LXI, USB, PXI Express und andere Standards in einem hybriden Prüfsystem

Neue Standards in der Gerätesteuerung, die auf Kommunikationsbussystemen wie USB und LAN, einschließlich LXI, basieren, zwingen Entwickler dazu, sich mit der Frage auseinanderzusetzen, wie diese Geräte in ihr System integriert werden können. Stand-alone-Messgeräte entwickeln sich immer weiter und nutzen neue Busse und Standards wie etwa USB und LXI. Anwendern stehen damit viele Optionen für die Anbindung von Geräten offen, jede mit ihren eigenen Stärken. Gleichzeitig erfordern viele Prüfsysteme Busse für modulare Messgeräte, wie etwa PXI oder PXI Express. Diese sind für Anwendungen erforderlich, die flexible Software, niedrige Latenz und hohen Datendurchsatz voraussetzen. Deshalb müssen oftmals mehrere Busse miteinander kombiniert oder zusätzliche Busse in ein Prüfsystem integriert werden. Indem sie hybride Prüfsysteme nutzen, die Komponenten mehrerer Plattformen umspannen, können Anwender neue Busse ganz einfach in ein bestehendes Prüfsystem integrieren und so Designkriterien gegeneinander abwägen, von verschiedenen Technologien profitieren und die Lebensdauer ihres Systems verlängern. Um Plattformen wie PXI, PXI Express, VXI, GPIB, USB, LAN/LXI und serielle Busse in ein System zu integrieren, spielt die Software eine wichtige Rolle. Sie gewährleistet die erfolgreiche Integration und die für die Anpassung an wechselnde Bussysteme notwendige Flexibilität.

Genauere technische Informationen hierzu liefert Ihnen unser Webcast „Geräteanbindung mit aktuellen Bustechnologien“ (engl).

  Hybride Prüfsysteme

Beim Design von Prüfsystemen müssen Entwickler oft zahlreiche Aspekte in Betracht ziehen und gegeneinander abwägen. Um allen Systemanforderungen zu entsprechen, kann auf ein hybrides System zurückgegriffen werden. So profitiert der Anwender von den Vorteilen unterschiedlicher Prüfplattformen. So benötigt ein System beispielsweise neben der Softwareflexibilität und dem hohen Durchsatz modularer Gerätebusse wie PXI, PXI Express und PCI Express die speziellen Funktionen eines Stand-alone-Messgerätes, das etwa auf USB oder LAN, einschließlich LXI, basiert. Hybride Prüfsysteme vereinen Komponenten von mehreren ATE-Plattformen wie etwa PXI, PCI, GPIB, VXI, USB und LAN/LXI in einem System. Darüber hinaus lassen sich bei hybriden Systemen neue Komponenten leicht und ohne große Änderungen in ein bestehendes System integrieren. Der Schlüssel zur Erstellung hybrider System liegt in deren Aufbau mit einer erweiterbaren Schichtenarchitektur, die Wartung und Upgrades optimiert.

Durch die Entwicklung hybrider Multiplattform-Prüfsysteme mit der in Abbildung 1 dargestellten Fünf-Schichten-Architektur können Anwender Hardware und Software klar trennen. Die Integration mehrerer Plattformen sowie Wartung und Upgrades werden somit vereinfacht, da nur kleine Änderungen in spezifischen Schichten notwendig sind und das System nicht ganz neu definiert werden muss. Die Architektur beginnt ganz unten mit der Geräte-I/O-Schicht, welche die einzelnen verwendeten Geräte zeigt, die auf mehreren Bussystemen basieren können, darunter PXI, VXI, USB oder LAN/LXI. Darüber befindet sich die Schicht für die PC-Anbindung, welche die integrierten und dezentralen Controller enthält, die zur Steuerung modularer Messgeräte und die Anbindung an verschiedene Stand-alone-Busse dienen. Die nächste Schicht ist die Mess- und Konfigurationsebene mit den Gerätetreibern, die Hardware und Software verknüpfen. An vierter Stelle steht die Applikationsschicht, die aus den individuellen Prüfprogrammen besteht, wie etwa Multimetermessungen oder einem Leistungsspektrum. Am oberen Ende der Architektur ist die Systemmanagementschicht zu finden. Sie bietet einen Rahmen, um Prüfprogramme aufzurufen sowie um Daten zu protokollieren, Berichte zu erstellen und Benutzerrechte zu verwalten.

