limit (11.0)##pagelength (16.5)##block# #start (2.0,0.0)# #page (1)# #headodd# #center#gs-Prozess#right#% #end# #headeven# %#center#gs-Prozess #end# #center#1 #on("b")#2  Allgemeines zur Prozeßdatenverarbeitung#off("b")# In diesem Kapitel erfahren Sie, warum unter EUMEL/ELAN die Prozeßdatenver­ arbeitung bisher kaum Berücksichtigung gefunden hat und welche Probleme zu überwinden waren. Es wird aufgezeigt, warum unter EUMEL/ELAN nicht jedes Inter­ facesystem verwendet werden kann; außerdem werden die Gründe für die Wahl eines bestimmten Interfacesystems genannt. #on("b")#2.1  Welche Hardware-Lösungen gibt es zur Zeit ?#off("b")# Wie schon in Kapitel 1 erwähnt, ist zum Messen, Steuern und Regeln mit dem Computer ein Hardware-Interface notwendig, über das der "Kontakt zur Außenwelt" hergestellt wird. #on("b")# Computer <--------> Interface <--------> Modell #off("b")# Interfaces (zu deutsch etwas mißverständlich: Schnittstellen) verbinden innerhalb eines Systems Teilsysteme und einzelne Funktionseinheiten miteinander. Dabei werden z.B. #on("b")#Hardware-Schnittstellen#off("b")# (Um diese geht es vornehmlich in diesem Kapitel), #on("b")#Hardware-Software-Schnittstellen#off("b")# (Nach Festlegung, welche Funktionen eines Rechnersystems von der Hardware und welche von der Software übernommen werden, erfolgt hierüber die Verknüpfung der beiden Komponenten), #on("b")#Software- Schnittstellen#off("b")# (zwischen Programmoduln), #on("b")#Mensch-Maschine-Schnittstellen#off("b")# (Benutzerschnittstellen - wie z.B. #on("b")#gs-DIALOG#off("b")#) unterschieden. Wenn wir im folgenden von 'Interface' reden, ist damit immer eine 'Hardware- Schnittstelle' gemeint. Über ein solches Interface (eine Hardware-Schnittstelle) können an den Computer externe Geräte/Modelle angeschlossen werden, die vom Computer aus gesteuert werden. Dabei setzt das Interface die vergleichsweise schwachen Signale des Computers in Ströme und Spannungen um, mit denen z.B. eine Lampe oder ein Motor betrieben werden kann. Umgekehrt senden externe Geräte/Modelle über das Interface Signale an den Computer, die von ihm ausgewertet werden. So müssen z.B. Widerstandsveränderungen eines Temperaturfühlers oder die Stellung eines Schalters in eine vom Computer erfaßbare Form umgewandelt werden. Inzwischen bieten verschiedene Hersteller (FISCHER, LEGO, AKTRONIK, PHYWE, etc.) und Lehrmittelverlage (METZLER, CVK, etc.) eine Reihe von Lösungen an. Leider sind die meisten Lösungen auf ganz spezielle Computertypen zugeschnitten und somit nicht an anderen Computertypen verwendbar - außerdem unterscheiden sich die verschiedenen Lösungen z.T. ganz erheblich im Leistungsumfang. Einzellösungen, insbesondere an den gängigen Homecomputern, gibt es schon seit langem. Voraussetzung ist zumeist, daß der Computer über einen speziellen Anschluß ('Userport' oder 'Joystick-Eingang') verfügt. Oder es werden Platinen geliefert, die in spezielle Steckplätze (Slots) einzustecken sind, wo sie vom Computer aus angesprochen werden können. Bei all diesen Lösungen konnten wir 'EUMELaner' nur neidvoll zuschauen. Der Vorteil, den wir sonst so zu schätzen wissen, ein einheitliches Betriebssystem auf ganz unterschiedlicher Hardware zur Verfügung zu haben, wird hier zum Nachteil. Eine einheitliche Lösung schien zu Anfang völlig aussichtslos zu sein. #on("b")#2.2  Die