Die Leistung von Bussystemen - Verschiedene Bustechnologien für die Gerätesteuerung

Der Leitfaden Designing Next Generation Test Systems Developers Guide ist eine Sammlung von Whitepapers, die Sie bei der Entwicklung von Prüfsystemen unterstützen sollen, welche Ihre Kosten senken, den Prüfdurchsatz erhöhen und an künftige Anforderungen angepasst werden können. Das vorliegende Whitepaper soll Ihnen bei der Auswahl des passenden Bussystems für die Steuerung der Geräte in Ihrer Prüfanwendung behilflich sein. Den gesamten Leitfaden können Sie: Als PDF (über 90 Seiten) herunterladen ODER online ansehen.

Einführung in die Bustechnologien zur Gerätesteuerung

Im Jahr 1997 trat Hewlett-Packard (jetzt Agilent) nachdrücklich dafür ein, dass IEEE 1394 ideal als die neue führende Bustechnologie zur Gerätesteuerung geeignet wäre. Angesichts des Potenzials von IEEE 1394 wollte HP die damals wichtigste Technologie, GPIB, sogar ganz aufgeben. Im darauf folgenden Jahrzehnt erreichte IEEE 1394 außerhalb der Bildverarbeitung jedoch nur eine sehr geringe Verbreitungsrate. Allerdings arbeiten ein paar Unternehmen in der Prüf- und Messtechnik weiterhin daran, einen einzigen Gerätesteuerungsbus zu entwickeln, der alle anderen ersetzen kann.

Während sich andere Bustechnologien im Gegensatz zu IEEE 1394 als erfolgreicher dabei erwiesen haben, viele verschiedene Anforderungen zu erfüllen, kann nicht einmal GPIB, der meistgenutzte Gerätesteuerungsstandard der letzten 40 Jahre, für sich in Anspruch nehmen, allen anderen Bussen generell überlegen zu sein.

USB, PCI Express und Ethernet/LAN haben als interessante Optionen für die Kommunikation bei der Gerätesteuerung von sich reden gemacht. Manche Hersteller von Prüf- und Messprodukten sowie einige Industrieexperten sind der Meinung, dass einer dieser Busse allein eine Lösung für alle Anforderungen der Instrumentierung darstellt. Tatsächlich ist es weitaus wahrscheinlicher, dass zwei oder mehr Bustechnologien in künftigen Prüf- und Messsystemen nebeneinander existieren, da jeder Bus seine individuellen Stärken besitzt. Die Herausforderung für Anwender besteht heute weniger in der Auswahl eines einzigen Busses oder einer Plattform, die für alle Anwendungen genutzt werden kann, sondern vielmehr darin, Bus und Plattform für eine spezifische Anwendung oder sogar nur einen spezifischen Teil einer Anwendung auszusuchen.

Dieses Whitepaper zieht einen direkten Vergleich zwischen den gängigsten Bussystemen. Auf dieser Grundlage können Anwender bei der Auswahl der für ihre anwendungsspezifischen Bedürfnisse am besten geeigneten Bus- und Plattformtechnologien besser entscheiden. Die im Folgenden behandelten Bustechnologien sind GPIB, USB, PCI, PCI Express und Ethernet/LAN/LXI.

Grundlagen der Busleistung

Zuerst werden die relevanten Leistungskriterien für Busse zur Gerätesteuerung dargestellt, um eine Grundlage für die Evaluierung und den Vergleich zu haben.

