Aufbau eines modularen Messsystems für automatisierte Tests

Der Leitfaden Designing Next Generation Test Systems ist eine Sammlung von Whitepapern, die Sie bei der Entwicklung von Prüfsystemen unterstützen sollen, damit Sie Ihre Kosten senken, den Prüfdurchsatz erhöhen und Ihre Systeme an künftige Anforderungen anpassen können. Dieses Whitepaper erklärt die Unterschiede zwischen einer Plattform mit modularen Messgeräten und einer Plattform mit konventioneller Ausstattung. Der gesamte Leitfaden (120 Seiten) kann unter ni.com/automatedtest heruntergeladen werden.

Modulare Messgeräte: Flexible, anwenderdefinierte Software und skalierbare Hardwarekomponenten

Die Tendenz zu immer komplexeren Geräten und zur Annäherung von Technologien hat zur Folge, dass Prüfsysteme immer flexibler sind. Prüfsysteme müssen sich im Laufe der Zeit an Veränderungen der Geräte anpassen lassen, wobei der Kostendruck zugleich verlangt, dass Systeme eine längere Lebensdauer bieten. Diese Ziele können nur mit einer softwaredefinierten, modularen Architektur erreicht werden. Dieses Whitepaper stellt das softwaredefinierte Konzept anhand virtueller Messgeräte vor, präsentiert mögliche Hardwareplattformen und Softwareimplementierungen und erläutert, wie ein modulares System den Ansprüchen automatisierter Prüfsysteme gerecht werden kann.

Grundsätzlich gibt es heute zwei Arten von Messgeräten – virtuelle und traditionelle. Abbildung 1 veranschaulicht beide Architekturen.

Abb. 1: Beim Vergleich der Architekturen von traditionellen und virtuellen Instrumenten wird ersichtlich, dass sie ähnliche Hardwarekomponenten umfassen. Der Hauptunterschied besteht darin, wo die Software sich befindet und ob sie dem Anwender zugänglich ist.

Die Diagramme zeigen die Gemeinsamkeiten beider Möglichkeiten. In beiden Fällen besteht der Ansatz aus Messhardware, Chassis, Netzteil, Bus, Prozessor, Betriebssystem und Benutzeroberfläche. Da beide Ansätze dieselben grundlegenden Komponenten nutzen, liegt der deutlichste Unterschied rein vom Gesichtspunkt der Hardware darin, wie die Komponenten zusammengestellt sind. Ein traditionelles oder Stand-alone-Messgerät vereint alle Bestandteile eines einzelnen Gerätes in einem Gehäuse. Ein Stand-alone-Gerät ist z. B. ein manuelles Messgerät, das über GPIB, USB oder LAN/Ethernet gesteuert wird. Diese Messgeräte sind als eigenständige Einheiten konzipiert und nicht in erster Linie für den Einsatz in Systemen konzipiert. Es gibt zwar eine große Zahl an traditionellen Messgeräten, doch sind Softwareverarbeitung und Benutzeroberfläche bereits festgelegt und können nur aktualisiert werden, wenn der Anbieter dies ermöglicht (beispielsweise durch ein Firmware-Update). Er entscheidet auch darüber, wie eine Aktualisierung erfolgt. Somit ist es für den Anwender unmöglich, Messungen durchzuführen, die nicht zur Liste der Funktionen eines traditionellen Geräts gehören. Dadurch wird es schwierig, Messungen für neue Standards durchzuführen oder das System bei neuen Anforderungen zu ändern.

Dagegen stellt ein softwaredefiniertes virtuelles Messgerät Anwendern die Rohdaten von der Hardware zur Verfügung, so dass sie ihre eigenen Messungen und eine eigene Benutzeroberfläche gestalten können. Mithilfe dieses softwaredefinierten Ansatzes führen Anwender benutzerspezifische Messungen bzw. Messungen für neue Standards durch oder passen das System an veränderte Bedingungen an (z. B. um Messgeräte, Kanäle oder neue Messungen hinzuzufügen). Anwenderdefinierte Software kann auf applikationsspezifischer Stand-alone-Hardware angewendet werden. Idealerweise sollte sie mit universeller, modularer Hardware eingesetzt werden, so dass die volle Flexibilität und Leistung der Messsoftware ausgenutzt werden kann. Diese Kombination flexibler, anwenderdefinierter Software mit skalierbarer Hardware steht im Zentrum der modularen Systemarchitektur.