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Abbildung 1: Die Schichtenarchitektur verleiht Entwicklern die Flexibilität, mehrere Plattformen, wie etwa PXI, USB und LAN/LXI miteinander zu kombinieren und Systeme mit neuen Technologien zu erweitern.

 Bussysteme für Stand-alone-Geräte GPIB, USB und LAN, einschließlich LXI

Für Stand-alone-Messgeräte steht ein Vielzahl von Bussystemen zur Verfügung, u. a. GPIB, USB, LAN (einschließlich LXI) sowie die serielle Schnittstelle. Die unterschiedlichen Gerätebusse haben jeweils eigene Stärken und sind deshalb auch für verschiedene Anwendungsbereiche geeignet. GPIB ist eine bewährte Bustechnologie, mit der sehr viele handelsübliche Geräte ausgestattet sind, während USB besonders wegen der weiten Verbreitung und der einfachen Anbindung geschätzt wird. Mit LAN/LXI können die Anforderungen an verteilte Anwendungen, auch über größere Entfernungen hinweg, angesprochen werden. Die Vielfalt an verfügbaren Gerätebussen erlaubt Anwendern die Auswahl des für sie am besten geeigneten Geräts. Bei der Entscheidung sollten Faktoren wie Messfunktionalität, Bandbreite, Latenz, Leistung und Anbindung in Betracht gezogen werden.

GPIB

Konzipiert für Prüf-, Mess- und Gerätesteuerungsanwendungen hat sich der General Purpose Interface Bus (GPIB) seit 30 Jahren als robuster und zuverlässiger Kommunikationsbus bewährt und ist nach wie vor sehr beliebt. GPIB ist ein paralleler Bus und bietet eine besonders niedrige Latenz. Die Revision IEEE 488.2-1987 erweiterte den Originalstandard um genaue Definitionen, wie die Kommunikation mit Controllern und Geräten mithilfe von GPIB erfolgen soll. Darüber hinaus legte die Revision IEEE 488.1-2003 einen Hochgeschwindigkeitsmodus für die Datenübertragung fest, der die Bandbreite um das 8-fache erhöhte und Anwendern damit für die Gerätesteuerung mit GPIB eine Bandbreite von 8 MB/s zur Verfügung stellte. Da es sich bei GPIB nicht um einen Standardbus für die PC-Industrie handelt, ist er nur selten nativ in PCs enthalten. Stattdessen nutzen Anwender meist eine Steckkarte wie PCI-GPIB oder externe Konverter wie GPIB-USB, um ihren PC um die Funktionalität der GPIB-Gerätesteuerung zu ergänzen. GPIB steht in vielen unterschiedlichen Messgeräten zur Verfügung, von denen sich fast zehn Millionen Exemplare auf dem Markt befinden, und ist schon seit langem ein vorherrschender und etablierter Kommunikationsbus für Stand-alone-Geräte.