Übertragungsrate (Bandbreite)
Beim Vergleich der technischen Möglichkeiten alternativer Busse sind Übertragungsrate und Latenz die beiden wichtigsten Merkmale. Die Übertragungsrate misst die Rate, mit der Daten über den Bus übertragen werden, meist in MB/s (106 Bytes pro Sekunde). Ein Bus mit hoher Übertragungsrate kann also in einem festen Zeitraum mehr Daten übertragen als ein Bus mit niedriger Übertragungsrate. Den meisten Anwendern ist die Bedeutung der Übertragungsrate bewusst, da sie Einfluss darauf hat, ob die Daten so schnell von und zu einem Host-Prozessor übertragen werden können, wie sie erfasst werden und wie viel Onboard-Speicher ihre Messgeräte brauchen werden. Bei Anwendungen wie der Signalerzeugung und -erfassung sowie bei HF-Messungen spielt die Übertragungsrate eine wichtige Rolle. Die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung ist besonders für virtuelle und synthetische Gerätearchitekturen wichtig. Funktionalität und Charakter eines virtuellen oder synthetischen Geräts werden durch die Software definiert. In den meisten Fällen müssen die Daten daher für die Verarbeitung und Analyse auf einen Host-PC übertragen werden. Abbildung 1 zeigt die Übertragungsrate (und Latenz) aller in diesem Whitepaper aufgeführten Bussysteme.

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Abbildung 1: Vergleich von Übertragungsrate (Bandbreite) und Latenz bei Gerätebussen

Latenz
Die Latenz misst die Verzögerung bei der Datenübertragung über den Bus. Würde man also einen Gerätebus mit einer Straße vergleichen, so entspräche die Übertragungsrate der Breite der Straße und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und die Latenz der Anzahl der roten Ampeln auf der Strecke. Ein Bus mit niedriger, also guter Latenz, führt zu weniger Verzögerung zwischen dem Absenden der Daten am einen und ihrer Verarbeitung am anderen Ende. Die Latenz tritt zwar nicht so deutlich zutage wie die Übertragungsrate, hat jedoch direkten Einfluss auf Anwendungen, bei denen eine schnelle Abfolge von kurzen, abgehackten Befehlen über den Bus geschickt wird. Dies ist beispielsweise beim Handshaking zwischen einem Digitalmultimeter (DMM) und einem Schaltmodul oder bei einer Gerätekonfiguration der Fall.

Kommunikation auf Nachrichten- oder auf Registerebene
Busse, die mit nachrichtenbasierter Kommunikation arbeiten, sind im Allgemeinen langsamer, da dieser Modus zu Overhead führt, zum einen bedingt durch die Übertragung von Daten, die nicht die eigentlichen Nutzdaten beinhalten, und zum anderen durch die Zeit, die für die Kommandointerpretation benötigt wird. Bei der registerbasierten Kommunikation werden Daten direkt übertragen, indem Binärdaten auf Hardwareregister auf dem Gerät geschrieben und davon gelesen werden, was zu einer schnelleren Übertragung führt. Registerbasierte Kommunikationsprotokolle kommen bei den meisten in PCs integrierten Bussen zum Einsatz, wo die physikalischen Distanzen kürzer sind und der höchste Durchsatz notwendig ist. Nachrichtenbasierte Kommunikationsprotokolle eignen sich für die Übertragung von Daten über große Entfernungen und in Fällen, in denen höhere Kosten für einen Overhead gerechtfertigt sind. Erwähnenswert ist außerdem, dass die Werte von Latenz und Übertragungsrate zum Teil davon abhängen, ob der Bus nachrichten- oder registerbasiert kommuniziert.

Weitreichende Leistung
Für dezentrale Überwachungsanwendungen und Systeme, bei denen Messungen räumlich weit verteilt durchgeführt werden, ist die Reichweite wichtig. Die Leistung geht in diesem Fall zulasten der Latenz, da Fehlerprüfung und aufgeblähte Nachrichten, die zur Überwindung der physikalischen Einschränkungen der Datenübertragung über lange Kabel dienen sollen, zu Verzögerungen beim Senden und Empfangen der Daten führen können.

Inbetriebnahme und Softwareleistung
Die einfache Installation und die Leistung der Software sind die subjektivsten der hier untersuchten Kriterien. Nichtsdestotrotz ist es wichtig, sie zu behandeln. Die Inbetriebnahme beschreibt die schlüsselfertige Lieferung und die Installationszeit. Die Softwareleistung weist darauf hin, wie einfach Anwender interaktive Programme oder Standard-Programmierschnittstellen wie VISA finden können, um mit dem Gerät zu kommunizieren und es zu steuern.