Modulare Hardware zur Erweiterung von Systemen

Modulare Messgeräte können unterschiedlich aufgebaut sein. In einem guten modularen System werden viele der Komponenten – wie etwa das Gehäuse und das Netzteil – von den Modulen gemeinsam genutzt. Diese Messmodule können unterschiedliche Hardware umfassen, so etwa Oszilloskope, Funktionsgeneratoren, digitale und HF-Module. In manchen Fällen (wie in Abb. 2) ist die Messhardware lediglich ein Peripheriegerät, das an oder in einem der Host-Rechner installiert wird (Peripherieanschluss oder -steckplatz). Hier stellt der Host-PC den Prozessor zur Durchführung der softwareseitigen Messungen sowie das Gehäuse für den Stromanschluss und I/O bereit.

 
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Abb. 2: Messhardware für modulare Messgeräte umfasst beispielsweise ein USB-Peripheriemodul (links) und ein PCI-Express-Steckmodul (rechts).

In anderen Fällen, wie PXI (PCI eXtensions for Instrumentation), eine robuste Plattform für die Bereiche Testen, Messen, Steuern und Regeln, die von über 70 Mitgliedsunternehmen unterstützt wird, befindet sich die Messhardware in einem industrietauglichen Chassis (s. Abb. 3).

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Abb. 3: In diesem Beispiel eines modularen Messsystem werden PXI-Hardware und die grafische Entwicklungssoftware NI LabVIEW verwendet.

In einem PXI-System kann der Host-Rechner im Gehäuse integriert (wie in Abb. 3) oder eine separater Laptop, Desktop oder Server sein, der die Messhardware über eine verkabelte Schnittstelle steuert. Da ein PXI-System dieselben Bussysteme wie ein PC – PCI und PCI Express – sowie handelsübliche Standard-PC-Komponenten nutzt, um das System zu steuern, gilt dasselbe Konzept der modularen Messgeräte bei PCI und PXI. (Allerdings bietet PXI modularen Messgeräten andere Vorteile, wie höhere Kanalanzahl, Portierbarkeit und Robustheit. Weitere Informationen dazu finden Sie unter ni.com/pxi/d.) Unabhängig davon, ob das System PXI, einen Desktop-PC mit integrierten Plug-in-Modulen oder einen Desktop-PC mit peripheren I/O-Modulen nutzt, die gemeinsame Nutzung eines Gehäuses verringert Kosten und sorgt dafür, dass der Anwender die Mess- und Analysesoftware steuern kann. Es gibt zwar etliche Konfigurationsmöglichkeiten für modulare Messgeräte, der entscheidende Unterschied zwischen diesem Ansatz und traditioneller Messgeräte ist aber eine offene Software, mit der der Anwender seine eigenen Messungen definieren kann, wenn sich Tests ändern oder Messungen auf traditionellen Messgeräten nicht verfügbar sind.

Hierbei ist noch wichtig, dass aufgrund dieses modularen Ansatzes die Geräte- oder Kanalsynchronisation im Vergleich zu traditionellen Messgeräten, die ihre Funktion in einem einzigen Gehäuse unterbringen, nicht leidet. Das Gegenteil ist der Fall: modulare Messgeräte sind dafür ausgelegt, in Systeme integriert zu werden. Alle modularen Messgeräte liefern Timing- und Synchronisationsfunktionen über gemeinsame Takte und Trigger. Beispielsweise können zur Erzielung der höchsten Synchronisationsgenauigkeit Basisband-, IF- und RF-Geräte mit weniger als 100 ps Laufzeitunterschied zwischen den Geräten aufeinander abgestimmt werden – was besser ist als der Laufzeitunterschied über mehrere Kanäle desselben Messgeräts hinweg.

