Hybride Systeme – Integration von Testsystemen mit mehreren Plattformen und von mehreren Herstellern

Der Leitfaden Designing Next Generation Test Systems Developers Guide 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. Dieses Whitepaper beinhaltet Tipps für die Entwicklung hybrider Prüfsysteme. Den gesamten Leitfaden (120 Seiten) können Sie unter ni.com/automatedtest herunterladen.

Herausforderungen für Entwickler von Prüfsystemen

In den vergangenen Jahren haben sich vielfältige Prüf- und Messplattformen sowie Kommunikationsbusse als mögliche Alternativen für Testanwendungen herauskristallisiert. Die große Auswahl ist zwar vorteilhaft, stellt Systementwickler aber auch vor die Qual der Wahl. Da so viel unterschiedliche Prüfausrüstung erhältlich ist, sind Anwender bei der individuellen Gestaltung ihres Systems flexibler. Sie stehen jedoch auch vor der Herausforderung, Geräte, die auf verschiedenen Plattformen aufbauen, in einem System zu vereinen. Zur Auswahl stehen dafür modulare sowie Stand-alone-Hardware ebenso wie eine Vielzahl an Kommunikationsbussen, darunter USB, Ethernet/LAN und PCI Express. Der Anwender muss sich darüber hinaus entscheiden, ob er die Flexibilität virtueller Instrumente, deren Funktionalität er selbst bestimmt, oder die festgelegte Funktionalität herstellerdefinierter Messgeräte bevorzugt. Da sich Entwickler aufgrund eines begrenzten Zeit- und Budgetrahmens oftmals gezwungen sehen, ihre Testausstattung wiederzuverwenden und da Upgrades und Reparaturen nicht selten die Integration neuer Komponenten erfordern, enthalten die meisten Systeme eine Kombination mehrerer möglicher Bus- und Plattformtechnologien.

Im Folgenden wird die Integration von Komponenten von mehreren Plattformen und Herstellern in ein einziges hybrides System erläutert, das einerseits bereits getätigte Investitionen durch die Wiederverwendung bestehender Hard- und Software wahrt und andererseits die Aktualisierung und Wartung des Systems erleichtert.

Was versteht man unter einem hybriden System?

Hybride Systeme kombinieren Prüf- und Messkomponenten von Plattformen bestehend aus modularen Messgeräten wie PXI und VXI mit Stand-alone-Geräten, die über GPIB, USB und Ethernet/LAN angeschlossen sind. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die Topologie eines hybriden Systems, jedoch ist eine beliebige Anzahl von Kombinationen möglich. Das „Gehirn“ des abgebildeten Systems ist ein PC – entweder ein Standard-PC oder ein Embedded-PXI-Controller. Die Messgeräte selbst umfassen neben PXI- und PCI-Steckkarten auch herkömmliche Geräte, die über GPIB, USB und Ethernet/LAN/LXI an den PC angebunden sind.

 

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Abbildung 1: Mögliche Topologie eines Hybridsystems

Der Schlüssel zur Erstellung und Wartung eines hybriden Systems ist die Implementierung einer Systemarchitektur, die mehrere Bustechnologien transparent aufnimmt und für die I/O-Anbindung eine offene, herstellerneutrale Hardwareplattform nutzt. Werden Computerplattform, Treiber, Anwendung und Testmanagementsoftware wohlüberlegt ausgewählt, lassen sich die Stärken vieler Arten von Messgeräten vereinen, auch die von älterer Ausrüstung und Spezialgeräten. Eine wichtige Rolle spielt die Erkenntnis, dass keine einzelne Plattform oder Bustechnologie alle Anforderungen erfüllen kann, auch wenn jede ganz individuelle Stärken besitzt. GPIB ist beispielsweise mit der breiten Masse der bestehenden Messgeräte kompatibel und eignet sich deshalb gut für wiederverwendete und Spezialausstattung.

PCI und PCI Express bieten hinsichtlich Bandbreite und Latenz die beste Leistung, was besonders für Anwendungen von Bedeutung ist, bei denen große Datenmengen erzeugt oder erfasst werden.

PXI und PXI Express bieten in Bezug auf Bandbreite und Latenz dieselben Spezifikationen wie PCI und PCI Express, verfügen aber darüber hinaus über die industrieweit beste Timing-, Trigger- und Synchronisationsfunktionalität.