Robustheit des Anschlusses
Der physikalische Anschluss für den Bus beeinflusst seine Eignung für industrielle Anwendungen und den Zusatzaufwand, der ggf. notwendig ist, um die Verbindung zwischen Gerät und Systemcontroller robuster zu machen. Abbildung 2 zeigt Fotos von verschiedenen Busanschlüssen.

 Abbildung 2: Anschlüsse für Ethernet, USB, PXI und GPIB (nicht maßstabsgetreu). Der Anschluss für PXI ist ein fester Bestandteil des modularen Messgeräts, auf dem er sich befindet.

Vergleich verschiedener Busse zur Gerätesteuerung (GPIB, USB, PCI, PCI Express und Ethernet/LAN/LXI)

GPIB

Der erste Bus, der näher betrachtet werden soll, ist der IEEE-488-Bus, besser bekannt als GPIB (General-Purpose Interface Bus). GPIB ist ein bewährter Bus, der speziell für Gerätesteuerungsanwendungen konzipiert wurde. Er bietet seit 30 Jahren robuste, zuverlässige Kommunikation und ist aufgrund der niedrigen Latenz und passablen Übertragungsrate immer noch die erste Wahl für die Gerätesteuerung. Mit über 10000 auf GPIB basierenden Gerätemodellen ist er heute sogar der in der Industrie am weitesten verbreitete Busstandard.

Die maximale Übertragungsrate von ca. 1,8 MB/s eignet sich am besten für die Kommunikation mit Stand-alone-Messgeräten sowie für deren Steuerung. Mit der neueren Hochgeschwindigkeitsrevision HS488 wurde die Übertragungsrate auf 8 MB/s erhöht. Die Übertragung erfolgt nachrichtenbasiert, oftmals in Form von ASCII-Zeichen. Mehrere GPIB-basierte Geräte können über eine Gesamtdistanz von 20 m verkabelt werden. Die Übertragungsrate wird unter allen am Bus angeschlossenen Geräten aufgeteilt. Trotz der relativ niedrigen Übertragungsrate ist die Latenz bei GPIB wesentlich niedriger, d. h. vorteilhafter, als bei USB und v. a. auch Ethernet. GPIB-Geräte werden nicht automatisch erkannt oder konfiguriert, wenn sie ans System angeschlossen werden – trotzdem gehört die GPIB-Software zum Besten was der Markt bietet und das robuste Kabel und der Anschluss eignen sich für die schwierigsten Umgebungsbedingungen. GPIB ist die erste Wahl für die Automatisierung bestehender Ausstattung oder für Systeme, die mit hoch spezialisierten Geräten arbeiten.

USB
Der Universal Serial Bus, kurz USB, ist in den letzten Jahren zum beliebten Standard für die Anbindung von Computerperipheriegeräten avanciert. Diese Popularität hatte auch Auswirkung auf die Mess- und Prüftechnik: Immer mehr Hersteller versehen ihre Messgeräte inzwischen mit USB-Anschlüssen.

Hi-Speed USB bietet eine maximale Übertragungsrate von 60 MB/s und ist damit eine interessante Alternative für die Anbindung und Steuerung von Stand-alone- und einigen virtuellen Geräten, sofern deren Datendurchsatz unter 1 MS/s liegt. Obwohl die meisten Laptops, Desktop-Rechner und Server über mehrere USB-Anschlüsse verfügen, sind diese meist alle mit demselben Host-Controller verbunden, so dass alle Anschlüsse die Übertragungsrate von USB unter sich aufteilen. Die Latenz für USB ist als gut zu bewerten (wo sie zwischen Ethernet mit höherer, und PCI Express mit geringerer Latenz liegt) und die Kabellänge ist auf fünf Meter beschränkt. Anders als Technologien wie LAN oder GPIB haben USB-Geräte den Vorteil, dass sie vom PC automatisch erkannt und konfiguriert werden, sobald der Anwender sie anschließt. USB-Anschlüsse sind die Option mit der geringsten Robustheit und Sicherheit der hier vorgestellten Alternativen. Um sie an ihrem Platz zu halten, sind eventuell zusätzlich Kabelbinder erforderlich.