USB

Der Universal Serial Bus (USB) hat sich in den letzten Jahren zu einem sehr beliebten Bussystem für Stand-alone-Messgeräte entwickelt. Dies ist seiner Allgegenwärtigkeit auf PCs, der einfachen Bedienbarkeit dank Plug and play sowie der hohen verfügbaren Bandbreite zu verdanken. Da USB-Anschlüsse an Computern inzwischen Standard sind, können Anwender die Vorteile der einfachen Anbindung und Konfiguration nutzen, um USB-basierte Geräte schnell in ihr System zu integrieren. Die Markteinführung von USB 2.0 begründete eine neue Generation von Hochgeschwindigkeitsgeräten, die eine maximale Datenübertragungsrate von 480 Mbit/s erreichen und die minimale Rahmenlatenz von 1 ms auf 250 us reduzieren. Des Weiteren spricht die Spezifikation USB Test and Measurement Class (USBTMC) die Kommunikationsanforderungen zahlreicher Prüf- und Messgeräte an, von einfachen Sensoren bis hin zu Einschubrahmen mit mehreren Messfunktionen. Die USBTMC-Spezifikation legt ein USB übergeordnetes Protokoll fest, das GPIB-ähnliche Kommunikation mit USB-Geräten ermöglicht, so dass sich das USB-Gerät aus der Perspektive des Anwenders genau wie ein GPIB-Gerät verhält. Die Schreibfunktion von VISA lässt sich beispielsweise zum Senden der “*IDN?”-Abfrage und die Lesefunktion von VISA zum Erhalt der Antwort verwenden. Das USBTMC-Protokoll unterstützt Serviceanfragen, Trigger und andere GPIB-spezifische Operationen.

LAN einschließlich LXI

Bei einem Local Area Network (LAN) handelt es sich um eine ausgereifte Technologie, die oft in Prüfsystemen, aber nicht zur Durchführung von Messungen verwendet wird, z. B. für allgemeine Netzwerke und dezentrale Datenspeicherung. LAN ist hervorragend für verteilte Systeme und dezentrale Überwachung geeignet. Da fast alle modernen Computer über einen LAN-Anschluss verfügen, ist LAN zu einem beliebten Kommunikationsbus für Stand-alone-Messgeräte avanciert. Da LAN durch Switches, Router und Repeater große Distanzen unterstützt, müssen Anwender ihre Geräte nicht nahe beieinander positionieren und sind in der Lage, Stand-alone-Messgeräte über das gesamte System hinweg zu verteilen. Darüber hinaus bietet die VXI-11-Spezifikation ein Standardset von Protokollen für die Kommunikation mit nachrichtenbasierten Geräten über TCP/IP. Als Teil dieser VXIbus-Spezifikationen definiert VXI-11 ein Netzwerk-Geräteprotokoll, das über ein TCP/IP-Netzwerk für die Kommunikation zwischen Controller und Gerät verwendet wird. Der Standard LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) definiert Geräteklassen, die auf LAN basieren, und schließt auch optionale Synchronisation nach der IEEE-1588-Technologie sowie optionale Triggerspezifikationen mit dem LXI-Triggerbus mit ein. LXI-Messgeräte bilden ein Subset von Stand-alone-LAN-Geräten. Werden diese zusätzlichen Spezifikationen des LXI-Standards angewendet, können Anwender niederfrequente verteilte und dezentrale Überwachungssysteme um eine Ebene des Timings und der Synchronisation ergänzen.

Trotz all dieser verschiedenen Gerätebusse stehen Anwender bei der Realisierung ihrer individuellen Applikation noch immer vor der Herausforderung, Geräte integrieren zu müssen, die lediglich herstellerdefinierte und proprietäre Funktionaliät bieten. Aufgrund dessen sind sie nur eingeschränkt integrierbar und erweiterbar und erzwingen häufig die Verwendung eines proprietären Softwaremodells. Genauere technische Informationen hierzu liefert Ihnen unser Webcast „Geräteanbindung mit aktuellen Bustechnologien“ (engl).

