LAN/LXI für die Gerätesteuerung – das steckt dahinter

Einführung in LAN

Bei LAN handelt es sich um einen von mehreren verschiedenen Bussen, die beim Anschluss von Messgeräten an einen PC zum Einsatz kommen. Zwar wird oft behauptet, dass LAN (oder eines der anderen Bussysteme) sich ideal für alle Arten von Anwendungen eignet, doch besitzt in der Realität jeder Bus seine eigenen Stärken und Schwächen, so dass Systeme in der Regel mehrere Bustechnologien in einer gemeinsamen Softwarearchitektur nutzen. So eignet sich LAN insbesondere für verteilte Anwendungen, aber nicht notwendigerweise auch für Messungen am Labortisch oder automatisierte Tests. In diesem Beitrag sollen LAN und dessen Einsatz für die Gerätesteuerung genauer beleuchtet werden. Zudem soll auf LXI (LAN eXtentions for Instrumentation), den aufkommenden Standard für LAN-basierte Geräte, näher eingegangen werden.

LAN bzw. Ethernet wurde als ein Standard zur Vernetzung von Rechnern konzipiert. Diese Anschlusstechnik ist allgegenwärtig – jeder von uns nutzt sie, um seinen PC an andere Rechner oder das Internet anzuschließen. Die offensichtlichste Stärke dieses Bussystems ist die große mögliche Distanz zwischen den einzelnen Knotenpunkten, die durch den Einsatz von LAN-Switches und -Routern nahezu grenzenlos ist. Besonders dann, wenn Messungen über weite Distanzen durchgeführt werden müssen oder Messgeräte nah an die Datenquelle, aber weit vom Steuerrechner entfernt platziert werden müssen, wird der Vorteil dieses Bussystems deutlich. Ist das Netzwerk richtig konfiguriert und sicher, so kann LAN auch für Ferndiagnosen eingesetzt werden, z. B., wenn die Konfiguration eines Messgerätes überprüft werden soll, das sich nicht direkt am Messplatz befindet.

Ferner eignet sich LAN hervorragend für verteilte Datenverarbeitungssysteme. Bedient man sich eines LAN-Netzwerks, so können mehrere Datenverarbeitungselemente elegant miteinander verbunden werden und miteinander als gleichrangige Arbeitsstationen kommunizieren. So kann beispielsweise eine hochperformante Analyseanwendung verschiedene Verarbeitungsaufgaben an mehrere über LAN mit ihr vernetzte PCs übergeben, so dass die Verarbeitungsleistung gesteigert wird. Oder lokale Knoten in einer verteilten Datenprotokollierungsapplikation sind nun in der Lage, Datenprotokollierungs-, Steuer- sowie Regelaufgaben via Netzwerk zu erledigen und ausschließlich die erforderlichen Daten über dieses Netzwerk zu übertragen.

Und schließlich ist LAN auch für die Gerätesteuerung attraktiv, da es – wie USB und zuvor RS-232 und die parallele Schnittstelle – standardmäßig auf nahezu allen Desktop-PCs vorhanden ist.

Doch auf der anderen Seite hat LAN auch einige Schwächen vorzuweisen, vor allem dann, wenn es in nicht verteilten Anwendungen wie z. B. in bei Messungen am Labortisch oder in Messschränken zum Einsatz kommt. Zu den Nachteilen gehören u. a.:

• Komplexes Konfigurieren
• Mangel an auf dem Markt verfügbaren LAN-Geräten

Der Datendurchsatz über einen Bus wird durch die Latenzzeiten und die Bandbreite des Busses bestimmt. Die Latenz bestimmt die Verzögerung bei der Datenübertragung, während die Bandbreite, normalerweise in MB/s angegeben, die Übertragungsrate der Daten über den Bus darstellt. Eine geringere Latenzzeit trägt zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit von Anwendungen bei, bei denen eine Vielzahl kleinerer Befehle oder Datensätze übertragen werden muss. Eine höhere Bandbreite wiederum ist insbesondere wichtig für Applikationen zur Signalverlaufserzeugung oder Datenerfassung. Abbildung 1 vergleicht Latenz und Bandbreite verschiedener Busse zur Gerätesteuerung. Auf der Y-Achse ist die Bandbreite aufgetragen, die nach oben hin zunimmt bzw. besser wird, während die X-Achse die Latenz zeigt, welche nach rechts hin abnimmt bzw. sich ebenfalls verbessert. Während schnellere Varianten wie etwa Gigabit LAN über genügend Bandbreite für vielerlei Applikationen verfügen, stellt die Latenz von LAN eine der unvorteilhaftesten dar, die heutige Bustechnologien bieten, so dass die Leistungsfähigkeit vieler Messanwendungen eingeschränkt wird. Abbildung 2 zeigt beispielhaft einen gängigen Vergleichstest von Digitalmultimeter-/Schaltanwendungen. Wie zu sehen ist, weist die LAN-Schnittstelle hier eine erheblich geringere Leistungsfähigkeit auf als USB oder GPIB.

