Bus-Systeme zur Gerätesteuerung (ports)

Einführung
Die meisten Messerfassungs- und Steuerungsgeräte lassen sich mittlerweile vom PC aus steuern, z.B. Oszilloskope, Funktionsgeneratoren etc.. Viele Prozesse der Datenaufnahme und -verarbeitung lassen sich dadurch automatisieren. Die Anzahl der möglichen Tests innerhalb eines Experiments erhöht sich damit, und es werden weniger Versuchstiere benötigt.  Die Industrie bietet einer ganze Palette verschiedene Bus-Systeme (=Schnittstellen) an. Die in biologischen Labors am häufigsten vewendeten Typen sind hier beschrieben. Oft muss man sich schon beim Kauf  für ein bestimmtes System entscheiden. Wenn der "Setup"  automatisch arbeiten soll, muss man sich natürlich rechtzeitig Gedanken über Vor- und Nachteile der einzelnen Bussysteme machen.  Soll nur ein einzelnes Gerät ab und zu vom Rechner geschaltet werden, reicht eine serielle Schnittstelle aus. Zur Steuerung mehrerer Geräte und zur Automatisierung eines Versuchsablaufs wird in der Industrie häufig der IEEE-488-Bus (GPIB-Bus) genutzt (im Jargon "I-Triple-E" genannt). Er darf nicht mit dem IEEE-1394 (Firewire) verwechselt werden, der durch Multimedia-Anwendungen stark verbreitet wird. Weitere Systeme wie der VXI-Bus sind in biologischen und medizinischen Labors kaum verbreitet und werden daher hier nicht besprochen. Dagegen findet der USB-Bus eine rasch zunehmenende Verbreitung. Auch die netzwerkfähigen Ethernet-(=LAN) Anschlüsse sind inzwischen häufig zu finden.

Serieller Bus (RS-232, sehr ähnlich und weitgehend kompatibel: RS-423)
Diese Schnittstelle ist noch an vielen PCs vorhanden.  Der Anschluss erscheint auf den ersten Blick simpel und gelingt gelegentlich auch auf Anhieb, aber die Tücken liegen in den verschiedenen Varianten ("Nullmodem" etc.). Wenn es nicht klappt, müssen an Rechner und Peripheriegerät die Steuercodes überprüft werden, oft ist auch Lötarbeit an den Kabelanschlüssen fällig. Viele Datenlogger arbeiten noch mit RS-232, um die gespeicherten Daten zum PC zu übertragen..
Vorteile: Preiswert, Technik mit etwas know-how nachvollziehbar. Steuerung von Geräten relativ (!) einfach zu programmieren.
Nachteile: Da die Bits seriell mit einer veralteten Codierung über nur eine Leitung fließen, ist die Übertragung langsam. Typische Raten liegen bei 9800 und 19600 baud. Die Übertragung einer Oszilloskop-Spur kann dann schon mal eine Minute dauern. Für jedes Peripheriegerät muss eine eigene Schnittstelle im PC vorhanden sein. Sollen verschiedene Geräte synchron gesteuert werden, ist diese Technik kaum geeignet.

Paralleler Port (Centronics-Schnittstelle)
Der parallele Port ist ebenfalls noch an manchen PCs vorhanden, da er früher für den Drucker benötigt wurde. Die Daten werden auf einem 8-Bit breiten Bus parallel übertragen. Damit ist die Transfer-Rate erheblich höher als beim seriellen Bus. Gelegentlich wird die parallele Schnittstelle auch zur Verbindung von 2 Rechnern (Laplink-System) oder von einem Rechner mit einem Massenspeicher (Zip-Laufwerk) verwendet. Messgeräte besitzen gelegentlich Centronics-Schnittstellen, die nur für die Ausgabe auf einen Drucker geeignet sind, nicht für die Kommunikation mit dem PC.
Vorteile: Preiswert und relativ schnell. Sinnvoll für die Datenübertragung aus Datenloggern (Langzeit-Messdatensammler).
Nachteile: Für jedes Peripherie-Gerät sollte eine eigene Schnittstelle im Rechner vorhanden sein. Huckepack-Systeme sind nur sehr begrenzt sinnvoll und bereiten gelegentlich in Netzwerken Probleme. Kabel nicht in allen Fällen kompatibel, z.B. ein normales Druckerkabel kann nicht für die Laplink-Übertragung benutzt werden.