 Bussysteme für modulare Messgeräte: PCI, PXI, PCI Express und PXI Express

Modulare Messgeräte verschaffen Anwendern die Vorteile offener, herstellerneutraler Standards und flexibler Software und versetzen sie in die Lage, anwenderdefinierte Lösungen für ihre speziellen Anforderungen zu entwickeln. Mithilfe einer modularen Architektur und offener Standards können Anwender Komponenten von verschiedenen Herstellern ganz einfach in ein System integrieren und dieses bei Bedarf erweitern. Da hoher Durchsatz ebenso wie geringe Latenz und Softwareflexibilität zur Verfügung stehen, lassen sich anwenderdefinierte Prüfsysteme erstellen, die viele Ansprüche an die Anwendungsleistung abdecken. Busse zur Anbindung modularer Messgeräte bieten im Vergleich zu Bussen für Stand-alone-Geräte bessere Latenz und erhöhten Durchsatz. So können Anwender vielen Applikationen gerecht werden, z. B. auch dem Daten-Streaming mit hohen Geschwindigkeiten. Indem sie sich das offene Softwaremodell und die Verarbeitungsleistung des PCs zunutze machen, können Anwender alle benötigten Informationen aus den Daten extrahieren, die ihnen die modularen Messgeräte liefern. Dies verleiht Anwendern genug Flexibilität, um ein System mit allen gewünschten Eigenschaften zu entwickeln und nur in die Komponenten investieren zu müssen, die für die jeweilige Applikation erforderlich sind.

PCI und PXI

Peripheral Component Interconnect (PCI) wurde Anfang der 1990er erstmals als Chip-to-Chip-Verbindung eingeführt, die den fragmentierten ISA-Bus ersetzen sollte. Der PCI-Bus erwies sich in vielen Aspekten gegenüber vorherigen Busimplementierungen überlegen, unter anderem in den Bereichen Unabhängigkeit des Prozessors, Bus-Mastering und Plug-and-play-Betrieb. Meist wird der PCI-Bus nicht direkt für die Gerätesteuerung verwendet, sondern dient als Peripheriebus zur Anbindung von GPIB- oder seriellen Geräten für die Gerätesteuerung. Aufgrund der hohen möglichen Bandbreite wird PCI auch als Bus zur Anbindung für modulare Messgeräte genutzt.

PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) kombiniert die Leistungsmerkmale des elektrischen Busses PCI mit dem mechanisch solide konstruierten, modularen CompactPCI-Chassis im Eurocard-Format sowie mit für die Synchronisation konzipierten Bussen und speziellen Softwaremerkmalen. Somit ist PXI eine äußerst leistungsfähige, aber gleichzeitig auch kostengünstige Plattform für Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelsysteme. Daher finden solche Systeme nicht nur Einsatz bei Produktionsprüfung, Maschinenüberwachung und industriellen Tests, sondern auch in den unterschiedlichsten Bereichen wie Verteidigungswesen, Luft- und Raumfahrt und im Automotive-Bereich. Aufgrund der PCI-basierten Kommunikation profitiert PXI von niedriger Latenz und einem hohem Durchsatz von 132 MB/s. Darüber hinaus bietet PXI zusätzliche Timing- und Triggerfunktionen in Form eines 10-MHz-Referenztakts, eines Triggerbusses mit acht Kanälen und von STAR-Trigger-Kanälen. Dies ermöglicht dedizierte Triggerkanäle mit einem Laufzeitunterschied zwischen Modulen unterhalb einer Nanosekunde. PXI wird gern als Plattform für modulare Systeme genutzt und stellt durch kompakte, leistungsstarke Messhardware mit integrierten Timing- und Synchronisationsfunktionen eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Stand-alone-Messgeräten dar.

PCI Express

Mit den immer weiter ansteigenden Anforderungen von PC-Anwendungen stößt der PCI-Bus in vielen Situationen an seine physikalischen Grenzen. Infolgedessen hat die PCI Special Interest Group (PCI-SIG) den Standard PCI Express eingeführt. Hauptziele waren dabei eine skalierbare, kostengünstige Schnittstelle, die für verschiedene Märkte interessant ist, sowie die Kompatibilität mit bestehenden PCI-Treibern und Anwendungssoftware. Die Kompatibilität mit dem PCI-Adressierungsmodell wird beibehalten, um sicherzustellen, dass alle bestehenden Anwendungen und Treiber unverändert arbeiten. PCI Express ist eine Weiterentwicklung von PCI und stellt über eine einfache Lane einen Datendurchsatz von 250 MB/s in jede Richtung (x1-Implementierung) oder, bei Kombination mehrerer Lanes, bis zu 4 GB/s (x4-Implementierung) zur Verfügung. Außerdem stellt PCI Express durch die Peer-to-peer-Anbindung jedes Steckplatzes jedem Steckplatz eine dedizierte Bandbreite zur Verfügung, ganz im Gegensatz zur geteilten Bandbreite bei PCI. Bei der Entwicklung von PCI Express wurde besonders auf die Kompatibilität geachtet. Die durchdachte Schichtenarchitektur gewährleistet die Skalierbarkeit für künftige Generationen von Bustechnologien sowie die Softwarekompatibilität mit PCI. Wie PCI wird auch PCI Express nur selten direkt für die Gerätesteuerung für Stand-alone-Messgeräte verwendet, sondern dient als Peripheriebus zur Anbindung von GPIB-Modulen an PCs. Wegen seiner enormen Geschwindigkeit kann PCI Express ideal als Bussystem für modulare Messgeräte eingesetzt werden.