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Abbildung 1: LAN bietet eine hohe Bandbreite, aber zu hohe Latenzzeiten, wodurch es sich für gewisse Anwendungen weniger gut eignet.

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Bei datenintensiven Applikationen erfordert die Kommunikation über LAN erhebliche Datenverarbeitungsleistung, da der Protokollstapel in Software implementiert ist. Eine verbreitete Faustregel zur Errechnung der CPU-Rechenleistung, die erforderlich ist, um die Datenübertragungsgeschwindigkeit über eine bestimmte Ethernetverbindung zu errechnen, ist die "Bit-pro-Hertz"-Regel^¹. Laut dieser wird für jedes Bit pro Sekunde, während derer Netzwerkdaten verarbeitet werden, ein Hertz an CPU-Rechenleistung benötigt. Somit erfordert eine Gigabit-LAN-Verbindung etwa ein Gigahertz an Rechenleistung, wenn Daten mit höchster Übertragungsrate mittels eines modernen Desktop-Rechners übermittelt werden. Bei Hochgeschwindigkeitssystemen kann es also durchaus sein, dass die CPU der Kommunikationsschnittstelle mehr Leistung zur Verfügung stellen muss als der eigentlichen Anwendung. Dies führt insbesondere in solchen Systemen zu Engpässen, bei denen ein hoher Datendurchsatz erforderlich ist, z. B. bei modularen Systemen, bei denen es kritisch ist, dass der Bus die Daten zurück an einen Host-Prozessor überträgt.

Der Ressourcenaufwand bei LAN-basierten Systemen kann in zweierlei Hinsicht zu erhöhten Kosten für ein LAN-Gerät beitragen. Zum einen wird in Hochgeschwindigkeitssystemen mit großer Wahrscheinlichkeit ein Desktop-PC oder ein Rechner der Server-Klasse benötigt, um den TCP/IP-Stapel zu verarbeiten. Zum anderen muss der Geräteentwickler die Datenverarbeitung ins Gerät integrieren, um die Daten zu reduzieren, wenn über LAN keine Echtzeit-Datenübertragungsraten möglich sind. Dies führt nicht nur zu erhöhten Kosten, sondern schränkt auch die Flexibilität des Anwenders ein.

Ein weiterer Nachteil von LAN ist der versteckte Konfigurationsaufwand, der betrieben werden muss, um ein Netzwerk aufzubauen. Dies wird sichtbar, wenn man den Vergleich zu USB-basierten Systemen zieht. LAN erfordert eine IP-Adresse sowie weitere Netzwerkkonfigurationen und unterliegt auf dem jeweiligen Netzwerk unter Umständen gewissen IT-Richtlinien. Viele der eigentlichen Vorteile eines LAN-Geräts in Bezug auf Ferndiagnose können durch solche IT-Vorgaben eines Unternehmens wie etwa Firewalls oder andere Netzwerksicherheitssysteme sogar eliminiert werden.

Obwohl Ethernet schon länger existiert als GPIB und bereits seit mindestens 15 Jahren in der Gerätesteuerung eingesetzt wird, ist und bleibt es ein "Nischenbus" für diesen Bereich. Nach wie vor gibt es nur ein paar Hundert LAN-Geräte im Vergleich zu mehr als 10000 GPIB-gesteuerten Messinstrumenten². Heute wird LAN hauptsächlich in Systemen eingesetzt, bei denen größere Distanzen zwischen Geräten überbrückt werden müssen. In Desktop-Anwendungen kommen am häufigsten GPIB und USB zum Einsatz und im Validierungs- und Produktionsbereich sind GPIB und modulare Systeme wie PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) die beliebtesten Alternativen. Selbstverständlich werden häufig auch mehrere verschiedene Busse miteinander zu Hybridsystemen kombiniert, wobei die eigentliche Geräteschnittstelle in Software abstrahiert wird.