Die größte Stärke von USB besteht in der automatischen Erkennung und der einfachen Plug&Play-Anbindung.

Ethernet/LAN ist schließlich die erste Wahl für verteilte oder dezentrale Systeme. Die LXI-Spezifikation ergänzt Ethernet/LAN-Geräte um Synchronisationsfunktionen.

In einem hybriden System fassen der PC und die Software die verschiedenen Hardwarekomponenten zu einem einzigen System zusammen. Der nächste Abschnitt beschreibt detailliert, wie mit einer sorgsam geplanten Systemarchitektur die Hardwareintegration vereinfacht werden kann:

• Integration bestehender/älterer Prüfroutinen in neue Systeme mit minimalem Aufwand
• Introducing future test routines into the system without a complete system redesign
• Vereinfachtes Ersetzen einzelner Mess- und I/O-Geräte

Auswahl der passenden Software

Ein modularer Aufbau der Hard- und Software ist die beste Möglichkeit, Komponenten von mehreren Herstellern und Plattformen in ein einziges hybrides System zu integrieren. Zwar bieten einige Hersteller vertikale Softwarelösungen für spezifische Geräte an, eine ideale Systemarchitektur teilt jedoch die Hard- und Softwarefunktionen in austauschbare modulare Schichten auf, so dass das System weder an eine bestimmte Hardwarekomponente noch an einen spezifischen Hersteller gebunden ist. Abbildung 2 zeigt die Architektur eines solchen Prüfsystems. Diese Methode bietet die optimale Wiederverwendbarkeit von Programmcode sowie Modularität und Langlebigkeit. Die einzelnen Schichten werden im Folgenden näher erläutert.

 

Abbildung 2: Architektur von Prüfsystemen

Die unterste Ebene ist die Geräte-I/O-Schicht. Diese Hardwareschicht enthält die einzelnen Messgeräte, Signalkonditionierung sowie den physikalischen Aufbau. Die Hardware kann in Form von Stand-alone- oder modularen Geräten eingesetzt werden. Die Funktionalität der Messgeräte wird, wie bei virtuellen oder synthetischen Instrumenten, entweder durch die Software festgelegt oder sie wurde bereits vom Hersteller unveränderlich definiert. Verschiedene Gerätebusse, wie etwa PCI, PCI Express, GPIB, Ethernet/LAN/LXI und USB, können zur Kommunikation dienen.

Die Rechenschicht umfasst den Computer, mit dem modulare Messgeräte gesteuert werden und an den Stand-alone-Busse angeschlossen sind. Der Computer ist das Kernstück, gleichermaßen das „Gehirn“ des hybriden Systems. Im Fall von PXI oder VXI kann dies ein robuster Embedded-Controller sein. Es könnte aber auch ein Server oder ein industrieller PC oder auch nur ein Laptop- oder Desktop-PC sein. Die Auswahl hängt ganz von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Bei PCs und PXI-Systemen arbeiten die Komponenten der Rechenschicht mit Standardbetriebssystemen wie Windows und Linux® und verfügen über dieselben Backplane-Technologien wie Standard-PCs, so dass sie leicht austauschbar sind.

Ein äußerst wichtiger, wenn auch eher unscheinbarer Bestandteil der Prüfsoftwarearchitektur, der für die Unterbringung mehrerer Plattformen in hybriden Systemen gebraucht wird, ist die Mess- und Konfigurationsebene. In dieser Schicht wird die Konfiguration ermöglicht und die Hardware abstrahiert. Sie umfasst die Gerätetreiber, welche die Verbindung zwischen Hardware und Software darstellen. Beispiele dafür sind die Virtual Instrument Software Architecture (VISA), IVI und der Measurement & Automation Explorer (MAX).

Bei VISA (Virtual Instrument Software Architecture) handelt es sich um einen herstellerneutralen 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.

IVI (Interchangeable Virtual Instruments) ist ein Standard für Gerätetreiber, der das Ersetzen von Geräten in einem System ermöglicht, da damit nur minimale Änderungen an der Prüfsoftware für spezifische Geräteklassen wie etwa Oszilloskope und Schaltmodule erforderlich sind. In einer Anwendung, die IVI verwendet, kann unabhängig vom Hersteller oder der Bustechnologie ein Gerät durch ein anderes derselben IVI-Klasse ersetzt werden.

