Das passende Bussystem für Ihre Digitizer/Oszilloskop-Anwendung

Digitizer/Oszilloskope von National Instruments stehen in zahlreichen Formfaktoren zur Verfügung, darunter USB, PCI, PXI und PXI Express. Jeder Bus bietet spezielle Funktionen und Vorteile. Aus diesem Grund spielt die Bestimmung des passenden Bussystems für Ihre Anwendung eine wichtige Rolle. In diesem Dokument werden wichtige Überlegungen im Zusammenhang mit der Auswahl eines Busses betrachtet, wie beispielsweise finanzielle Einschränkungen, Leistung und zukünftige Erweiterbarkeit.

USB

Nahezu alle PCs, Laptops und industriellen Computerplattformen stellen mehrere USB-Anschlüsse bereit. Dies trägt dazu bei, dass USB mehr und mehr zu einem Synonym für Portabilität und Bedienfreundlichkeit wird. USB kann sehr schnell installiert werden und nach der Installation sind zudem keine weiteren Schritte oder Konfigurationen erforderlich, wenn ein USB-Gerät mit einem Host-Rechner verbunden wird. Da USB bei laufendem Betrieb ausgetauscht werden kann, muss der Computer nicht heruntergefahren werden, um ein Gerät zu ergänzen oder zu entfernen. Diese Eigenschaften vereinfachen das Einrichten und sorgen für mehr Mobilität.

Durch die oben beschriebenen Eigenschaften eignet sich USB ideal für Digitizer/Oszilloskope und andere Messgeräte. Erfolgt die Stromversorgung über den Bus, kann ein USB-Gerät wie etwa das NI USB-5133 mit einem Laptop genutzt werden, um fast überall Oszilloskopmessungen durchzuführen. Der Plug-and-play-Betrieb ermöglicht schnelle Messungen und eine einfache Visualisierung. Insgesamt gesehen ist USB für Anwendungen am besten geeignet, die Portierbarkeit oder eine schnelle Einrichtung erfordern. Allerdings benötigen viele Anwendungen auch Funktionen, die über die Fähigkeiten von USB hinausreichen. Hoher Datendurchsatz (einschließlich der Möglichkeit, eine Erfassung mit hoher Abtastrate aufrechtzuerhalten), Geräteintegration und höhere Auflösung gehören zu den wenigen Merkmalen, für die ein anderes Bussystem besser geeignet ist.

PCI und PCI Express

PCI und PCI Express bieten eine bessere Leistung für automatisierte Prüfanwendungen. Fast jeder Computer verfügt über PCI- oder PCI-Express-Steckplätze. Einer der wichtigsten Vorzüge von PCI ist sein hoher Datendurchsatz, der theoretisch bei bis zu 132 MB/s liegt. Wenn der erzielbare Durchsatz auch von der Anwendung abhängt, so ist der Datendurchsatz bei PCI dennoch viel höher als bei USB. PCI Express, die Nachfolgegeneration von PCI, bietet Abwärtskompatibilität zu PCI und erhöht den Datendurchsatz um ein Vielfaches – bis zu 1 GB/s für eine 4-fach-PCI-Express-Verbindung (x4 Lane).

Ingenieure wählen den PCI-Bus oft wegen seines Durchsatzes für Digitizer/Oszilloskop-Anwendungen, wenn die Anwendung nur einen Digitizer erfordert. Mit zunehmendem Einsatz von PCI-Messgeräten wächst aber auch die Anzahl verfügbarer Geräte, um Anwendungen gerecht zu werden, die höhere Abtastraten, eine größere Auflösung oder mehr Kanäle benötigen. Im Allgemeinen bietet der PCI-Formfaktor mehr unterschiedliche Messungen als USB und PCI erlaubt einen höheren Datendurchsatz für automatisierte Prüfanwendungen oder für erweiterte Datenerfassung mit Digitizern/Oszilloskopen. PCI hat somit zwar viele Vorzüge, doch benötigen Anwendungen oft noch weitere Oszilloskopfunktionen, wie beispielsweise die Integration mehrerer Messgeräte, Synchronisation für genauere Messungen sowie eine höhere Systemzuverlässigkeit.

PXI und PXI Express

PXI und PXI Express bieten die beste Leistung und die besten Merkmale für automatisierte  Prüfanwendungen. Die Spezifikation PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) definiert eine PC-gestützte Plattform, die eine modulare Architektur mit dem hohen Durchsatz der Bussysteme PCI und PCI Express vereint. PXI Express erweitert die PXI-Plattform, um so den höheren Datendurchsatz von PCI Express nutzen zu können. Ein modulares Messsystem auf Grundlage von PXI bietet mehrere Vorteile, darunter vergleichsweise geringe Kosten und Platzbedarf, da Chassis, Backplane und Prozessor gemeinsam genutzt werden. Sie erlauben einen schnelleren Durchsatz durch eine Hochgeschwindigkeitsverbindung mit dem Host-Rechner sowie größere Flexibilität und Langlebigkeit durch anwenderdefinierte Software.