IEEE-488 (GPIB, HPIB)
In der Industrie weitverbreitetes Bussystem. Erforderlich ist eine Computer-Einsteckkarte. Von dieser führt ein relativ sperriges Kabel zum Peripheriegerät. Die Stecker können in einem stabilen Huckepack-Verfahren hintereinandergeschaltet oder von Gerät zu Gerät weitergeführt werden. Je nach Ausführung können 7-14 einzelne Geräte von einer Karte gesteuert werden. Jedes Gerät bekommt eine "Hausnummer", über die es vom PC angesprochen wird. Die Daten werden parallel übertragen. Die Daten können beliebig und mit relativ hoher Geschwindigkeit transferiert werden. Seit einiger Zeit gibt es auch USB/GPIB-Interfaces, mit denen GPIB-Geräte an die weit verbreitete USB-Schnittstelle von PCs angeschlossen werden können (z.B. bei Agilent).
Vorteile: Hohe Geschwindigkeit, System normiert (keine Kabel-Varianten!), gute Unterstützung durch verschiedene Softwarepakete. Der ganze Setup kann mit nur einer Schnittstelle im PC gesteuert werden.
Nachteile: Preis der Steckkarte und der Kabel relativ hoch. Die Karte muss durch spezielle Softwaretreiber aktiviert werden.

IEEE 1394a (auch FireWire oder i.Link genannt)
Ursprünglich als SCSI-Nachfolger entwickelt, hat sich Firewire zum Standard für Multimedia (Camcorder, Playstation etc.) entwickelt. Aktuelle PCs und Notebooks haben entsprechende Anschlüsse. FireWire 400: bis 40 MB/s | FireWire 800: bis 88 MB/s usw. Schneller als USB, kann sogar eine Alternative zur Ethernet-Verbindung sein.

SCSI
Für Peripheriegeräte wird gelegentlich auch die von Festplatten bekannte SCSI-Schnittstelle angeboten. Je nach PC ist ein solcher Bus schon auf dem Motherboard vorhanden (selten) oder er muss separat als Steckkarte erworden werden. Mehrere Peripheriegeräte können hintereinandergeschaltet und über ihre "Hausnummer" angesprochen werden. Je nach Variante werden die Daten auf einem unterschiedlich breiten Datenbus parallel transportiert. Wird in der Messtechnik durch Ethernet, Firewire bzw. USB abgelöst.
Vorteil: Sehr schnelle Datenübertragung, Anschluss einfach, wenn schon ein SCSI-System eingebaut ist. Kabel und Steckeradapter (oft nötig) in vielen Computerläden vorrätig.
Nachteil: Preis der Steckkarte und der Kabel relativ hoch. Viele Varianten auf dem Markt. Softwareunterstützung etwas unklar.

USB
Der Universal Serial Bus USB soll den Kabelverhau an den Rechnern reduzieren, indem alle Peripheriegeräte an eine einzige schnelle Schnittstelle angeschlossen werden. Bei einer ursprünglichen Taktfrequenz von 12 MHz ist eine theoretische Datenrate von über 1 Mbyte/s möglich, mit USB 2 noch höher (bis 60MB/s). Damit kann auch eine anspruchsvolle Messdatenerfassung realisiert werden. Details zum USB findet man unter www.usb.org. Auch Multifunktionskarten, müssen damit nicht mehr in den PC eingebaut werden, sondern besitzen ein eigenes Gehäuse. Mit der Einführung von USB 3 wird die Geschwindigkeit von Ethernet erreicht.
Vorteil: Schnelle Datenübertragung, über 100 Geräte gleichzeitig anschließbar (mit Hubs), Stromversorgung der Geräte über das USB-Kabel vom PC aus, Einstecken bei eingeschaltetem PC möglich.
Die meisten Hersteller beeilen sich, ihre Produkte mit USB auszustatten. Für geschwindigkeits-sensitive Anwendungen ist es wichtig, dass es sich mindestens um USB 2 handelt.
Nachteil: Die Steckverbindungen sind manchmal recht wackelig..

Ethernet
Für lokale Netzwerke und für den Anschluss ans Internet sind in fast jedem Labor Ethernet-Anschlüsse und Kabel vorhanden. Diese für höchste Übertragungsgeschwindigkeiten geeignete Technik hält derzeit Einzug in die Messgeräte.
Vorteil: Sehr schnell. Fernbedienung und Messwertübertragung über große Entfernung möglich. Besitzen die Geräte eine integrierte Webserver-Software, können sie direkt an das Internet angeschlossen werden. Über WLAN ist auch Funkverbindung möglich.
Nachteil: Grundkenntnisse in Netzwerktechnik können nicht schaden, z.B. um die IP-Nummern sinnvoll einzustellen.

WLAN (Wi-Fi)
Netzwerktechnik entsprechend dem Ethernet, aber über eine Funkverbindung. Die Geschwindigkeit ist etwas geringer als das fest verdrahtete Ethernet.
Vorteil: Sehr schnell, keine Kabelverbindung.
Nachteil: Nur wenige  Übertragungsfrequenzen vorhanden, daher sind Störungen möglich, die vor allem die Geschwindigkeit drosseln.