MAX ist ein Dienstprogramm von NI, das die Konfiguration von Prüfhard- und -software von einer integrierten Oberfläche aus ermöglicht. Es dient auch zum Import und Export von Kanallisten und Konfigurationen. Die richtige Treibersoftware kann den Austausch einzelner Mess- und I/O-Geräte in einem hybriden System erleichtern, da mit ihr der Prüfcode hardwareunabhängig gemacht werden kann.

Die Applikationsschicht setzt sich aus den einzelnen Prüfprogrammen zusammen, wie z. B. einer DC-Spannungsmessung oder einem Frequenz-Leistungs-Spektrum. Obwohl Anwendungen in so gut wie jeder Programmiersprache geschrieben werden können, gibt es ein paar Entwicklungsumgebungen, die spezielle Werkzeuge für die Anbindung an Prüf- und Messgeräte bieten. Dies sind z. B. LabVIEW (eine grafische Programmierplattform) und LabWindows/CVI (eine ANSI-C-Umgebung), die beide von National Instruments angeboten werden. Sie bieten offene Anbindungsmöglichkeiten mit integrierten Funktionen in der VISA-, IVI-, Ethernet/LAN/LXI- und USB-Kommunikation. Außerdem verfügen sie über eine Reihe von Werkzeugen zur Analyse und Datendarstellung. Bestehende oder ältere Prüfroutinen können durch Aufrufen des bestehenden Programmcodes von der neuen Anwendung in das neue System integriert werden.

Die höchste Ebene, die Systemmanagementschicht, bietet einen Rahmen, um Prüfroutinen in eine Reihenfolge zu bringen sowie um Daten zu protokollieren, Berichte zu erstellen und Benutzerrechte zu verwalten. NI TestStand kann praktisch als Industriestandard für diese Art von Systemmanagementsoftware bezeichnet werden. Unabhängig davon, ob individuelle Tests in LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic, C, C++ oder .NET erstellt wurden, kann NI TestStand dazu beitragen, Testsequenzen schnell zu erstellen und dann deren Ausführung, einschließlich Ressourcennutzung und Berichterstellung, zu verwalten. Die Organisation individueller Prüfroutinen mithilfe einer umfassenden Testmanagementumgebung wie NI TestStand ermöglicht die Aufnahme künftiger Prüfroutinen in das System, ohne dass dieses komplett überarbeitet werden muss.

Die oben abgebildete Schichtenarchitektur stellt einen nützlichen Ansatz für die Hard- und Softwarearchitektur eines hybriden Prüf- und Messsystems dar. Es ist wichtig, immer daran zu denken, dass ohne ein flexibles, modulares Softwaremodell viele der potenziellen Vorteile eines hybriden Systems nicht ausgeschöpft werden können. Der letzte Abschnitt beschäftigt sich mit dem Konzept der Systemarchitektur und bietet ein paar zusätzliche Tipps für die Erstellung eines hybriden Systems.

Entwurf des Systems

Beim Entwurf eines jeden Prüf- und Messsystems bestimmen die Anforderungen des Prüflings bzw. des zu prüfenden Prozesses die erforderliche Funktionalität der Ausstattung. Nachdem diese Anforderungen feststehen, kann der Entwickler mit der Auswahl der Geräte beginnen. In einem hybriden System wird geeignete, bereits vorhandene Ausstattung oft wiederverwendet und durch zusätzlich erforderliche Geräte ergänzt. Manche Messgeräte sind höchst spezialisiert und werden nur von einem bestimmten Hersteller angeboten, doch die meisten, wie etwa Schaltmodule, Digitalmultimeter, Funktionsgeneratoren und Digitalisierer/Oszilloskope, sind in vielfältigen Variationen (Stand-alone und modular) und von zahlreichen Herstellern erhältlich. Bei der Auswahl des passenden Geräts sollten auch künftige Anforderungen hinsichtlich Skalierbarkeit, Austauschbarkeit und Aktualisierung im Auge behalten werden.

