuschließenden 24V-Versorgung.

Direkt-Steckverbindung Steckprinzip, bei dem die Leiterplatte selbst in einen Steckverbinder eingeführt wird. Die Kontaktgabe erfolgt durch (hoffentlich) vergoldete Flächen auf der Leiterplatte und einfache Kontaktfedern im Stecker. Preiswert, aber nicht sehr langlebig: die Vergoldung trägt sich bei häufigerem Stecken rasch ab, und ein elektrischer Kontakt wird in der Regel nur an einem Punkt pro Kontaktfläche hergestellt. Da gleichzeitig die Kontaktfeder selbst die Aufgabe mit übernimmt, die Leiterplatte zu führen und zu halten, ist der Kontakt nicht vibrationsfest. Siehe Präzisionskontakt. Dual Ported RAM Ein Speicherblock, auf den "von zwei Seiten her" zugegriffen werden kann: beispielsweise kann ein solches RAM als Verbindungsglied zwischen einer Master-CPU und einem zusätzlichen Prozessor, der eine periphere Schnittstelle bedient eingesetzt werden. In diesem Fall greift der Master z.B. über den Bus in das dual ported RAM, legt dort Daten ab, die der lokale Prozessor anschließend und unabhängig davon über die Schnittstelle abschickt. Diese "intelligente Ein-/Ausgabe" entlastet den Master von der eigentlichen Bedienung der Schnittstelle. Nicht zu verwechseln mit Multi-Master-Systemen: das Prinzip funktioniert auch auf einfachen prozessornahen Bussystemen, weil der lokale Prozessor nicht auf den Bus zugreifen muß. Beispiel: das Schrittmotor-Modul der proUnit, wo die Haupt-CPU via lokalem Bus und einem dual ported RAM auf dem Modul mit dem Schrittmotor-Controller kommuniziert. EB 68000 Bus KWS-eigenes prozessornahes Bussystem, verwendet für SAM68K Einplatinenrechner. Es wurde entworfen, um solche Anwender zu unterstützen, die eigene spezielle Zusatzhardware für 68000-Systeme entwickeln wollen, aber den Entwicklungs- und Kostenaufwand für ein Multi-Master-System scheuen. Echtzeitsysteme Damit sind solche Systeme gemeint, die für die möglichst verzögerungsfreie Bearbeitung externer Anforderungen konzipiert sind. Diese Anforderungen treten als sog. Interrupts auf, d.h. Meldesignale, die anzeigen, daß ein externes Gerät umgehende Bearbeitung verlangt (Beispiele: Druckmelder meldet Überschreiten eines maximalen Kesseldrucks, A/D-Wandler meldet das Ende einer Messung, deren Ergebnis übernommen werden soll). Für die zuverlässige Bearbeitung solcher Anforderungen innerhalb garantierter Antwortzeiten sind verschiedene Voraussetzungen notwendig. Hardware-Voraussetzungen (u.a.): Interrupts müssen unterschieden werden nach wichtigen und weniger wichtigen (Prioritäten) und sie müssen auch bei gleichzeitigem Eintreffen richtig und schnell behandelt werden. Software-Voraussetzungen (u.a.): Echtzeit-Betriebssystem mit Multi-Tasking. Entwicklungssystem Rechnersystem, das Zwecken der Softwareentwicklung dienen soll (im Gegensatz zum Zielsystem). Mindestanforderungen an Entwicklungssysteme sind üblicherweise 4 MB Arbeitsspeicher und eine Festplatte von 100 MB oder mehr. In der Regel wird das Entwicklungssystem auch mit einem Grafikteil und Tastaturanschluß auszustatten sein. Als Software muß eine Entwicklungsumgebung vorliegen (SUSY oder OS-9, jeweils einschließlich Editoren, Compiler, Debugger). Flash-EEPROM (siehe: Speicher) Schnell elektrisch löschbares, wieder beschreibbares ROM. Dient zur Speicherung von Anwender-