LXI-kompatible LAN-Geräte

Im Jahr 2005 brachte eine Gruppe von Herstellern im Mess- und Automatisierungsbereich eine Spezifikation für einen Standard namens LXI auf den Markt. LXI ergänzt Stand-alone-Geräte um einige weitere Funktionen wie die Möglichkeit, das Instrument über eine Standard-HTML-Seite zu konfigurieren und enthält Vorschläge für die ideale Vorgehensweise bei der Implementierung von LAN-Geräten in ein System. Zudem beschreibt die LXI-Spezifikation optimale Timing- und Synchronisationsfunktionen wie etwa die Zeitsynchronisation gemäß IEEE-1588 oder busgesteuerte Hardwaretrigger. (Diese Funktionen sind für bestimmte Klassen von LXI-Geräten erforderlich.) In Abbildung 3 werden die Funktionen von LXI und diejenigen bereits vorhandener LAN-Geräte verglichen.

Abbildung 3: Vergleich der Funktionalität von LAN- und LXI-Geräten

IEEE-1588 gestattet die Synchronisation über ein LAN-Netzwerk. Mithilfe spezialisierter LAN-Hardware sind IEEE-1588-basierte Geräte in der Lage, eine zeitliche Synchronisation mit einer Genauigkeit von +-100 ns zu erreichen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist IEEE-1588 besonders für Anwendungen mit geringen Erfassungsraten (unterhalb von 1 MS/s) attraktiv, die eine Synchronisation der einzelnen Systemkomponenten über große Distanzen hinweg erfordern. Beim Hardware-Trigger-Bus in LXI handelt es sich um eine Reihe gemeinsam genutzter LVDS (Low-Voltage Differential Signaling; differentielle Signale kleiner Spannung), die mittels spezieller Kabel eine höhere Synchronisationsgenauigkeit über kurze Distanzen hinweg liefern.

Die meisten LXI-Geräte sehen ähnlich aus wie bereits auf dem Markt erhältliche LAN-Instrumente – bei einem Großteil der neueren LXI-Instrumente handelt es sich sogar um aktualisierte Versionen älterer Produkte. LXI-Geräte, die diese optionalen Synchronisationsfähigkeiten aufweisen, eignen sich sehr gut für Applikationen, deren Messkomponenten über größere Strecken hinweg verteilt sind.

Hybridsysteme: das Beste aus jedem Bussystem

In der Regel kommen in einem System mehrere Bustechnologien zum Einsatz. Modulare Systemarchitekturen ermöglichen es, die Vorteile eines jeden Systems zu nutzen. So lässt sich beispielsweise ein PXI-basiertes System zur Hochgeschwindigkeits-Signalerfassung und -erzeugung erstellen, das an GPIB- und USB-Geräte angeschlossen werden kann und gleichzeitig über LAN Daten an andere Anwendungen überträgt. Bei der Anschaffung eines Messgeräts sollte auf jeden Fall sichergestellt werden, dass es über einen entsprechenden Gerätetreiber verfügt, so dass der Anwender bequem ein Hybridsystem in der Software seiner Wahl erstellen kann.

Weitere Informationen sind in den Whitepapers Hybride Systeme - Integration von Testsystemen mit mehreren Plattformen und von mehreren Herstellern sowie Die Leistung von Bussystemen - Verschiedene Bustechnologien für die Gerätesteuerung zu finden.

Literaturverzeichnis

1. Yeh, Eric et. al., Introduction to the TCP/IP Offload Engine, 10 Gigabit Ethernet Alliance, April 2002
2. Informationen zu Gerätetreibern unter ni.com/idnet

Relevante NI-Produkte und -Whitepapers

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

Software:

• NI TestStand (Testmanagementarchitektur)
• LabVIEW (grafische Programmierumgebung)
• SignalExpress (interaktive Messsoftware)

Hardware:

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

Whitepapers

NI gibt dem Anwender den Leitfaden Designing Next Generation Test Systems Developers Guide an die Hand. Hierbei handelt es sich um eine Sammlung von Whitepapers, die den Leser bei der Entwicklung von Prüfsystemen, die Kosten senken, den Prüfdurchsatz erhöhen und an künftige Anforderungen angepasst werden können, unterstützen sollen.

Den gesamten Leitfaden können Sie als PDF (mehr als 90 Seiten) herunterladen oder online lesen.

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