besonderen Probleme unter EUMEL#off("b")# Das Betriebssystem EUMEL gestattet es nicht, beliebig auf Hardwarekomponenten des Rechners zuzugreifen - und das aus gutem Grund, denn sonst wäre ein reibungsloser Multi-User-Betrieb nicht gewährleistet. Man kann aber den Zugriff auf neue Hard­ warekomponenten im EUMEL-System etablieren. Allerdings ist das etwas aufwendiger als in anderen Systemen, denn das sogenannte 'Shard', die 'Software-Hardware- Schnittstelle', muß angepaßt werden. Unsere ersten "Gehversuche" mit der Prozeßdatenverarbeitung unter EUMEL haben so angefangen. Es ist aber leicht einzusehen, daß dieser Weg nicht sinnvoll ist. Denn dann müßten alle EUMEL-Shards (es gibt ja für jeden Rechnertyp mindestens eines) entsprechend geändert werden, ggf. müßten für verschiedene Lösungen verschiedene Versionen entwickelt werden - eine Aufgabe, die niemand bereit wäre zu überneh­ men. #on("b")#2.3  Die Wahl des Interface-Systems#off("b")# Unser Ziel war klar: Wir wollten ein gängiges, käuflich zu erwerbendes Hardware- Interface möglichst universell an Computern verschiedener Hersteller unter dem Betriebssystem EUMEL ansprechen können. Nach Sichtung der angebotenen Systeme kamen nur drei in die engere Wahl: das LEGO-Interface, das FISCHER-Technik-Interface und das AKTRONIK-Interface (Soft­ ware-kompatibel dazu ist das PHYWE-Interface). Bei der Auswahl hielten wir es für sinnvoll, die Empfehlung des Landesinstituts für Schule und Weiterbildung in Soest zu berücksichtigen, in der folgende Anforderungen an Interfaces formuliert sind: - 8 digitale Eingänge - 8 digitale Ausgänge - optional: analoge Ein- und Ausgabe. Allen gestellten Anforderungen wird nur das AKTRONIK-Interface gerecht. Das System ist modular aufgebaut, je nach Anforderungen kann mit verschiedenen Steckkarten gearbeitet werden. Es gibt eine "Kompaktlösung", bei der die wichtigsten Funktionen bereitgestellt werden (8 digitale Eingänge, 8 digitale Ausgänge, 2 analoge Eingänge). Darüber hinaus kann auch noch mit dem sog. 'Modul-Bus' gearbeitet werden, bei dem gleichzeitig mehrere Steckkarten angesprochen werden können. Mit ent­ sprechender Steckkarte ist auch die analoge Ausgabe möglich. Die beiden anderen Interfaces erfüllen die oben genannten Anforderungen nicht: Das LEGO-Interface verfügt über nur 6 digitale Ausgänge und 2 digitale Eingänge; analoge Ein- und Ausgabe ist gar nicht möglich. Das FISCHER-Technik-Inteface verfügt über 8 digitale Ausgänge und 8 digitale Ein­ gänge. Das Interface verfügt auch über einen analogen Eingang - allerdings nicht über einen Analog-Digital-Wandler-Baustein! Das bedeutet, daß der angeschlossene Rechner die Auswertung der eingehenden Daten übernehmen muß - ein zeit­ kritischer Prozeß, der in einem Multi-User-System nicht garantiert werden kann. Die analoge Ausgabe ist grundsätzlich nicht möglich, das System ist in sich abgeschlossen und kann sich ändernden Anforderungen ebensowenig angepaßt werden wie das LEGO-Interface. Wir entschieden uns also dafür, die weitere Entwicklung auf der Basis des AKTRONIK-Interfaces zu betreiben. Es galt jedoch noch, dieses Interface mit dem Computer zu verbinden - und das möglichst universell: möglichst unabhängig von der verwendeten Computerhardware. Dieses Ziel ist nur dann zu erreichen, wenn man die 'Standardschittstellen' des Computers berücksichtigt, die