Modularität verringert Kosten und Größe, erhöht Durchsatz und verlängert die Lebensdauer

Der Begriff „modular“ wird manchmal falsch angewandt, wenn allein von der Hardwarekonstruktion ausgegangen wird. Es geht bei modularen Messgeräten jedoch um mehr als nur den Aufbau. Anwender sollten von einem modularen Messsystem drei Dinge erwarten: weniger Kosten und Platzbedarf, da Chassis, Backplane und Prozessor gemeinsam genutzt werden, einen schnelleren Durchsatz durch eine Hochgeschwindigkeitsverbindung mit dem Host-Rechner sowie größere Flexibilität und Langlebigkeit durch anwenderdefinierte Software.

Wie erwähnt, teilen sich alle Messgeräte in einem modularen Messsystem Stromversorgung, Chassis und Controller. Stand-alone-Geräte verdoppeln Stromversorgung, Chassis- und Controller-Anzahl für jedes Messgerät, was dann Kosten und Größe erhöht und die Zuverlässigkeit beeinträchtigt. Jedes automatisierte Prüfsystem benötigt einen PC, ganz gleich, welches Bussystem genutzt wird. Eine modulare Architektur, die dieses Steuergerät für alle Geräte gemeinsam einsetzt, verteilt diese Kosten auf das gesamte System. Bei modularen Messsystemen werden Prozessoren mit GHz-Geschwindigkeiten eingesetzt, um Daten zu analysieren und Messungen mithilfe von Software vorzunehmen. Daraus ergeben sich Messungen mit einem zehn bis 100 Mal höheren Durchsatz im Vergleich zu einem Prüfsystem, das sich ausschließlich aus traditionellen Messgeräten zusammensetzt und integrierte, herstellerdefinierte Firmware sowie anwendungsspezifische Prozessoren umfasst. Ein typischer Vektorsignalanalysator beispielsweise führt 0,13 Power-in-Band-Messungen/Sek. aus, während ein modularer Vektorsignalanalysator von NI 4,18 Power-in-Band-Messungen/Sek. durchführen kann.

Modulare Messgeräte erfordern einen Bus mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit und geringer Latenz, damit die Messgerätemodule mit dem gemeinsam genutzten Prozessor zur Durchführung anwenderdefinierter Messungen verwendet werden können. USB ist besonders bedienfreundlich, während PCI und PCI Express (und durch Verlängerung auch die PXI-Plattform, die auf diesen Bussen basiert) die höchste Leistung bei modularen Messgeräten liefern. PCI Express stellt derzeit Steckplätze mit bis zu 4 GB/s bereit. PXI bietet Steckplätze mit einer Bandbreite von bis zu je 2 GB/s und ist somit über 33-mal schneller als Hi-Speed USB, 160-mal schneller als 100 Mb/s Ethernet und sogar 16-mal so schnell wie Gigabit Ethernet (Abb. 4). Peripheriebusse wie z. B. LAN und USB werden immer über einen internen Bus, wie etwa PCI Express, an den PC-Prozessor angebunden und liegen daher bei der Leistung immer etwas zurück. Als Beispiel dafür, welchen Einfluss Hochgeschwindigkeitsbusse auf die Mess- und Prüftechnik haben, soll hier ein modulares Erfassungssystem für die Funk- und Nachrichtentechnik dienen. Ein PCI-Express-x4-Steckplatz (2 GB/s) in einem Desktop-PC oder PXI-System kann auf zwei Kanälen Daten mit 100 MS/s und 16-bit-Zwischenfrequenz direkt an einen Prozessor zur Verarbeitung übertragen. Da weder LAN noch USB diese Anforderungen erfüllen kann, haben Messgeräte, die dieses Leistungsniveau benötigen, immer einen herstellerdefinierten Embedded-Prozessor für Messungen. In diesem Fall sind sie nicht mehr modular.