programmen, insbesondere in Zielsystemen ohne Floppies oder Festplatten, und ersetzt auch unter Umständen statisches RAM mit Akkupufferung. Die Datenhaltezeit von Flash-EEPROMs ist nicht beliebig lang, aber mit ca. 8 Jahren in der Regel ausreichend. Flash-EEPROM kann in der proUnit geschrieben und gelöscht werden (im Gegensatz zu den üblichen UV-löschbaren EPROMs). Galvanische Trennung Elektrische Isolierung zwischen dem Rechner und den angeschlossenen Geräten (z.B. Meßwertgebern oder Stellgliedern). Die Signalübertragung erfolgt in der Regel über Optokoppler (das sind in einem Gehäuse vergossene Infrarot-Leuchtdioden und Lichtempfänger). Das aufwendige Verfahren dient dazu, Störsignale vom Rechner fernzuhalten: ohne galvanische Trennung wären alle elektrischen Größen auf das gleiche (Masse-) Potential bezogen, und diese Masse müßte quer durch die ganze Fabrik verdrahtet werden. In der Nachbarschaft großer Maschinen (=Störquellen) kein sehr aussichtsreiches Verfahren - mit großer Wahrscheinlichkeit würde insbesondere bei der Messung von Analogsignalen nur Unfug herauskommen und zudem nach kurzer Zeit der eine oder andere Schnittstellenbaustein den Dienst quittieren. Industrie-PC Mehr oder weniger "kompatibles" System, bei dem Umgebungs-Spezifikationen und Aufbau gegenüber Standard-PC's mehr oder weniger erfolgreich verbessert wurden. Oder: billiger Fernost-Import mit chromatiertem Gehäuse. Intelligente Schnittstellen Schnittstellen, die über einen eigenen Prozessor verfügen, der sie bedient und ggf. Daten auswertet. Beispiele: Netzwerk-Interface (die lokale CPU bedient das Netzwerk), intelligenter A/D-Wandler (mißt Analogwerte und wertet sie aus, übermittelt erst das Endergebnis an die Haupt-CPU). Die Ankopplung intelligenter Schnittstellen erfolgt über ein dual ported RAM. Sinn der Sache ist die Entlastung der Haupt-CPU, außerdem können lokale CPUs ihre speziellen Aufgaben mit weniger Software-Overhead und damit effizienter lösen. Interrupt Signal, das z.B. von einer Schnittstelle ausgelöst wird und der CPU mitteilt, daß sie ihre Arbeit unterbrechen und sich um die Schnittstelle kümmern soll. Als Beispiel nehmen wir einen Alarmgeber, der bei Erreichen einer Grenztemperatur anspricht. Er ist an einem Eingang des Rechners angeschlossen und der zuständige Schnittstellenbaustein im Rechner so programmiert, daß er beim Einschalten des Alarms einen Interrupt für den Prozessor auslöst. Dieser muß nun als erstes sein gerade laufendes Programm abbrechen, dessen Status so abspeichern, daß er nachher an derselben Stelle weiterarbeiten kann, feststellen, woher der Interrupt kam und was in diesem Fall zu tun ist und selbiges dann tun (Interrupt-Serviceprogramm ausführen). Nach Bearbeitung kann er dann wieder in sein altes Programm zurückkehren. - Insgesamt ist der Verwaltungsaufwand für Interrupts relativ hoch. Lokaler Bus Prozessornaher Bus, bei der proUnit 16 Bit breit und zum Anschluß der Peripheriemodule vorgesehen. Er ist störsicher ausgelegt mit Abschlüssen am Ende und bietet Platz für acht Module. Die Adreßbereiche, unter denen die Module angesprochen werden, sind fest vorgegeben, so daß eine entsprechende Einstellung auf den Modulen entfällt.