unter EUMEL problemlos ansprechbar sind: die parallelen (Centronics) und seriellen (V24) Schnittstellen. Diese 'Standardschnitt­ stellen' sind zwar nicht für den direkten Anschluß der Modelle/Interfaces geeignet, über einen "Adapter" aber ist ein Anschluß möglich. Die Entscheidung fiel schnell gegen eine Verwendung der parallelen (Centronics) Schnittstelle. Die meisten Computer verfügen nur über eine dieser Schnittstellen, die zumeist auch schon durch den Drucker belegt ist. Außerdem handelt es sich dabei in der Regel um eine unidirektionale Schnittstelle - d.h. die Daten können vom Computer zum Endgerät (z.B. Drucker) gelangen, nicht aber vom Endgerät zum Computer. Somit wären zwar Steuerungsvorgänge, nicht aber Meß- und Regelungs­ vorgänge über die Schnittstelle möglich. Einige Hersteller nutzen die Datenleitungen, über die z.B. der Drucker dem Rechner mitteilt, daß der interne Speicher voll bzw. das Papier zuende ist. Über diese Leitung werden Daten seriell übertragen und vom Rechner ausgewertet. Unter EUMEL scheidet diese Lösung aber aus, denn um hier eine sichere Auswertung zu gewähr­ leisten, müßten Maschinenspracheprogramme eingebunden werden; das ist aber unter EUMEL nicht möglich. Damit war festgelegt, daß die weitere Entwicklung auf der Basis des AKTRONIK-Inter­ faces über die serielle Schnittstelle erfolgen sollte. Wie schon erwähnt, ist das Inter­ face auf keinen Fall direkt an die serielle Schnittstelle anschließbar. Wie der Name schon sagt, werden die Daten bei einer seriellen Schnittstelle seriell übertragen - um Prozeßdatenverarbeitung zu betreiben, müssen die Daten aber parallel vorliegen. Notwendig ist also ein "Adapter", der einen Seriell-Parallel-/Parallel-Seriell-Wandler beinhaltet, so daß die Verbindung zwischen Computer und Interface hergestellt werden kann. Inzwischen sind uns hier zwei (käuflich zu erwerbende) Lösungen bekannt - der "RS232-Adapter" der Firma AKTRONIK und das "MUFI" (Multifunktionales Interface) der Firma BICOS: Das MUFI ist sicherlich der universeller verwendbare "Adapter" (leider aber auch die kostspieligere Lösung). Einerseits kann es ebenso wie der "RS232-Adapter" an eine separate serielle Schnittstelle angeschlossen werden, andererseits verfügt es über einen zweiten - den eigentlich interessanten Betriebsmodus: Es kann nämlich auch in den Terminalkanal eingebaut werden. Die Idee, die dahintersteckt, ist folgende: Das MUFI verfügt (neben der eigentlich wichtigen bidirektionalen parallelen Schnittstelle) über einen (seriellen) Eingang und einen (seriellen) Ausgang. So kann das MUFI einfach in eine Leitung zwischen Computer und Terminal eingebaut werden. In ausgeschaltetem Zustand hat es keinen Einfluß auf den Datenaustausch zwischen Rechner und Terminal - als ob es gar nicht vorhanden wäre. In eingeschaltetem Zustand dagegen "horcht es den Datenfluß zwischen Rechner und Terminal ab". Auf eine vereinbarte Parole (Zeichenkombination) hin, "weiß es", daß die folgenden Daten nicht für das Terminal, sondern eben für sich bestimmt sind. Diese, und nur diese Daten werden aus dem Datenstrom vom MUFI "herausgefischt" und intern sachgerecht weiterver­ arbeitet. Alle anderen Daten werden unbeeinflußt an das Terminal weitergeleitet, damit ja nicht der reibungslose Betrieb gestört wird. Natürlich ist das MUFI ebenso in der Lage, die gerade extern