 

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Abb. 4: PCI und PCI Express bieten die höchste Bandbreite und die geringste Latenz. Dadurch wird die Testzeit verringert und Flexibilität und Langlebigkeit durch anwenderdefinierte Software erzielt.

Bei einem modularen Messgerät ist es die Hochgeschwindigkeitsverbindung zum Host-Rechner, die Flexibilität und Langlebigkeit liefert, denn sie macht es möglich, dass die Software auf dem Host-Rechner statt auf dem Messgerät liegen kann. Dadurch bestimmt der Anwender und nicht der Anbieter die Funktionsweise des Geräts. Diese Architektur erlaubt: 1) Messungen durchzuführen, die nicht so gängig sind, dass sie in einem herstellerdefinierten, nicht modularen Instrument enthalten sind, 2) Messungen für noch nicht freigegebene Standards zu erstellen und 3) Algorithmen zu definieren, die für spezifische Messungen verwendet werden. Das anwenderdefinierte Konzept der Software bedeutet ebenfalls, dass Messungen (und sogar Messgeräte) ergänzt oder geändert werden können, wenn ein neuer Prüfling zu testen ist. Der direkte Softwarezugang ermöglicht auch die Überwachung und Steuerung dieser modularen Geräte am Netzwerk.

Diese Hardwareimplementierungen gehen jedoch nicht zu Lasten der Messleistung. Heute umfassen Messgeräte für die modulare Messgerätetechnik den Digitizer (Oszilloskop) mit der branchenweit höchsten Auflösung, den Signalgenerator mit höchster Bandbreite und das genaueste 7-½-Stellen-Digitalmultimeter.

Software für flexible, benutzerdefinierte Messungen

Die Bedeutung der Software bei modularen Messgeräten kann nicht genug betont werden. Software konvertiert den unbearbeiteten Bit-Strom von der Hardware in eine nützliche Messung. Ein gutes System für die modulare Messgerätetechnik besteht aus mehreren Softwareschichten, darunter I/O-Treiber, Anwendungsentwicklung und Testmanagement (s. Abb. 5).

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Abb. 5: Softwareschichten werden häufig bei einem modularen Messgerätesystem eingesetzt.

Die untere Schicht, Measurement and Control Services (Mess-, Steuer- und Regelungssoftware), gehört zu den entscheidenden Elementen eines modularen Messgerätesystems, wird aber häufig übergangen. Diese Schicht repräsentiert die Treiber-I/O-Hard- und -Softwarekonfigurationswerkzeuge. Diese Treibersoftware ist wichtig, da sie die Verbindung zwischen der Prüfentwicklungssoftware und der Hardware für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik herstellt.

Gerätetreiber liefern einfach zu implementierende High-Level-Funktionen und bilden so die optimale Schnittstelle zu Messgeräten. Jeder Gerätetreiber ist speziell auf ein bestimmtes Gerätemodell zugeschnitten und stellt eine Schnittstelle zu seinen individuellen Funktionen bereit. Die nahtlose Integration des Gerätetreibers in die Entwicklungsumgebung ist von entscheidender Bedeutung, da die jeweiligen Gerätebefehle direkt in die Anwendungsentwicklung eingreifen. Systementwickler benötigen Schnittstellen für Gerätetreiber, die optimal auf die gewählte Entwicklungsumgebung, etwa NI LabVIEW, C, C++ oder Microsoft .NET, ausgerichtet sind.

Zur Mess-, Steuer- und Regelungssoftware gehören ebenfalls Konfigurationswerkzeuge. Diese umfassen Werkzeuge zur Konfiguration und Prüfung von I/O-Modulen und ermöglichen das Speichern von Skalierungs-, Kalibrierungs- und kanalspezifischen Informationen. Diese Werkzeuge sind wichtig für eine schnelle Erstellung, Untersuchung und Wartung eines Messgerätesystems.