Masseschleife (siehe auch Potential, Galvanische Trennung) Größte aller Sünden bei der Verdrahtung von Rechneranlagen. Nehmen wir einen einfachen Tischrechner, dessen internes Massepotential nicht mit der Schutzerde des Stromnetzes verbunden ist. Schließen wir dann einen Drucker an, der eine solche Verbindung in der Regel hat, und einen Bildschirm, bei dem es genauso ist. Wenn jetzt noch die Netzstecker aller Geräte in der Steckdose stecken, ist die Masseschleife fertig: vom Rechner über die Masseleitung im Druckerkabel zum Drucker, von dort über die Schutzerde zum Monitor und schließlich über die Masseleitung des Monitorkabels zum Rechner zurück. Wenn alles stimmt, sollte der Anwender jetzt jedesmal beim Drucken Störungen auf dem Bildschirm haben. Der Grund ist folgender: der vom Rechner zum Drucker fließende Signalstrom erzeugt auf dem Druckerkabel einen Spannungsabfall, der seinerseits einen Strom auf dem anderen Weg über Schutzerde und Monitorkabel bewirkt. Dieser Störstrom auf dem Monitorkabel ist auf dem Bildschirm als Störung zu sehen. Dies ist in der Regel ein unbedeutender Effekt, der nur dann auftritt, wenn das Bildsignal für den Monitoreingang im Grunde zu schwach ist. Aber es kann schlimmer kommen: wenn nämlich der Drucker im Nebenraum steht und an einem anderen Netzstromkreis angeschlossen ist, so können durch Schalten von Klimageräten oder durch Blitzschlag in der Nachbarschaft größere Potential-Differenzen zwischen den verschiedenen Steckdosen auftreten, die dann über unsere Masseschleife auf Signalleitungen wirksam werden. Das Ergebnis sind größere Reparaturen. Vollends katastrophal wird die Sache, wenn in gestörten Umgebungen durch Anschluß vieler Schnittstellen ein kompliziertes System von Masseschleifen aufgebaut wird. Die einzig mögliche Abhilfe ist konsequente galvanische Trennung aller relevanten Systemkomponenten sowie eine sternförmige Systemverdrahtung mit Stromversorgung von einer zentralen Stelle. Master-CPU In Systemen mit mehreren Prozessoren: Prozessorkarte mit Zugriffsberechtigung zum Bus (z.B. VME-Bus, nicht: intelligente Schnittstellen). In Systemen mit nur einer CPU ist diese logischerweise immer Master, in Systemen mit mehreren Mastern müssen Strategien eingehalten werden, nach denen sich die Master den Bus teilen. Memory Card Speicher-Einheit in Form einer Scheckkarte, bestückt mit gepuffertem RAM oder ROM (Speicher). Sie dient als bequemes Medium zum Austausch von Daten zwischen Systemen, insbesondere auch dort, wo aus Gründen der Umgebungsbedingungen Floppy-Laufwerke nicht in Frage kommen. Memory Cards werden eingesetzt, um Meßdaten von einem Zielsystem zu einem Auswerterechner zu tragen, oder auch um ein update eines Anwendungsprogramms in ein Zielsystem zu übertragen. Sie können auch als vorübergehende Speichererweiterung Verwendung finden. MMU Memory Management Unit = Speicherverwaltung. Das ist eine (Hardware-) Einrichtung, die den verfügbaren Arbeitsspeicher einzelnen Programmabläufen je nach Anforderung zuteilt und dabei auch Teile auf eine Festplatte auslagert, wenn das RAM nicht ausreicht. Außerdem sorgt sie dafür, daß mit absoluten Adressen geschriebene Programme an beliebiger Stelle im Speicher ablauffähig sind. Eine MMU wird primär in Multi-User-Systemen und vor allem unter UNIX benötigt. Sie verhindert z.B. auch, daß ein Benutzer absichtlich oder durch Programmierfehler im Speicherbereich anderer Benutzer etwas ändern und somit deren Programme oder Daten beschädigen kann. In Echtzeit-Anwendungen sind MMUs eher unerwünscht.