anliegenden Daten zu ermitteln und in den Datenstrom zum Computer "einzuschleusen". Um diese Aufgaben bewältigen zu können, wurde das MUFI mit einem eigenen, schnellen Mikroprozessor ausgestattet, der in der Lage ist, den Datenfluß zu bewältigen. Zudem wurde versucht, das MUFI mit soviel Intelligenz (Firmware) auszustatten, daß alle zeitkritischen Prozesse bei der Ansteuerung des Interface- Systems vom MUFI selbst erledigt und die Daten vom MUFI so aufbereitet werden, daß sie möglichst einfach weitergegeben und verarbeitet werden können. Durch die Beschränkung der Baud-Rate auf maximal 19200 ist die Verarbeitungs­ geschwindigkeit allerdings auch beschränkt. Die rechnerisch maximale Ausgabetakt­ rate von 320 Hz bei 19200 Baud und 160 Hz bei 9600 Baud wird von #on("b")#gs-Prozess#off("b")# auf einem 80386-Rechner im Alleinbetrieb tatsächlich erreicht. Natürlich bedeuten mehrere gleichzeitig betriebene MUFIs an einem Rechner Geschwindigkeitseinbußen. Ebenso sinkt die Ausgabetaktrate bei Prozessoren mit geringerem Durchsatz (8088: maximal 120 Hz). Für die Anwendungen in der Schule sind diese Geschwindigkeiten aber hinreichend. Die Vorteile des MUFI für diejenigen, die EUMEL im Multi-User-Betrieb nutzen, liegen dennoch klar auf der Hand: - Es werden keine weiteren seriellen Schnittstellen benötigt. (Die vorhandenen sind sowieso schon weitgehend belegt. Gegebenenfalls würden zusätzliche Kosten verursacht.) - Es sind keine weiteren Kabelverlegungen zwischen Rechner und Arbeitsplatz notwendig, trotzdem befindet sich das MUFI direkt am Bildschirmarbeits­ platz. - Das beim Anschluß an eine separate Schnittstelle notwendige, zeitauf­ wendige Ansteuern des Interface-Kanals entfällt. Arbeiten Sie an einem Einzelplatz-System (z.B. IBM-kompatibler Rechner nur mit Monitor) so ist ein Betrieb des MUFIs im Terminal-Kanal nicht möglich. Hier bleibt nur der Betrieb des Interface-Systems an einer separaten seriellen Schnittstelle. Sinnvoll ist aber auch ein solcher Betrieb, wenn (zunächst) nur die Hardware für einen Arbeitsplatz zur Verfügung steht. Das Interface kann dann nämlich von meh­ reren Tasks abwechselnd angesprochen werden. Beim Anschluß an eine separate serielle Schnittstelle sind die Leistungen des MUFIs und des RS232-Adapters gleichwertig. Da das abwechselnde Ansprechen einer seriellen Schnittstelle und der Tastatur/des Monitors unter EUMEL relativ zeitauf­ wendig ist, sind hier keine hohe Ausgabegeschwindigkeiten zu erwarten: bei einem 8088-Rechner ca. 40 Hz, bei Prozessoren mit höherem Durchsatz eben entsprechend mehr. Dennoch ist das für die meisten Anwendungen in der Schule schnell genug. Für Spezialanwendungen ist auch die direkte Ansprache der Schnittstelle möglich. Hierbei sind Ausgabetaktraten von 960 Hz bei 19200 Baud bzw. 480 Hz bei 9600 Baud möglich. Für die schulische Praxis (in der Sekundarstufe I) ist diese "direkte Ansprache" aber ungeeignet, da weitergehende Programmierkenntnisse erforderlich sind. Zudem kann bei Programmierfehlern "die Task am Kanal hängenbleiben". Genaueres dazu sehen Sie bitte im Kapitel 'Hinweise für den Systembetreuer/ Programmierer'. Die Hardware-Konstellation stellt sich im Überblick also folgendermaßen dar: #on("b")# Computer <---> Adapter <---> Interface <---> Modell (mit se- ('MUFI' (AKTRONIK) rieller oder Schnitt- 'RS232- stelle) Adapter') #off("b")#