Kommentar: Computer Mess- und Steuerkarten (Multifunktions-Karten)

Überblick
Eine bisher noch wenig genutzte Alternative zu "Stand-Alone"-Geräten stellen die Multifunktions-Steckkarten für Computer dar. In vielen Fällen können Oszilloskope, Funktionsgeneratoren, Verstärker, Schalter etc. durch solche Karten ersetzt werden, und zwar zu erheblich geringeren Anschaffungskosten. Abgesehen von den Kosten bieten diese Karten Vorteile bei der Erstellung komplexer Reizstrukturen z.B. in sinnesphysiologischen Experimenten und bei der flexiblen Steuerung von Versuchsabläufen. Messdaten können programmgesteuert oder mit "user interrupt" online im PC gespeichert bzw. analysiert werden. Die Karten bieten in unterschiedlicher Anzahl analoge Ein- und Ausgänge, digitale Ein- und Ausgänge (z.B. zum Schalten von Relais oder zum Zählen von Ereignissen) sowie Zeitgeber- und Zeitmessfunktionen. Wichtige Kriterien bei der Auswahl sind:

• die maximale Sample-Rate des Analog/Digital-Wandlers (sollte über 100 kHz liegen), und die Ausgabegeschwindigkeit des Digital/Analog-Wandlers
• die Auflösung (8, 10, 12, 14, 16 bit) und Anzahl der Analog-Digital-Wandler
• die Anzahl der digitalen I/O-Ports
• die Anzahl der Timer (möglichst 3 oder mehr  unabhängig programmierbare "clocks")

Die Sample-Rate wird meist in kHz oder MHz angegeben, oft auch als Wandlungszeit in µs. Die tatsächliche Durchsatzgeschwindigkeit in der Praxis muss um ca. 30% oder noch niedriger veranschlagt werden, da die Daten von der Software auch verarbeitet werden müssen. Manche Karten besitzen aus diesem Grunde einen kleinen Zwischenspeicher (FIFO), um Datenstau zu vermeiden. Werden mehrere Kanäle parallel ein- oder ausgelesen, reduziert sich die Geschwindigkeit dementsprechend.
Dem Vorteil der Kombination mehrerer Geräte auf einer kleinen Karte bei großer Flexibilität des Programmablaufs steht gegenüber, daß die Programme vom Anwender erstellt werden müssen. Für die meisten Karten, insbesondere die ohne Prozessor, gibt es jedoch inzwischen recht gute Unterstützung durch die großen Softwarepakete, z.B. LabView und Agilent VEE (Weitere Info). Zu beachten ist auch, daß die Anschlußkabel und die Steckverbindungen für den jeweiligen Anwendungsfall im allgemeinen selbst hergestellt werden müssen. Signal conditioning, also Anpassung der Eingangsamplitude, Filterung der analogen Ausgangssignale (diskrete Stufen!) erfordern möglicherweise separate Geräte.

Multifunktionkarten ohne Prozessor
Die typischen Multifunktionskarten werden vom Prozessor des PCs und einem dort laufenden Programm gesteuert. Bei langsamen Computern und zeitkritischen Anwendungen muß berücksichtigt werden, daß  die herkömmlichen Computer kein echtes Multitasking betreiben, also gleichzeitige unabhängige Ausführung von mehreren Programmen, sondern die einzelnen Programme immer mal kurz anhalten. Aufgrund der heutigen sehr hohen Taktfrequenzen dürfte dies aber nur noch selten Probleme bereiten.

Multifunktionskarten mit Prozessor
Einige wenige Karten besitzen einen eigenen Spezialprozessor mit RAM auf der Karte, der für Mess- und Steuerungsaufgaben besser optimiert ist, als der  PC-Prozessor. Eigene gute Erfahrungen wurden mit Karten der Firma Sorcus gemacht. Preislich liegen diese Mini-Einsteck-PCs nur unwesentlich über dem Niveau vergleichbarer herkömmlicher Boards. 

• Vorteile: Unabhängigkeit vom Host-PC. Dieser dient vor allem zum Einspeichern der low-level-Programme (auch Macros genannt), sowie zum Auslesen und Ablegen der Daten. Die Macros sind zum Teil sehr leistungsfähig (z.B. selbständige Erfassung von Ereignissen + Sortierung in Intervallhistogrammen, diverse Timing-Funktionen etc.). Hardwareausführung und Dokumentation entsprechen professionellen Ansprüche. 
• Nachteile: Der Software-Support war bisher ein Problem. Die mitgelieferten Macros mussten in 'Handarbeit' oder mit Hilfe teurer Spezialprogramme in die eigene Anwendung eingebaut werden. Dementsprechend war der Anwenderkreis klein, mit dem man Programme austauschen konnte. Sorcus bietet aber inzwischen eine verbesserte Windows-Untterstützung und zusätzlich LabView-Unterstützung an. Damit dürfte sich der Aufwand deutlich verringern.

Multifunktionskarten in externem Gehäuse mit USB-Anschluss
Durch Herausführen des Computer-Bus können einige PC-Steckkarten auch in externen Gehäusen (PC frontend) untergebracht werden, z.B. über den seriellen USB-Bus breiten Einzug gehalten(auf USB Version 2 achten!). Damit können bei wenig Aufwand relativ preisgünstige Messdatenerfassungs- und Steuerungssysteme realisiert werden. Beispiele siehe hier.