L-E-A | Dr. Volker Bosch

Digitale und analoge Elektronik

USB-Interface für das digitale Hameg Speicheroszilloskop HM205-2

Gerne unterstütze ich Sie bei der Entwicklung kundenspezifischer Schnittstellen für Ihre Hardware oder Automatisierungs-Projekte.

Das digitale Hameg Speicheroszilloskop HM205-2 besitzt eine einfache digitale Schnittstelle über welche die Abtastwerte beider Kanäle ausgelesen werden können, die im Digitalbetrieb des Oszilloskops aufgezeichnet wurden. Die Schnittstelle besitzt einen einfachen parallelen Acht-Bit-Datenbus, der die Datenleitungen der beiden SRAMs im Logik-Teil des HM205-2 mit der Steckerleiste in der Rückwand des Messgeräts verbindet sowie sechs Steuersignale bereitstellt.
Durch Aktivierung des Signals SRQ übernimmt das Interface die Kontrolle über die SRAMs und deren Adresszähler. Das Signal Ch1/2 selektiert den auszulesenden Kanal des Oszilloskops. Der 10-Bit breite Auslese- bzw. Adresszähler, der die Adresssignale beider SRAMs bereitstellt, wird mit dem Signal ResAZ gelöscht. Ein High-Low-Pegelwechsel des Signals ClkAZ inkrementiert den Adresszähler um ein Byte. Das Signal Res entspricht einer Betätigung der Taste Reset am Oszilloskop und startet eine Single-Shot-Aufzeichnung. Das Ende dieser Aufzeichnung signalisiert das HM205-2 durch das Signal TE.
Das hier vorgestellt USB-Interface besitzt die folgenden Eigenschaften:

Eine USB-2.0 Schnittstelle (full speed) mit CDC-Device (virtuelles Modem bzw. RS232-Schnittstelle). Dieses USB-Device wird von allen aktuellen PC-Betriebssystemen ohne zusätzliche Treibersoftware unterstützt.
Eine galvanische Trennung der USB-Signale von den Eingangssignalen des Oszilloskops.
Die Signal-LED visualisiert den Zugriff des Host-PCs auf das Interface. Sie leuchtet sobald ein Programm die zugehörige virtuelle Schnittstelle öffnet und das (virtuelle) Steuersignal DTR aktiviert.
Die Beendigung einer Aufzeichnung wird durch das Ring-Indicator-Signal (RI) der virtuellen RS232-Schnittstelle an den Host-PC gemeldet. Ein Programm kann dieses entweder periodisch abfragen (pollen) oder oder die entsprechende Funktion wird durch einen Interrupt bzw. über den Signalhandler des Betriebssystems aktiviert. Das Ende der Wandlung kann aber auch über eine Statusabfrage des Interfaces festgestellt werden.
Für das Interface ist keine externe Stromversorgung erforderlich. Es wird vom Oszilloskop und über den USB gespeist.
Das Interface wird direkt an der Rückwand des Oszilloskops montiert. Es ist somit keine Leitung zwischen Interface und Oszilloskop erforderlich.
Das Interface kann mit einem einfachen Terminalprogramm bedient werden, wenn dieses das Abspeichern von Binärdaten erlaubt.
Neben HM205-2 und HM205-3 unterstützt das Interface auch die Hameg Oszilloskope HM1007 und HM408.

Das Interface wird in ein kleines Kunststoffgehäuse aus aktueller Serienfertigung montiert.