Motherboard Basisplatine, auf der alle wesentlichen Funktionen eines Systems untergebracht sind einschließlich des Bussystems, d.h. etwaige Zusatzkarten werden direkt auf das Motherboard gesteckt. Der Vorteil ist der kostengünstige mechanische Aufbau: das ganze System läßt sich in eine simple Blechschachtel packen und erfordert kaum Montageaufwand. Multiprocessing Systemaufbau aus mehreren Master-CPUs, basierend auf einem entsprechenden Bussystem. Auf diese Weise läßt sich die System-Gesamtleistung erhöhen, weil Teilaufgaben wo möglich gleichzeitig bearbeitet werden können. Beliebig läßt sich die Leistung allerdings nicht steigern, denn zum einen wird der Verwaltungsaufwand für die Aufgabenverteilung mit der Zahl der CPUs größer, und zum anderen begrenzt der Bus als gemeinsamer Kommunikationskanal den Datendurchsatz. - Nach mehr oder weniger vertrauenswürdigen Modellrechnungen läuft ein System mit 20 Prozessorkarten etwa halb so schnell wie eines mit 10. Multitasking Eigenschaft eines Betriebssystems, mehrere Programme "gleichzeitig" ablaufen lassen zu können. In Wirklichkeit laufen die Programme (Tasks) natürlich nicht gleichzeitig, sondern es werden jedem Programm kurze Zeitbereiche zugeteilt, während denen es ablaufen darf. Am Ende eines solchen Zeitabschnitts wird der Status des Programms festgehalten und das nächste kommt an die Reihe. Auf diese Weise können mehrere Benutzer ungestört auf dem gleichen System arbeiten (ungestört zumindest solange sie nicht die volle Rechenleistung benötigen), oder es können parallel zueinander Tasks ablaufen, die Meßwerte einlesen, auf dem Bildschirm schreiben, die Festplatte lesen usw. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, wird die aktuelle Task abgelöst und die zuständige Interrupt-Bearbeitungstask aufgerufen. Ein wichtiges Kriterium ist die Taskwechselzeit, die benötigt wird, um eine Task durch eine andere abzulösen: viele Tasks und häufige Interrupts blockieren das System, weil der Rechner vor lauter Taskwechseln nicht mehr zum Arbeiten kommt. Multi-User-System System, an dem mehrere Benutzer gleichzeitig arbeiten können. Arbeiten heißt hier: direkten Zugriff auf das Betriebssystem des Rechners haben. Systeme, an die mehrere Terminals angeschlossen sind, an denen Benutzer Daten eingeben können, müssen nicht notwendigerweise Multi-User-Systeme sein. Voraussetzungen für Multi-User-Eigenschaft sind: Multi-Tasking, MMU. Opto-Entkopplung (siehe Galvanische Trennung) Potential Spannungen werden immer als Spannungsdifferenzen zwischen zwei Leitungen gemessen, ein absoluter Spannungswert wird nicht angegeben (ähnlich: Luftdruckmessung; anders: Temperaturmessung). Bei solchen "relativen" Größen spricht man von "Potentialen". Um also die Spannung eines Signals (sprich: eine Potentialdifferenz) angeben zu können, benötigen wir ein Bezugspotential, üblicherweise Massepotential genannt. In der Praxis ist dies nicht so einfach, wie es sich vielleicht anhört, weil sich nicht ohne weiteres garantieren läßt, daß das Massepotential innerhalb einer Meßanordnung überall dasselbe ist. So können störende Einstreuungen in Verbindungsleitungen auftreten, oder der durch die Masseleitung fließende Strom erzeugt durch den elektrischen Widerstand eben dieser

Masseleitung eine Störspannung. Abhilfe: kurze Leitungen für Analogsignale, längere Strecken mit Digitalsignalen überbrücken (dezentral aufgebaute, vernetzte Systeme), 3- galvanische Trennung (um flächige Masseverdrahtungen zu teilen in kleine, weniger anfällige, unabhängige Strukturen). Präzisionskontakte unterscheiden sich von Direktsteckverbindern dadurch, daß sie aus zueinander passenden Stiften und Buchsen bestehen, wobei ein präzise runder Stift in eine kelchförmig gedrehte Buchse greift, von der er gehalten wird. Die Kontaktgabe erfolgt vier- bis sechsmal pro Stift durch unabhängige, vergoldete Federn. Prozessornaher