USB-Geräte eignen sich gut für Anwendungen mit mobilen Messungen, Datenprotokollierung am Laptop- oder Desktop-Rechner und In-Vehicle-Datenerfassungen. USB wird auch für die Kommunikation mit Stand-alone-Geräten gerne verwendet, da der Bus auf allen PCs vorhanden und dank Plug&Play-Funktionalität sehr einfach zu bedienen ist. Die Spezifikation der USB Test and Measurement Class (USBTMC) erfüllt die Kommunikationsanforderungen zahlreicher Prüf- und Messgeräte.

PCI

PCI und PCI Express erreichen von allen behandelten Bussystemen die besten Spezifikationen hinsichtlich Übertragungsrate und Latenz. Die Übertragungsrate von PCI liegt bei 132 MB/s und wird zwischen allen am Bus angeschlossenen Geräten aufgeteilt. Die Latenz ist hervorragend: ca. 700 ns im Vergleich zu 1 ms bei Ethernet. Der PCI-Bus kommuniziert registerbasiert. Im Unterschied zu den anderen Bussen kann PCI nicht über Kabel an externe Geräte angebunden werden. Stattdessen handelt es sich dabei um einen internen PC-Bus, der bei PC-Steckkarten und in Systemen mit modularen Messgeräten, wie etwa PXI, zum Einsatz kommt. Entfernungen spielen also keine direkte Rolle. Nichtsdestotrotz kann der PCI-Bus auf bis zu 200 m Distanz „erweitert“ werden, wenn in Verbindung mit einem PXI-System Glasfaser-MXI-Schnittstellen von NI verwendet werden. Da der PCI-Anschluss fest im Computer integriert ist, muss man die Robustheit des Anschlusses wohl als durch die Stabilität und Robustheit des entsprechenden PCs begrenzt betrachten. PXI-basierte Systeme mit modularen Messgeräten, die auf PCI-Signalen aufbauen, verbessern diese Anbindungsmöglichkeiten mit einem Hochleistungs-Backplane-Anschluss und mehreren Schraubklemmenanschlüssen, um die Anbindungen zu fixieren. Sobald die Anwendung mit den installierten PCI- oder PXI-Modulen gestartet wird, erkennt Windows diese automatisch und installiert die notwendigen Treiber.

Ein Vorteil, den neben Ethernet und USB auch PCI und PCI Express haben, besteht darin, dass sie auf PCs zur Standardausstattung gehören. PCI ist einer der am weitesten verbreiteten Standards in der Geschichte der Computerindustrie. Heute besitzt jeder Desktop-PC entweder PCI- oder PCI-Express-Steckplätze, oder sogar beide. Im Allgemeinen helfen PCI-gestützte Geräte bei der Kostensenkung, da sie Stromquelle, Prozessor, Display und Speicher des Host-PCs nutzen und diese Hardware nicht selbst bereitstellen müssen.

PCI Express

PCI Express ist PCI sehr ähnlich, denn es ist die neueste Weiterentwicklung des PCI-Standards (genauso wie Hi-Speed USB von USB). Ein großer Teil der obigen Evaluierung von PCI gilt deshalb auch für PCI Express.