USB-Interface für mobile Oszilloskope der ScopeMeter-Serie

Basierend auf dem FTDI USB-RS232-Konverter FT230x wurde ein einfaches USB-Interface entworfen. Bei entsprechender Parametrierung des Konverter-Bausteins kann dieser direkt mit Leuchtdiode und Fotodiode bzw. -Transistor beschaltet werden. Hierzu muss der RxD-Eingang als Schmitt-Trigger konfiguriert werden und ggf. der maximal zulässige Strom des TxD-Ausgangs erhöht werden.
Durch Anpassung des Description-Strings kann das zugehörige USB-Device vom Host-Computer direkt identifiziert werden.
Die Schnittstelle wird in ein mittels 3d-Druck (Additive Fertigung, Rapid Prototyping) hergestelltes Gehäuse montiert. Dieses besitzt Rastnasen, die eine sichere mechanische Verbindung mit dem Messgerät gewährleisten. Im transparenten Teil des Gehäuses befinden sich zwei farbige Leuchtdioden, welche die Aktivitäten auf der RxD- und der TxD-Leitung visualisieren.

RS232- und USB-Interface für Hameg Messgeräte der Serie HM81xx

Um zukünftige Messvorgänge automatisieren zu können, sollten mehrere Hameg Messgeräte der Typen HM8130, HM8131-2 und HM8142 Schnittstellen für den Datenaustausch mit einem PC erhalten.
Die Analyse einer vorhandenen HO89-2-Interfacekarte ergab, dass die MCU des Messgeräts mit der MCU der Schnittstellenkarte über eine asynchrone serielle Schnittstelle mit 312,5kBd kommuniziert. Es werden 9 Datenbits und ein Stopbit verwendet. Dieses spezielle Format wird sowohl von Mikrocontrollern der i8051-Familie als auch von den meisten AVR-MCUs unterstützt.
Da die Schnittstellenkarte zwei UARTs benötigt, wurde für das Neudesign ein ATmega162 verwendet. An weiteren Bauteilen wurden noch ein Pegelwandler MAX232, ein Spannungsregler 7805, ein Brückengleichrichter, zwei Optokoppler 6N137 sowie als Treiber für die LEDs der Optokoppler und zur Regenerierung der Optokopplerausgangssignale zwei sechfach Inverter 74HC04 und einige passive Bauteile benötigt. Das obere Bild am rechten Rand zeigt zwei Exemplare der neuen Schnittstelle. Die HO89-2-Interfacekarte ist im unteren Bild dargestellt.
Aufgrund der hohen Baudrate für die Kommunikation mit der MCU des Messgeräts, musste der ATmega162 mit einem 15MHZ-Quarz betrieben werden. Das Protokoll der internen Kommunikation konnte durch Mithören auf den beiden Leitungen schnell erfasst werden. Das neunte Datenbit differenziert interne (1) und externe (0) Daten. Auch findet ein einfaches Handshake statt: Jedes von der MCU des Messgeräts korrekt empfangene Byte wird mit dem Wert 0x181 quittiert. So wird ein Pufferüberlauf verhindert.
Mit Hilfe des V-Usb-Projekts konnte nachträglich ein zusätzliches, software-basiertes USB-1.1-Interface auf der Schnittstellenkarte implementiert werden. Hierfür musste lediglich ein kleiner Adapter angefertigt werden, welcher die Signale der herausgeführten In-System-Programmierschnittstelle der ATmega162-MCU auf eine USB-B-Buchse umsetzt. An Modifikationen auf der Interfacekarte musste lediglich eine kleine Drahtbrücke vom Programmierstecker auf einen bislang nicht genutzten externen Interrupt-Eingang der MCU eingelötet werden.