PXI Express

Genauso wie die schnelle Verbreitung von PXI durch die Verwendung von PCI in der Kommunikations-Backplane vorangetrieben wurde, ist PXI durch die Integration von PCI Express in den PXI-Standard in der Lage, die Anforderungen von noch mehr Anwendungsgebieten abzudecken. Durch die Verwendung der PCI-Express-Technologie in der Backplane erhöht  Genauso wie die schnelle Verbreitung von PXI durch die Verwendung von PCI in der Kommunikations-Backplane vorangetrieben wurde, ist PXI durch die Integration von PCI Express in den PXI-Standard in der Lage, die Anforderungen von noch mehr Anwendungsgebieten abzudecken. Durch die Verwendung der PCI-Express-Technologie in der Backplane erhöht PXI Express den möglichen Datendurchsatz um mehr als das 45fache von 132 MB/s auf 6 GB/s. Die Hard- und Softwarekompatibilität mit PXI-Modulen bleibt dabei erhalten. Diese verbesserte Leistung erschließt PXI viele neue Anwendungsbereiche, die bisher häufig teure und proprietäre Hardware erforderten. Dank der Softwarekompatibilität von PCI Express wird die Standardsoftwarearchitektur von PXI auch für PXI Express genügen. Um auch Hardwarekompatibilität zu liefern, definiert die neue CompactPCI-Express-Spezifikation einen neuen Hybridsteckplatz, der es Anwendern ermöglicht, sowohl Module mit einer PCI- als auch mit einer PCI-Express-Architektur an den Steckplatz anzubinden. Mithilfe dieser Technologie und der Hard- und Softwarekompatibilität können Anwender und Hersteller bisherige Investitionen in PXI-Systeme und -Produkte weiterhin nutzen.den möglichen Datendurchsatz um mehr als das 45fache von 132 MB/s auf 6 GB/s. Die Hard- und Softwarekompatibilität mit PXI-Modulen bleibt dabei erhalten. Diese verbesserte Leistung erschließt PXI viele neue Anwendungsbereiche, die bisher häufig teure und proprietäre Hardware erforderten. Dank der Softwarekompatibilität von PCI Express wird die Standardsoftwarearchitektur von PXI auch für PXI Express genügen. Um auch Hardwarekompatibilität zu liefern, definiert die neue CompactPCI-Express-Spezifikation einen neuen Hybridsteckplatz, der es Anwendern ermöglicht, sowohl Module mit einer PCI- als auch mit einer PCI-Express-Architektur an den Steckplatz anzubinden. Mithilfe dieser Technologie und der Hard- und Softwarekompatibilität können Anwender und Hersteller bisherige Investitionen in PXI-Systeme und -Produkte weiterhin nutzen.

 Die Bedeutung der Softwarearchitektur

Hybride Systeme ermöglichen die kombinierte Nutzung von Bussen für modulare Messgeräte gemeinsam mit handelsüblichen Busschnittstellen für Stand-alone-Geräte. Anwender profitieren deshalb von der hohen Geschwindigkeit und Flexibilität modularer Messgeräte und können bestehende oder spezialisierte Stand-alone-Geräte verwenden. Die verwendete Softwarearchitektur spielt eine tragende Rolle für die Integration der verschiedenen Plattformen in ein System und auch für die flexiblen Anpassungsmöglichkeiten an wechselnde Bustechnologien. Mit der Zunahme an kommerziellen Bussystemen gewinnen die Softwareschichten der hybriden Architektur sogar noch mehr an Bedeutung. Da sich kommerzielle Busse definitionsgemäß sehr schnell ändern, ist die Softwareschicht besonders wichtig, da sie eine Abstraktionsebene zur Verfügung stellt, die an veränderte kommerzielle Busse angepasst werden kann.

