iDDS – Hintergrund und Überblick

Der Data Distribution Service (DDS) stellt das Rückgrat des iDDS-Modells dar. DDS ist ein OMG-Standard (Object Management Group), der ein System, eine Programmierschnittstelle für Anwendungen und ein Verbindungsprotokoll für die Netzwerkkommunikation definiert. DDS wurde speziell entwickelt, um die Leistungs- und Servicequalitätsanforderungen von Echtzeit- und Embedded-Systemen zu erfüllen. Es wird in vielen Branchen im Internet der Dinge (IoT), in zeitkritischen Anwendungen und in geschäftskritischen Architekturen eingesetzt. Die Zeitstempelung der iDDS-Quelle reduziert die negativen Auswirkungen von Latenzzeiten aufgrund eines nicht optimalen Netzwerkdesigns, da die Daten zum Zeitpunkt der Verarbeitung zeitlich geordnet werden können.

^{Abbildung 1: iDDS-Architektur}

Das DDS-Netzwerk wird von einem Middleware-Dienst verwaltet. Die entsprechende Middleware-Software ist von RTI, Twin Oaks oder OpenDDS erhältlich. Diese Middleware belegt Ressourcen im DDS-Netzwerk vor, um die dynamische Ressourcenzuweisung zu minimieren und die Notwendigkeit, mehrere Kopien von Daten zu erstellen, zu reduzieren.

iDDS fügt messgerätespezifische Datendefinitionen zum DDS hinzu. Dazu gehören u. a.:

• Kanal-Metadaten — Mit ihnen können Messgeräte den Datentyp, die technischen Einheiten und andere Informationen angeben, so dass die Subscriber-Dienste die Daten ohne spezifisches Wissen des Sendegeräts verarbeiten können.
• Zeitstempelung nach dem Präzisions-Timing-Protokoll IEEE 1588 — IEEE 1588 ermöglicht die Zeitsynchronisation mit Gerätetakten über die gleiche physikalische Verbindung wie das Ethernet-Netzwerk. iDDS-konforme Messgeräte enthalten den Zeitstempel mit den Daten zur „Zeitstempelung an der Quelle“. Als Haupttaktgeber im System wird ein Timing-Generator benötigt.
• Konfigurationssystem — Messingenieure verwenden das Konfigurationssystem, um die durchzuführenden Messungen zu planen und Messbereiche, Raten, Kalibrierungen und andere wichtige Testinformationen zu definieren. 
• Präventive Systemdiagnose — Diese Überwachung hilft Ingenieuren, die Nutzungsdaten zu System-, Parameter- oder Hardwarefehlern zu verfolgen, und bietet eine Möglichkeit, die Ausführung mit fehlenden Parametern fortzusetzen.

Das iDDS-Netzwerk besteht aus Knoten. Publisher sind Knoten im Netzwerk, die Daten an das Netzwerk erzeugen. Subscriber verwenden diese Daten. Knoten können über das Netzwerk mit jedem anderen Knoten im Netzwerk verbunden werden, und jeder Knoten kann Subscriber eines jeden Parameters werden. 

DDS-Domänen werden in Multicast-Adressen umgewandelt. Die Netzwerktrennung kann mit einer Standard-Netzwerkinfrastruktur verwaltet werden. Dadurch ist das System auf eine Vielzahl von Anlagentypen skalierbar, von einfachen Laborversuchen bis hin zu großen Prüfzellen. Tests haben gezeigt, dass mehr als 10.000 Parameter im selben Netzwerk versendet werden können.

^{Abbildung 2: Architektur mit mehreren Domänen}

In diesem Beispiel hat das Real-Time-Netzwerk keine physikalische Partition, so dass jeder Knoten eine Verbindung mit jedem Router herstellen kann. Alle Netzwerkprobleme im Systemnetzwerk würden von Störungen im Echtzeitnetzwerk isoliert sein. Domänen können nach Datentyp zugeordnet werden, z. B. „Low-Speed“, „High-Speed“ und „Control“.

Der Konfigurationsserver verwaltet das gesamte Netzwerk. Er sendet die Backbone-spezifischen Konfigurationsdaten, die von den Knoten benötigt werden. Der Konfigurationsserver sendet eine Konfigurationsdatei an den Knoten und die Datei wird vom Knoten gespeichert, um die Konfiguration aufrechtzuerhalten.

iDDS wurde als Reaktion auf die monolithischen Single-Supplier-Systeme entwickelt, die Anfang der 2000er Jahre entwickelt wurden. Diese Systeme minimierten das Risiko von Problemen mit der Interoperabilität zwischen den Anbietern, aber die Kunden erkannten, dass diese Systeme im Laufe der Zeit schwierig zu modifizieren oder zu warten waren, insbesondere, da die Hardware zunehmend veraltete. 

