CompactRIO und LabVIEW im Weltraum - wirautomatisierer
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Fühlen Pflanzen Schwerelosigkeit?

National Instruments: CompactRIO und LabVIEW im Weltraum

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CompactRIO und LabVIEW eignen sich auch für den Einsatz in der Raumfahrt-Forschung: Airbus DS hat in einem erfolgreichen Pilotprojekt Hard- und Software von National Instruments im Rahmen des Forschungsprogramms TEXUS/MAXUS genutzt. Dieses Programm betreibt Forschungen unter Mikrogravitationsbedingungen, wofür bereits mehrere Raketen mit Experimenten an Bord gestartet wurden.
Bei der Mission TEXUS53/HAMPP kamen erstmalig LabVIEW und National-Instruments-Hardware seitens Airbus DS zum Einsatz. Die Erfahrungen des erfolgreichen Pilotprojekts haben dazu motiviert, Hard- und LabVIEW-Software von National Instruments auch zukünftig bei Airbus DS einzusetzen. Seit Dezember 1977 werden im Rahmen des Forschungsprogramms TEXUS/MAXUS regelmäßig Raketen vom Esrange Space Center in Schweden gestartet. Die Zielsetzung des Programms ist die wissenschaftliche Forschung unter Mikrogravitationsbedingungen. Zur Erfüllung der wissenschaftlichen Ziele wird für jedes Experiment eine spezielle Flug- und Boden-Hardware/-Software entwickelt und gefertigt.

Wie wirkt die Schwerkraft auf Pflanzen?

Inhalt des HAMPP-Experiments war die auf Fluoreszenz basierende Analyse von Signalmolekülen, um die Wirkung der Schwerkraft auf Pflanzen zu erforschen. Die untersuchten Zellkulturen (Arabidopsis thaliana, C.V. Columbia) enthalten ein Protein, das zwei grün fluoreszierende Proteinderivate (CFP, YFP) über Calmodulin kombiniert, sodass ein guter Ca2+-Sensor entsteht. Ist kein Ca2+ vorhanden, dann ist auch kein Energietransfer zwischen CFP und YFP möglich. In Gegenwart von Ca2+ wird die Calmodulin-Konformation in einer solchen Art und Weise verändert, dass das YFP nahe genug an das GFP herankommt und so eine Energieübertragung zustande kommt. Dabei verschiebt sich die emittierte Wellenlänge von 480 auf 535 nm. Diese Verschiebung wird durch die Erfassung beider Emissionswellenlängen gemessen. Die Empfindlichkeit der Messung wird durch eine Berechnung des Verhältnisses von beiden erhöht. Aus wissenschaftlicher Sicht ist nur die zeitliche Entwicklung der Fluoreszenzsignale wichtig und im Gegensatz zur Fluoreszenzmikroskopie ist keine räumliche Auflösung erforderlich. Da die Fluoreszenzsignale von biologischen Proben im Allgemeinen schwach sind und sie zusätzlich stark von Probe zu Probe variieren, sind Photomultiplier (PMT) als Detektoren eine gute Wahl. Sie bieten eine sehr hohe Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich, kombiniert mit der Möglichkeit, die Verstärkung über einen weiten Bereich einzustellen. Das ermöglicht es, die sehr unterschiedlichen Signalstärken zu kompensieren.

Messungen über LabVIEW im Flugmodus

An Bord der Rakete wurden ein lüfterloser Miniaturrechner (PC), autonome Temperaturregler (Peltier-Elemente) und USB-getriebene AD/DA-Wandler eingesetzt, die die Signale der Photomultiplier aufnahmen und deren Verstärkungsfaktoren steuerten. Sämtliche Software für Onboard-Datenerfassung, Experimentsteuerung, Telemetriegenerierung und Telekommandoverarbeitung war in LabVIEW unter Windows implementiert. Die Messdaten wurden mit einer Abtastrate von 100 Hz aufgenommen und auf dem Onboard-Massenspeicher (SSD) abgelegt, Telekommandos nach Ausführung ebenfalls dort protokolliert sowie der Status der Wandler und Temperaturregler gespeichert. Für die Telemetrie wurden die Rohdaten der Photomultiplier auf einen Mittelwert aus jeweils 20 Samples reduziert und mit 5 Hz Rate zum Boden gesandt, zusammen mit den Statusdaten der Hardware-Komponenten und den Telekommandobestätigungen. In der LabVIEW-Anwendung an Bord waren zwar Bildschirmausgaben implementiert, sie wurden aber nur zur Entwicklungszeit und zum Abgleich mit der Bodenanlage genutzt. Während des Flugs waren sie abgeschaltet, LabVIEW lief „faceless“ und wurde ausschließlich über Telekommandos gesteuert. Die Implementierung des Boden- als auch des Flugsegments in LabVIEW erlaubte einen ausschließlich aus LabVIEW-Clustern bestehenden Bereich gemeinsam genutzter Datenstrukturen, was die Software-Entwicklung sehr beschleunigte; eine Fehlersuche bei der Integration war auf ein Minimum reduziert, in jeder Integrationsstufe zeigte sich ein verblüffender Läuft-auf-Anhieb-Effekt.

Ground Control System mit CompactRIO

Als Ground Control wurde ein kompaktes System aufgebaut, bestehend aus einem cRIO-9033 unter LabVIEW-Real-Time. Die Visualisierung wurde ohne einen Windows-PC direkt über den Display-Port des CompactRIOs realisiert. Die Bedienung erfolgte über Maus und Tastatur (USB-Port am CompactRIO) und über ein Digital-Input-Panel (DI am CompactRIO). Diese Lösung wurde wegen ihres kompakten Aufbaus, der Effizienz und der Ergonomie vom Kunden und Anwender sehr geschätzt. Besonderes Augenmerk lag auf der Implementierung eines robusten und den Gegebenheiten der Raumfahrt entsprechenden Kommando- und Daten-Übertragungsprotokolls in LabVIEW. Dies hat die Kopplung der beiden unabhängig entwickelten Sub-Systeme Flight und Ground wesentlich erleichtert.

Positive Erfahrungen

Im Rahmen der TEXUS53-Mission zur Mikrogravitationsforschung kamen seitens Airbus DS erstmalig Hardware-Komponenten von National Instruments sowie die Software LabVIEW zum Einsatz. Die damit erstellten Sub-Systeme waren effizient, zuverlässig und ergonomisch. www.ni.com/de-de.html Die Autoren: Klaudius Pinkawa, A.M.S. Software GmbH, Ellerau, und Harald Grundner, Enrico Noack, Airbus DS, Bremen   Weitere Informationen zum Thema: www.space-airbusds.com/de/programme/texus-maxus.html www.sscspace.com/esrange-space-center
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