Die Software in der Anwendungsentwicklungsumgebung liefert Werkzeuge für die Entwicklung des Programmcodes oder des Ablaufs für die Anwendung. Obwohl die Möglichkeit einer grafischen Programmierung keine Bedingung für ein modulares Gerätesystem ist, nutzen diese Systeme oft grafische Werkzeuge zur besseren Bedienung und schnellen Entwicklung. Bei der grafischen Programmierung werden „Symbole“ bzw. symbolische Funktionen eingesetzt, die die auszuführende Aktion bildlich darstellen (s. Abb. 7). Diese Symbole werden mithilfe von sogenannten Drähten miteinander verbunden, die Daten weiterleiten und die Ausführungsreihenfolge festlegen. LabVIEW stellt die am häufigsten eingesetzte und umfassendste grafische Entwicklungsumgebung der Branche dar.

 

Abb. 5: Programmcode für eine typische Stimulus-Antwort-Applikation unter Einsatz modularer Messgeräte, geschrieben in LabVIEW, 1) erzeugt ein Signal auf einem Signalgenerator; 2) erfasst das Signal mit einem Digitizer/Oszilloskop; 3) führt eine Fast-Fourier-Transformation aus und 4) stellt das Ergebnis der FFT auf der Benutzeroberfläche (Frontpanel) grafisch dar.

Manche Applikationen benötigen eine zusätzliche Schicht für das Softwaremanagement, entweder für die Testausführung oder einen Einblick in die Testdaten. Diese werden in der Schicht für die Software zur Systemverwaltung dargestellt. Für hoch automatisierte Prüfsysteme bietet die Testmanagementsoftware eine Plattform zur Ablaufsteuerung, Verzweigung/Schleifenbildung, Berichterstellung und Datenbankintegration. Das Testmanagementwerkzeug sollte zudem eine enge Anbindung an die Entwicklungsumgebungen ermöglichen, wo der anwendungsbezogene Programmcode erstellt wird. NI TestStand beispielsweise bietet diese Plattform für die Ablaufsteuerung, Verzweigung, Berichterstellung und Datenbankintegration und beinhaltet Anbindungsmöglichkeiten an alle gängigen Entwicklungsumgebungen. Bei anderen Applikationen, die Einblick in große Mengen von Testdaten benötigen, können andere Werkzeuge nützlich sein. Zu diesen Anforderungen gehören etwa ein rascher Zugriff auf große Mengen verteilter Daten, eine konsistente Berichterstellung und eine professionelle Datenvisualisierung. Diese Softwarewerkzeuge unterstützen die Verwaltung, Analyse und Berichterstellung von erfassten und in Simulationen generierten Daten.

Jede Schicht dieser Softwarearchitektur sollte für ein modulares Messgerätesystem in Betracht gezogen werden.

Modulare Messgeräte: Anforderungen automatisierter Tests erfüllen

Da Geräte immer komplexer werden und sehr unterschiedliche Technologien umfassen, müssen auch Prüfsysteme flexibler werden. Auf der einen Seite müssen Prüfsysteme Geräte integrieren können, die sich mit der Zeit ändern, auf der anderen Seite verlangt der Kostendruck eine längere Lebensdauer des Systems. Diese Ziele können mit einer softwaredefinierten, modularen Architektur erreicht werden. Aufgrund von gemeinsam genutzten Komponenten, Hochgeschwindigkeitsbussen und offener, anwenderdefinierter Software, eignen sich modulare Messgeräte für die Anforderungen von automatisierten Prüfsystemen – heute und in Zukunft.

Relevante Produkte und Whitepaper von NI

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:

1. NI TestStand
2. NI LabVIEW (grafische Programmierumgebung) 
3. NI LabVIEW SignalExpress (interaktive Messsoftware)

Hardware:

1. Multifunktionsdatenerfassung
2. Komponenten für PXI-Systeme (Chassis und Controller) 
3. Gerätesteuerung (GPIB, USB und LAN)

Whitepaper:
NI stellt den Leitfaden Designing Next Generation Test Systems Developers Guide zur Verfügung. 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. Der gesamte Leitfaden (120 Seiten) kann unter ni.com/automatedtest heruntergeladen werden.