Der Hauptunterschied zwischen der Leistung von PCI und PCI Express besteht darin, dass PCI eine höhere Übertragungsrate bietet und jedem Gerät eine dedizierte Übertragungsrate zuweist. Von allen hier aufgeführten Bussen besitzt nur PCI Express eine dedizierte Übertragungsrate für jedes Peripheriegerät am Bus. Dagegen teilen GPIB, USB und LAN die Übertragungsrate gleichmäßig auf. Daten werden bei PCI Express mit 250 MB/s pro Richtung über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen übertragen, die Lanes genannt werden. Jede PCI-Express-Verbindung kann aus mehreren Lanes bestehen. Die Übertragungsrate hängt deshalb davon ab, wie PCI Express an den Steckplatz und ans Gerät angeschlossen wird. Eine Verbindungsbreite von x1 bietet 250 MB/s. Beträgt sie x4, wird das Vierfache, also 1 GB/s erreicht und eine x16-Verbindung ermöglicht eine dedizierte Übertragungsrate von 4 GB/s. PCI Express ist hinsichtlich der Software vollständig abwärtskompatibel. Das heißt, dass Anwender, die auf den PCI-Express-Standard umstellen, ihre Investitionen in PCI erhalten können. Darüber hinaus kann PCI Express auch über externe Kabel erweitert werden.

PC-interne Hochgeschwindigkeitsbusse wurden für die schnelle Kommunikation konzipiert. Infolgedessen sind PCI und PCI Express die erste Wahl für datenintensive Hochleistungssysteme, die eine hohe Übertragungsrate erfordern, und für die Integration und Synchronisation mehrerer verschiedener Messgeräte.

Ethernet/LAN/LXI

Ethernet kommt schon seit langem für die Gerätesteuerung in Frage. Es handelt sich dabei um eine ausgereifte Bustechnologie, die auch in zahlreichen Anwendungsgebieten außerhalb der Mess- und Prüftechnik eingesetzt wird. 100BASE-T Ethernet bietet eine theoretische maximale Übertragungsrate von 12,5 MB/s. Gigabit Ethernet, oder 1000BASE-T, erhöht diese auf 125 MB/s. Dabei wird die Übertragungsrate jeweils innerhalb des Netzwerks aufgeteilt. Bei 125 MB/s ist Gigabit Ethernet theoretisch schneller als Hi-Speed USB. Diese Leistung wird allerdings schnell vermindert, wenn mehrere Messgeräte sowie andere Geräte die Übertragungsrate des gesamten Netzwerks unter sich aufteilen. Die Kommunikation über den Bus basiert auf Nachrichten, wobei die Kommunikationspakete die Geschwindigkeit der Datenübertragung erheblich beeinträchtigen. Aufgrund dessen besitzt Ethernet von allen hier behandelten Bustechnologien die höchste, d. h. unvorteilhafteste, Latenz.

Trotzdem bietet Ethernet eine leistungsstarke Option für die Erstellung eines Netzwerks von verteilten Systemen. Es überbrückt ohne Repeater Entfernungen von 85 bis 100 m – mit Repeatern unterliegt es hinsichtlich der Distanz keinerlei Einschränkungen. Kein anderer Bus kann so weit entfernt vom steuernden PC oder von der Plattform eingesetzt werden. Wie auch bei GPIB erkennt Ethernet/LAN angeschlossene Geräte nicht automatisch. Anwender müssen ihrem Messgerät manuell eine IP-Adresse und die Konfiguration des lokalen Netzwerks zuweisen. Wie auch USB und PCI stehen Ethernet/LAN-Anschlüsse an praktisch allen modernen PCs zur Verfügung. Damit eignet sich Ethernet hervorragend für verteilte Systeme und zur dezentralen Überwachung. Es wird oft in Verbindung mit anderen Bus- und Plattformtechnologien eingesetzt, um Messknoten in einem System zu verbinden. Diese lokalen Knoten können selbst aus Messsystemen bestehen, die auf GPIB, USB und PCI basieren. Physikalisch betrachtet sind Ethernet-Anschlüsse robuster als USB, aber weniger widerstandsfähig als GPIB oder PXI.

LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) ist ein relativ neuer LAN-basierter Standard. LXI definiert eine Spezifikation für Stand-alone-Messgeräte mit Ethernet-Anbindung, die Trigger- und Synchronisationsfunktionen ergänzt.