Bus Hier sind im wesentlichen die Daten-, Adreß- und Steuerleitungen des Prozessors zum Anschluß zusätzlicher Baugruppen herausgeführt worden (z.B. lokaler Bus der proUnit). Eine Zugriffsvergabe zwischen mehreren Prozessoren findet nicht statt, dadurch ist der Aufbau nur als Single-Master-System möglich. Andererseits entstehen aber auch keine Zeitverluste beim Zugriff und keine Kosten durch komplizierte Bus-Interfaces. Speicher Abgesehen von Massenspeichern (Platten, Bänder) unterscheidet man Arbeits- und Festwertspeicher. Arbeitsspeicher besteht aus RAM (Random Access Memory, d.h. Speicher mit wahlfreiem Zugriff, histor. als Gegens. zu sequentiellem S. wie Magnetband) und wird meist als dynamisches oder statisches RAM ausgeführt. Ersteres verliert beim Abschalten des Systems seinen Inhalt, letzteres nicht, jedenfalls wenn es über eine Akku-Pufferung verfügt. Dafür ist dynamischer Speicher billiger und bei gleicher Kapazität vom Platzbedarf her kleiner. Festwertspeicher ist nicht flüchtiger Speicher wie z.B. gepuffertes statisches RAM (SRAM), oder es handelt sich um eine der verschiedenen ROM-Arten (Read Only Memory). Echtes ROM kann nicht beschrieben werden, sondern erhält seinen Dateninhalt beim Halbleiter-Hersteller. EPROM (Erasable and Programmable ROM) ist ROM, das in einem speziellen Programmiergerät beschrieben werden kann und durch UV-Licht zu löschen ist (erkennbar am Quarzglasfenster auf dem Chip). EPROMs ohne Fenster sind nicht löschbar und heißen OTPROMs (One Time Programmable ROM). Wenn ein ROM elektrisch beschrieben und gelöscht werden kann, heißt es EEPROM (Electrically Erasable ROM). Flash-EEPROM schließlich ist eine Variante von EEPROM, die über eine schnellere Lösch-Prozedur verfugt und die daher fast wie SRAM oder Floppies einzusetzen ist. EEPROMs können entsprechende Hardware vorausgesetzt - im Rechner geschrieben und gelöscht werden. VME-Bus Ein von der Firma Motorola definiertes und dann allgemein genormtes Multi-Master-Bussystem. Gleichzeitig sind damit Kartenformate (Europa- und Doppeleuropaformat) und Aufbaumechanik festgelegt (19"-Technik). Der VME-Bus ist das am meisten verbreitete System im Bereich komplexer Prozeßsteuerungen, bedingt jedoch einen grundsätzlichen Mindestaufwand, der "kleine" Anwendungen unnötig verteuert.

Zielsystem Rechnersystem für Steuerungszwecke, auf dem nicht entwickelt wird. Die notwendige Software wird auf einem anderen System erstellt und z.B. in EPROM ins Zielsystem übertragen. Die Ausbaustufe des Zielsystems richtet sich nach den Prozeß-Anforderungen: Ob z.B. ein Grafikteil oder 20 serielle Schnittstellen benötigt werden, hängt von der Aufgabenstellung ab, und ob der Einbau einer Festplatte möglich ist, richtet sich nach den Umgebungsbedingungen. In vielen Fällen kommen rotierende Massenspeicher wegen ihrer Vibrations-, Schmutz- und Temperaturempfindlichkeit nicht in Betracht und müssen z.B. durch Flash-EEPROM ersetzt werden. 19"-Technik Genormtes Aufbausystem, bestehend aus Gestellschränken mit 19 Zoll Aufnahmebreite, Einschüben verschiedener Höhen (gemessen in Höheneinheiten, 1 HE = 44.2 mm) sowie Baugruppen zum Einbau in diese Einschübe (deren Breite wiederum gemessen in Teileinheiten, 1 TE = 5.08 mm). Das System ermöglicht flexible Systemkonfigurationen und Auswahl zwischen vielen Herstellern. Jedoch ist der Mindestaufwand hoch: ein Gehäuse für ein VME-System (3 HE, 10 Steckplätze), komplett mit Busplatine, Verdrahtung, Netzteil usw., jedoch ohne Rechnerbaugruppen kostet den Anwender mehr als ein kompletter "Kompatibler" mit Bildschirm und Tastatur, nämlich rund 2.000,-- DM. 24 V-Technik In der Industrie verbreitetes robustes System digitaler Signalpegel. Zur Versorgung dienen 24-V-Stromversorgungen (Toleranz 18 ... 30V), "Low"-Pegel sind 13V definiert. Ausgänge liefern Ströme von typ. 300 mA und können damit auch größere Relais etc. direkt treiben.