Isoliertes USB-Interface für ein Hameg HM407 Oszilloskop

Die Hameg Oszilloskope der Serie HM407 besitzen bereits eine RS232-Schnittstelle über die sie von einem PC gesteuert bzw. ausgelesen werden können. Leider ist diese Schnittstelle galvanisch mit der Masse der Signaleingänge verbunden. Auch verfügt heutzutage kaum ein PC mehr über RS232-Schnittstellen, so dass ein USB-Interface am Oszilloskop mehr Flexibilität verspricht.
Aus diesen Gründen wurde ein isoliertes USB-Interface, basierend auf einem FT230x USB-zu-RS232-Konverter von FTDI entworfen. Für die galvanische Trennung der USB-Schnittstelle von den restlichen Baugruppen des Oszilloskops wurden zwei digitale Isolatoren des Typs ADuM1201 von Analog Devices verwendet. Diese bewerkstelligen nicht nur die galvanische Trennung sondern sorgen auch für die erforderliche Anpassung der Logikpegel zwischen Oszilloskop (5V) und FT230x (3,3V).
Falls an einer Seite dieser digitalen Isolatoren keine Versorgungsspannung anliegt, zeigt der zugehörige Ausgang auf der anderen Seite einen logischen High-Pegel, der genau dem inaktiven Zustand einer RS232-Schnittstelle entspricht. Das Interface erscheint somit für das Oszilloskop inaktiv, wenn keine Verbindung zum USB-Host besteht, bzw. für den USB-Host, falls das Oszilloskop nicht eingeschaltet wurde.
Zwei Status-LEDs signalisieren Aktivitäten auf der TxD- und RxD-Leitung des FT230x. In das EEPROM des FT230x wurde die Typbezeichnung des Oszilloskops als Description-String eingetragen. Moderne Betriebssysteme können somit automatisch ein entsprechendes Device für den direkten Zugriff auf die mit dem Oszilloskop verbundene virtuelle RS232-Schnittstelle bereitstellen, so dass das lästige durchprobieren aller Schnittstellen entfällt.

USB-basiertes GPIB-Interface

Der GPIB (General Purpose Interface Bus), auch HP-IB oder IEEE.488-Bus, wurde in den 1960er Jahren von dem Elektronik- und Messgerätehersteller Hewlett-Packard (HP) für die Steuerung von von (Mess-)Geräten entwickelt und 1975 als IEEE-488-Bus standardisiert. Auch heute ist ein solches Businterface bei zahlreichen Messgeräten vorhanden. Viele heute günstig erhältliche gebrauchte Messgeräte verfügen ausschließlich über ein solches Interface, beispielsweise das Multimeter HP3478A.
Um solche Messgeräte einfach, flexibel und kostengünstig steuern zu können, wurde ein einfaches GPIB-Interface mit USB-Anschluss entwickelt. Damit auf dem Host-PC kein Treiber erforderlich ist, nutzt es das USB-Profil CDC-ACM und verhält sich wie ein Modem bzw. eine (virtuelle) RS232-Schnittstelle.

Das Interface unterstützt die sog. HP-Style Calls [1]. Implementiert sind sämtliche Kommandos, außer ERRTRAP, PASS CONTROL, REQUEST, SEND und PPOLL. Die Bus-Botschaft SRQ wird auf das RS232-Signal Ring Indicator (RI) umgesetzt. Dieses kann vom Host-PC abgefragt werden (polling) oder eine Exception bzw. einen Interrupt auslösen. Der Host kann dann einen seriellen Poll durchführen, das anfordernde Gerät identifizieren und dessen Status abfragen. Das HP3478A sendet beispielsweise eine SRQ-Botschaft, wenn ein neuer Messwert bereitsteht.

Die Hardware besteht aus der 8-Bit MCU ATmega32U4, die ein integriertes USB-Interface besitzt sowie den den GPIB-Treibern SN75160 und SN75161 bzw. SN75162. Für SN75161 und -162 wurde ein gemeinsamer universeller Footprint vorgesehen, der die alternative Bestückung ermöglicht. Die Verwendung von Bustreibern hat den Vorteil, dass diese den Bus nicht beeinflussen, auch wenn das Interface nicht bestromt ist. Es ist (bislang) nicht vorgesehen, dass das Businterface von einem zweiten Controller auf dem Bus angesprochen werden kann. Das Interface muss stets die Funktion des Busmasters übernehmen und kann diese nicht abgeben

[1] National Instruments: Universal Language Interface Using HP-Style Calls, December 1993 Edition. PDF-Dokument.

Aktualisiert: 2025-03-17