Ein wesentlicher Bestandteil der Softwarearchitektur ist die als „Mess- und Steuerungssoftware“ bezeichnete Ebene, die flexible Gerätetreiber umfasst, welche Hard- und Software verknüpfen und die Konfiguration und Integration der Hardware mit dem Prüfcode vereinfachen. Für die nahtlose Integration von Hardware und Software sind Treiber erforderlich, die schnell arbeiten, flexibel programmierbar sind und eine konsistente und skalierbare Programmierschnittstelle (Application Programming Interface, API) bieten. Der Standard Virtual Instrumentation Software Architecture (VISA) stellt eine gängige API zur Verfügung, mit der unabhängig vom verwendeten Bus mit der Treibersoftware kommuniziert werden kann. VISA umfasst einen Standardsatz an Funktionsaufrufen zur Kommunikation mit Geräten, die u. a. auf PXI, VXI, GPIB, LAN/LXI basieren. Da unter VISA die Austauschbarkeit von Controllern und Bussen gegeben ist, können die verwendeten Controller ausgewechselt werden. Darüber hinaus bilden Gerätetreiber ein Kernstück jeder Anwendung, da sie die Gerätefunktionalität auf angemessene Art und Weise abstrahieren, so dass sie in der jeweiligen Entwicklungsumgebung angewendet werden kann. Als Standard für Gerätetreiber erweisen sich Treiber des Typs Interchangeable Virtual Instrument (IVI) als nützlich für den Austausch von Geräten, da sie es Anwendern ermöglichen, Messgeräte in einem System zu ersetzen, ohne dass sie die Prüfsoftware für spezielle Geräteklassen wie etwa Oszilloskope oder Schaltmodule anpassen müssen. Ein Treiber für ein IVI-Gerät, das einer dieser Klassen entspricht, kann durch ein anderes Gerät derselben Klasse ersetzt werden, unabhängig vom Hersteller oder der Busanbindung. Beispielsweise kann ein Anwender, der IVI-Treiber verwendet, denselben Programmcode für die Kommunikation mit einem PXI-, VXI-, GPIB- oder LAN/LXI-Messgerät nutzen.

 Fazit

Hybride Prüfsysteme erlauben Anwendern, die Busse für modulare Messgeräte mit Peripheriebussen für Stand-alone-Geräte zu kombinieren. Um von den neuen Bustechnologien wie PXI und PXI Express oder von USB- und LAN/LXI-Geräten zu profitieren, können Entwickler ein hybrides Prüfsystem erstellen und darin verschiedene Plattformen „unter einem Dach“ zusammenfassen. Da dies möglich ist, können Anwender die hohe Geschwindigkeit, Flexibilität und benutzerdefinierbare Software, die mit Bussen für modulare Messgeräte zur Verfügung stehen, gemeinsam mit Stand-alone-Geräten verwenden. Der Schlüssel zur erfolgreichen Integration von Messgeräten, die auf Bustechnologien wie PXI, USB oder LAN/LXI basieren, in ein System besteht darin, sich die Softwarearchitektur und die Abstraktion zunutze zu machen, die Werkzeuge wie VISA und IVI bieten. Mit dieser Software verfügen Anwender sogar bei sich ändernden handelsüblichen Bussystemen stets über eine Abstraktionsschicht, die den Einfluss dieser Änderungen minimiert.

Weitere Informationen:

• Webcast „Geräteanbindung mit aktuellen Bustechnologien“ (engl.)
• Whitepaper: LAN/LXI für die Gerätesteuerung – das steckt dahinter

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