Selbst ein einziges Messgerät besitzt oftmals mehrere Anbindungsmöglichkeiten. Einige Hersteller bieten Stand-alone-Geräte, die zwei oder mehr USB-, GPIB-, serielle und LAN/Ethernet-Anschlüsse enthalten. Bei der Auswahl des Geräts und der Schnittstelle sollten nicht nur die grundlegenden Anforderungen des Prüflings an die Messung in Betracht gezogen werden, auch die Anpassung an wachsende Systemanforderungen muss bedacht werden. Dies bedeutet, auf mehr Funktionen als nur Auflösung, Frequenz, Abtastrate und Kanalanzahl zu achten und sich nach vollständiger Messfunktionalität umzusehen. Das Konzept der virtuellen Instrumente erlaubt die Erstellung eines benutzerdefinierten Systems, das leicht an veränderte Anforderungen angepasst werden kann, ohne dass Hardware ersetzt werden muss.

Auch die Anforderungen an Timing und Synchronisation sollten nicht außer Acht gelassen werden. Das Rechenzentrum muss eventuell Tasks zwischen Messgeräten koordinieren oder die Geräte müssen auf eine Weise direkt miteinander kommunizieren, die Hardwaresynchronisation voraussetzt. Beispiele für häufig vorkommende Timing- und Synchronisationsaufgaben sind z. B. Handshaking zwischen Digitalmultimeter und Schalter, Phase-Locked-Loop (PLL) eines Signalgenerators mit einem Digitalisierer oder die Synchronisierung eines HF-Abwärtswandlers mit einem IF-Digitalisierer. Wird die PXI-Plattform als Kernstück eines hybriden Systems gewählt, bietet sie den Vorteil der integrierten Timing- und Triggerfunktionen. Im Gegensatz zu Stand-alone-Messgeräten sind, wenn ein modulares PXI-Gerät an ein PXI-Chassis angeschlossen wird, alle Timing- und Triggerkanäle sofort einsatzbereit, auch der Zugriff auf einen höchst stabilen 10- oder 100-MHz-Systemtakt und Triggerkanäle mit einem Laufzeitunterschied auf Nanosekundenebene ist sofort gewährt. Darüber hinaus stellen PXI-Systeme anspruchsvolle Optionen wie IRIG A, IRIG B und GPS zur Verfügung. Vor allem aufgrund dieser Vorzüge wählen viele Anwender modulare PXI-Geräte für hybride Systeme, die hochgenaue Synchronisation erfordern und als Peripheriegeräte für spezielle Anforderungen oder die Wiederverwendung von Ausstattung angeschlossen sind.

Nach Auswahl der Geräte, Busse und Hardwareplattformen muss noch die Anwendungssoftware erstellt werden. Da die Entwicklung von Testsoftware (wegen der Entwicklungszeit) üblicherweise mehr kostet als die Systemhardware, spielt die passende Software für die Einhaltung des Zeit- und Budgetrahmens eine wichtige Rolle. Um jetzt und in Zukunft Geld zu sparen, sollte die Software für das Prüfsystem auf Grundlage der Schichtenarchitektur entwickelt werden. Die Treiber-, Applikations- und Testmanagementschichten sind dabei vollständig voneinander getrennt. Auch für die Auswahl der geeigneten Treiber sollte etwas Aufwand betrieben werden: IVI eignet sich für maximale Wiederverwendbarkeit und Mobilität, Plug&Play-Treiber bilden einen Kompromiss zwischen Mobilität und Low-Level-Steuerung, wohingegen Direkt-I/Os für noch bessere Low-Level-Steuerung sorgen, allerdings auf Kosten der einfachen Programmierung und Austauschbarkeit.

Zusammenfassung: Erstellung hybrider Systeme

Mit hybriden Systemen können Entwickler flexible modulare Plattformen in kabelgebundene Stand-alone-Messgeräte integrieren und so ein System erstellen, das die Stärken beider Seiten nutzt. Der Schlüssel zur erfolgreichen Integration von modularen PXI- und VXI-Geräten in herkömmliche, über GPIB-, USB- oder LAN/Ethernet-Kabel angeschlossene Geräte besteht in der Schichtenarchitektur des Prüfsystems, die geräte- und herstellerspezifische Belange umgeht.

Relevante NI-Produkte und Whitepaper

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

Software: 

• NI TestStand (Testmanagementarchitektur) 
• LabVIEW (grafische Programmierumgebung)
• Signal Express (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 stellt den Leitfaden Designing Next Generation Test Systems Developers Guide zur Verfügung. Dieser Leitfaden 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. Den gesamten Leitfaden können Sie unter ni.com/automatedtest als PDF (über 90 Seiten) herunterladen oder online ansehen.