Hocher Durchsatz

PXI gehört zu den für Digitizer/Oszilloskop-Anwendungen am häufigsten eingesetzten Bussystemen. Einer der wichtigsten Gründe für die weite Verbreitung ist die Ausnutzung der Vorteile des PCI-Busses. Der Einsatz eines Busses mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit und geringer Latenz zur Anbindung des Digitizers an den Prozessor des Steuerrechners ermöglicht selbst anwenderdefinierte Messungen. Zudem ist die Wartezeit zwischen einzelnen Messungen kurz, was sich in kürzeren Prüfzeiten und geringeren Kosten pro Prüfling niederschlägt.

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Abb.: 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.

Ein Bussystem, das hohe Bandbreiten liefert, bietet nicht nur für automatisierte Prüfanwendungen Vorteile. Die PXI-Plattform, die PCI und PCI Express nutzt, ermöglicht auch Streaming-Anwendungen. Da beispielsweise ein PXI-Express-x4-Steckplatz Daten mit fast 1 GB/s übertragen kann, ermöglicht die Kombination eines PXI-Express-Digitizers mit einer RAID-Festplatte, dass die maximale Abtastrate des Digitizers über lange Zeiträume hinweg aufrechterhalten werden kann. Der Vorteil davon ist ein praktisch unbegrenzter Onboard-Speicher. Wird beispielsweise der Digitizer NI PXIe-5122 (100 MS/s) zusammen mit dem RAID-Array NI HDD-8264 (3 TB) eingesetzt, können Anwender Daten mit der maximal möglichen Abtastrate über Stunden hinweg erfassen. Bei anderen Bussen wie etwa GPIB, LXI oder USB ist hingegen nur eine Erfassung von wenigen hundert Millisekunden möglich.

Timing and Synchronization

Viele Mess- und Automatisierungsanwendungen benötigen erweiterte Timing- und Synchronisationsfunktionen, die nicht direkt über Busse, wie z. B. PCI, PCI Express, Ethernet, LAN und USB, implementiert werden können. Die Plattform PXI bietet für diese Anwendungen anspruchsvolle Timing- und Synchronisierungsfähigkeiten:

• Differenzieller Referenztakt von 100 MHz
• 10-MHz-Referenztakt
• Differenzieller Star-Trigger
• Star-Trigger-Bus mit meanderförmig angelegten Triggerleitungen gleicher Länge, die Verzögerung und Laufzeitunterschied zwischen Modulen minimieren
• Triggerbus zum Senden und Empfangen von Hochgeschwindigkeitssignalen für Timing und Triggerung
• Differenzielle Signale für die Synchronisation mehrerer Chassis

Mithilfe dieser Funktionen können mehrere NI-Digitizer und andere Mixed-Signal-Messgeräte (Signalgeneratoren, Digitalsignalgeneratoren und -analysatoren) mit einer Genauigkeit im Pikosekundenbereich synchronisiert werden, so dass auch die Anforderungen von Anwendungen mit hoher Kanalanzahl sowie von Mixed-Signal-Applikationen erfüllt werden.

Systemzuverlässigkeit

In der PXI-Spezifikation sind Anforderungen an PXI-Digitizer definiert, die den Einsatz in rauen Umgebungen ermöglichen. PXI-Module umfassen die äußerst leistungsfähigen IEC-Stecker und die soliden Chassis im Eurocard-Format, wie sie auch für CompactPCI eingesetzt werden. PXI definiert zudem spezielle Anforderungen an die Kühlung und die Belastbarkeit, so dass ein PXI-System auch in rauen Industrieumgebungen funktionstüchtig ist. Aufgrund der Modularität ist die Konfiguration, Neukonfiguration und Reparatur eines PXI-Systems ein Leichtes und die mittlere Reparaturzeit fällt gering aus. Da PXI modular angelegt ist, können einzelne Module und Komponenten durch neuere ersetzt werden, ohne dazu das gesamte System auszutauschen. Wenn beispielsweise eine Anwendung umfassender wird und eine höhere Abtastrate für die Erfassung erfordert, kann der Anwender einen neuen Digitizer innerhalb derselben Softwareplattform hinzufügen und muss nicht das gesamte System aktualisieren.

Fazit

Unterschiedliche Bussysteme ermöglichen einzigartige Vorteile für Digitizer/Oszilloskop-Anwendungen. USB eignet sich besonders für busgespeiste modulare und mobile Messanwendungen. PXI bietet leistungsstarke Funktionen, darunter einen hohen Datendurchsatz, eine hohe Auflösung sowie Geräteintegration und -synchronisation. Bei der Einrichtung eines Systems kann die Berücksichtigung zukünftiger Anwendungen, finanzieller Einschränkungen, Leistung und Skalierbarkeit dazu beitragen, die Architektur auszuwählen, die den Anforderungen am besten entspricht.

Weiterführende Informationen

• National Instruments Digitizer/Oszilloskope
• NI Digitizer/Oszilloskope von A bis Z: Preise und Spezifikationen vergleichen
• PXI: die industrielle Plattform für computerbasierte Messgeräte
• Grundlagen zu Digitizer/Oszilloskopen
• USB-basierte Messgeräte von National Instruments

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