Zusammenfassung: Leistung von Gerätebussen

Obwohl es grundsätzlich bequem wäre, einen einzigen Bus- oder Kommunikationsstandard als die ultimative oder ideale Technologie zu bestimmen, lehrt uns die Geschichte, dass vermutlich mehrere alternative Standards nebeneinander exisitieren werden, da jede Bustechnologie andere Stärken und Schwächen hat. Tabelle 1 fasst die Leistungskriterien des vorhergehenden Abschnitts zusammen. Daraus sollte ersichtlich sein, dass kein Bus in jeder Beziehung überlegen ist.

Tabelle 1: Vergleich der Busleistung

Anwender können die Stärken verschiedener Busse und Plattformen ausnutzen, indem sie hybride Systeme erstellen. Hybride Prüf- und Messsysteme kombinieren Komponenten von Plattformen für modulare Messgeräte wie PXI und VXI mit Stand-alone-Geräten, die über GPIB, USB und Ethernet/LAN angeschlossen sind. Ein Schlüssel zur Erstellung und Wartung eines hybriden Systems ist die Implementierung einer Systemarchitektur, die mehrere Bustechnologien transparent erkennt und für die I/O-Anbindung eine offene, herstellerneutrale Rechnerplattform wie PXI nutzt.

Ein weiterer Faktor für die erfolgreiche Entwicklung eines hybriden Systems besteht darin, sicherzustellen, dass die gewählte Software auf Treiber-, Anwendungs- und Prüfsystemverwaltungsebene modular aufgebaut ist. Zwar bieten einige Hersteller vertikale Softwarelösungen für spezifische Geräte an, eine ideale Systemarchitektur teilt jedoch die Softwarefunktionen in austauschbare modulare Schichten auf, so dass das System weder an eine bestimmte Hardwarekomponente noch einen spezifischen Hersteller gebunden ist. Diese Methode mit Schichten bietet die optimale Wiederverwendbarkeit von Programmcode sowie Modularität und Langlebigkeit. VISA (Virtual Instrument Software Architecture) ist beispielsweise ein herstellerneutraler Softwarestandard für die Konfiguration, Programmierung und Fehlerbehebung von Systemen, die GPIB-, VXI-, RS232/485-, Ethernet-, USB- und/oder IEEE-1394-Schnittstellen umfassen. Es stellt ein nützliches Werkzeug dar, da die Programmierschnittstelle für VISA-Funktionen für unterschiedliche Kommunikationsschnittstellen ähnlich ist.

Mit hybriden System lassen sich die Stärken vieler Arten von Messgeräten vereinen, so auch ältere Ausstattung und spezielle Geräte. Obwohl es verlockend erscheint, eine Lösung für alle Messgeräte zu finden, fordert die Realität vom Anwender, dass er die Messgeräte und entsprechende Bustechnologien auf die Anforderungen der jeweiligen Applikation abstimmt.

Relevante NI-Produkte und Whitepaper

National Instruments, ein führendes Unternehmen in der Automatisierungsbranche, möchte Hardware- und Softwareprodukte zur Verfügung stellen, mit denen Anwender Prüfsysteme der nächsten Generation entwickeln können.

Software:

• NI TestStand – Testmanagementarchitektur 
• NI LabVIEW – grafische Entwicklungsumgebung
• NI SignalExpress – interaktive Messsoftware

Hardware:

• Modulare Messgeräte (Oszilloskope, Multimeter, HF, Schaltmodule u. v. m.)
• Multifunktionsdatenerfassung
• Komponenten für PXI-Systeme (Chassis und Controller)
• Gerätesteuerung (GPIB, USB und LAN) 

Whitepapers

NI bietet den Leitfaden Designing Next Generation Test Systems Developers Guide an. Dieser Leitfaden ist eine Sammlung von Whitepapers, die Sie bei der Entwicklung von Prüfsystemen unterstützen sollen, die Ihre Kosten senken, den Prüfdurchsatz erhöhen und an künftige Anforderungen angepasst werden können. Den gesamten Leitfaden können Sie als PDF (über 90 Seiten) herunterladen oder online ansehen.  

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