Bei iDDS stehen Daten mithilfe eines datenzentrierten Modells im Vordergrund. Es abstrahiert die Daten von allen spezifischen Gerätefunktionen und bietet den Vorteil der Interoperabilität zwischen mehreren Anbietern. Dadurch wird der Austausch von Hardwaregeräten vereinfacht, so dass kein System von einem einzigen Anbieter oder Gerät abhängig wird. 

Die iDDS-Architektur bietet Messsystemen folgende Vorteile:

• Interoperabilität — Ingenieure können Systeme mit Publisher- und Subscriber-Knoten von verschiedenen Anbietern erstellen, um die Leistung für jedes Modul im System unabhängig voneinander zu maximieren.
• Austauschbarkeit — Ingenieure können Module mit minimalem Aufwand durch andere Module mit derselben Schnittstelle austauschen. Auf diese Weise können Systemkomponenten aktualisiert werden, ohne dass sich dies auf den Rest des Systems auswirkt, was den Weg zu Systemen mit längerer Lebensdauer ebnet – auch dann, wenn bestimmte Komponenten nicht mehr verfügbar sind.
• Flexible Architektur — Ingenieure können die Module so anordnen, dass sie den genauen Anforderungen jedes Tests entsprechen, ohne größere Änderungen an anderen Modulen oder der Architektur vorzunehmen.
• Skalierbarkeit. Diese Architektur kann Architekturen von Dutzenden von Parametern bis zu mehr als 10.000 Parametern aufnehmen, wobei immer dieselben grundlegenden Bausteine verwendet werden.
• Lose Kopplung — Systemmodule können Daten austauschen und miteinander kommunizieren, ohne spezifische Kenntnisse anderer Systeme zu haben. Dadurch wird der Nacharbeits- und Konfigurationsaufwand am Gesamtsystem minimiert. 
• Unterstützung für alle Systeme aller Leistungsniveaus (z. B. Hochleistungs- und Niedrigleistungs-CPUs) — Ingenieure können je nach Testanforderungen zwischen CPUs mit niedriger Leistung bei der Signalaufbereitung und CPUs mit hoher Leistung auf Servern wählen.
• Granularität bis hin zu einem einzelnen Messparameter — Ingenieure können das System so konfigurieren, dass Streaming-Daten bis zu hin einem einzigen Datenparameter übertragen und empfangen werden. Auf diese Weise können Knotenanwendungen nur die benötigten Parameter verarbeiten und dabei die Daten in den Vordergrund stellen.
• Zeitgestempelte Daten, die möglichst nahe an der Quelle liegen — Messdaten werden mit einer entsprechenden Zeit von einer einzigen Quelle gekennzeichnet, um eine Korrelation von Daten aus verschiedenen Systemen bis hin zur schnellsten Datenabtastrate zu ermöglichen.
• Subsystemspezifische Operationen wegabstrahieren — Ingenieure können Befehle ausgeben (z. B. „Nullabgleich durchführen“, „Kalibrieren“), die auf der Grundlage von Messparametern arbeiten, anstatt einen bestimmten Kanal auf einem bestimmten Gerät adressieren zu müssen.

Zusammengenommen geben diese Vorteile dem Entwickler von Prüfsystemen die Flexibilität, ein System zu verwalten, das die Leistung pro Messung maximiert, die Nutzungsdauer des Systems erhöht, die Gesamtkosten des Systems senkt und das langfristige Risiko der Obsoleszenz des Systems minimiert. 

Die meisten iDDS-Tools laufen heute auf Linux-Plattformen. NI hat diese erfolgreich auf NI Linux Real-Time mit CompactRIO- und PXI-Geräten getestet. 

Bei den Tests von NI haben wir mit Hilfe von NI-DAQmx-Aufrufen Daten erfasst. Die Daten wurden dann nach iDDS-Standards komprimiert und in das iDDS-Netzwerk gesendet.

^{Abbildung 3: iDDS-Implementierung}

Mit dieser Architektur konnten die Ingenieure von NI die Konformität mit iDDS-Systemen nachweisen, auf denen sich tausende Datenparameter von verschiedenen Herstellern befinden.

Wenden Sie sich an den Support von NI, um weitere Informationen zu iDDS-Implementierungen auf NI-Hardware zu erhalten.

• Weitere Informationen zu CompactRIO
• Mehr zu PXI
• Erfahren Sie, wie iDDS bei Strahlturbinen-Triebwerkstests verwendet wird

Quellen

Extern: „Testausführung und das Datensystem“ – Standardisierung, Flexibilität und Skalierbarkeit eines Echtzeit-Datenerfassungssystems, Neill Forrest (Rolls-Royce)