Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2016

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Mess-, Prüf- und Regelungstechnik

LabVIEW für Raketenmission

Klaudius PinkawaA.M.S. Software GmbH, Ellerau

Harald Grundner, Enrico Noack Airbus DS, Bremen

KurzfassungSeit Dezember 1977 werden im Rahmen des Forschungsprogramms TEXUS/MAXUS Rake-ten vom Esrange Space Center in Schweden gestartet (Bild 1). Die Zielsetzung des For-schungsraketenprogramms ist die wissenschaftliche Forschung unter Mikrogravitationsbe-dingungen. Zur Erfüllung der wissenschaftlichen Ziele wird für jedes Experiment einespezielle Flug- und Boden-Hardware/-Software entwickelt und gefertigt. Bei der MissionTEXUS53/HAMPP kamen erstmalig LabVIEW und NI-Hardware seitens Airbus DS zum Ein-satz. Auch in dieser Hinsicht war es ein sehr erfolgreiches Pilot-Projekt, welches den weite-ren Einsatz von NI-Hardware und LabVIEW bei Airbus DS motiviert.

AbstractSince December 1977, rockets are launched from the Esrange Space Center in Sweden,within the scope of the TEXUS/MAXUS research program (pict. 1). The objective of therocket campaigns is the scientific research under microgravity conditions. To accomplishthis goal, special flight/ground hardware and software is developed and manufactured foreach experiment. For the mission TEXUS53/HAMPP, Airbus DS made use of LabVIEW andNI hardware for the first time; in this respect it was a very successful pilot scheme as well,motivating further use of NI components and, of course, LabVIEW.

Bild 1: Eine TEXUS-Rakete (Payload-Module)

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k Das HAMPP1-Experiment in TEXUS 53Die Inhalt des HAMPP-Experiments war die fluoreszenzbasierte Analyse von Signalmole-külen der pflanzlichen Schwerkraftwahrnehmung.

Die untersuchten Zellkulturen (Arabidopsis thaliana, C. V. Columbia) besitzen ein Protein,das zwei grün fluoreszierende Proteinderivate (CFP, YFP) über Calmodulin kombiniert, waseinen guten Ca2+-Sensor dar-stellt. In Abwesenheit von Ca2+ ist kein Energietransfer zwi-schen CFP und YFP möglich. In der Gegenwart von Ca2+ wird die Calmodulin-Konforma-tion in einer solchen Art und Weise verändert, dass das YFP nahe genug an das GFP heran-kommt und so eine Energieübertragung zustande kommt. Dabei verschiebt sich dieemittierte Wellenlänge von 480 nm auf 535 nm. Diese Verschiebung wird durch die Erfas-sung beider Emissionswellenlängen gemessen. Die Empfindlichkeit der Messung wird durchBerechnung des Verhältnisses von beiden erhöht.

Aus wissenschaftlicher Sicht ist nur die zeitliche Entwicklung der Fluoreszenzsignale wich-tig und im Gegensatz zu der Fluoreszenzmikroskopie ist keine räumliche Auflösung erfor-derlich. Da die Fluoreszenzsignale von biologischen Proben im Allgemeinen schwach sindund sie zusätzlich stark von Probe zu Probe variieren, sind Photomultiplier (PMT) alsDetektoren eine gute Wahl. Sie bieten eine sehr hohe Empfindlichkeit im sichtbarenBereich, kombiniert mit der Möglichkeit, die Verstärkung über einen weiten Bereich einzu-stellen. Das ermöglicht es, die sehr unterschiedlichen Signalstärken zu kompensieren.

Bild 2: Schema des technischen Aufbaus von HAMPP in TEXUS53

Messung im FlugmodusAn Bord der Rakete wurden ein lüfterloser Miniaturrechner (PC), autonome Temperaturreg-ler (Peltier-Elemente) und USB-getriebene AD/DA-Wandler eingesetzt, die die Signale derPhotomultiplier aufnahmen und deren Verstärkungsfaktoren steuerten. Sämtliche Softwarefür Onboard-Datenerfassung, Experimentsteuerung, Telemetriegenerierung und Telekom-mandoverarbeitung war in LabVIEW unter Windows implementiert (Bild 2).

1. Der im technischen Jargon verwendete Name des Experiments leitet sich vom Namen des auftraggeben-den und den Versuch durchführenden Wissenschaftlers, Herrn Prof. Dr. Rüdiger Hampp, ab.

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Die Messdaten wurden mit 100 Hz aufgenommen und auf dem Onboard-Massenspeicher(SSD) abgelegt, Telekommandos nach Ausführung ebenfalls dort protokolliert, desgleichender Status der Wandler und Temperaturregler.

Für die Telemetrie wurden die Rohdaten der Photomultiplier auf einen Mittelwert ausjeweils 20 Samples reduziert und mit 5 Hz zum Boden gesandt, zusammen mit den Status-daten der Hardware-Komponenten und den Telekommandobestätigungen.

In der LabVIEW-Anwendung an Bord waren zwar Bildschirmausgaben implementiert, dieaber nur zur Entwicklungszeit und zum Abgleich mit der Bodenanlage genutzt wurden.Während des Flugs waren sie abgeschaltet, LabVIEW lief "faceless" und wurde ausschließ-lich über Telekommandos gesteuert.

Die Implementierung von sowohl Boden- als auch Flugsegment in LabVIEW erlaubte einenausschließlich aus LabVIEW-Clustern bestehenden Bereich gemeinsam genutzter Datens-trukturen, was die Software-Entwicklung sehr beschleunigte; eine Fehlersuche bei der Inte-gration war auf ein Minimum reduziert, in jeder Integrationsstufe zeigte sich ein verblüf-fender "Läuft auf Anhieb"-Effekt (Bild 3).

Bild 3: HAMPP-Experiment-Modul (ein Teil des Payloads der TEXUS-Rakete)

System für Ground ControlAls Ground Control wurde ein kompaktes System aufgebaut, bestehend aus einem cRIO-9033 unter LabVIEW-Real-Time. Die Visualisierung wurde ohne einen Windows-PC, direktüber den Display-Port des CompactRIOs realisiert. Die Bedienung erfolgte über Maus und

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Tastatur (USB-Port am CompactRIO) und über ein Digital-Input-Panel (DI am CompactRIO).Diese Lösung wurde wegen ihrer Kompaktheit, Effizienz und Ergonomie vom Kunden undAnwender sehr geschätzt.

Besonderes Augenmerk lag auf der Implementierung eines robusten und den Gegebenhei-ten der Raumfahrt entsprechenden Kommando- und Daten-Übertragungsprotokolls in Lab-VIEW. Dies hat die Kopplung der beiden unabhängig entwickelten Sub-Systeme FLIGHTund GROUND wesentlich erleichtert.

ZusammenfassungIm Rahmen der TEXUS53-Mission zur Mikrogravitationsforschung kamen seitens Airbus DSerstmalig Hardware-Komponenten von National Instruments sowie LabVIEW zum Einsatz.Die damit erstellten Sub-Systeme waren effizient, zuverlässig und ergonomisch (Bild 4).

Bild 4: Start einer TEXUS-Rakete im Esrange Space Center, Schweden

Literatur[1] http://www.space-airbusds.com/de/programme/texus-maxus.html [2] http://www.sscspace.com/esrange-space-center