Integration von GPIB, Ethernet/LXI, USB, PXI Express, VXI und anderer Standards in hybride Prüfsysteme

Beim Design von Prüfsystemen müssen Entwickler häufig zahlreiche Aspekte in Betracht ziehen und gegeneinander abwägen. Um den Systemanforderungen zu entsprechen, können Sie hybride Systeme erstellen und so von den Vorteilen unterschiedlicher Prüfplattformen profitieren. Ein System benötigt beispielsweise neben der Softwareflexibilität und dem hohen Durchsatz modularer Gerätebusse wie VXI, PXI, PXI Express und PCI Express die speziellen Funktionen eines Stand-alone-Messgeräts, 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 Systeme liegt in deren Aufbau mit einer erweiterbaren Schichtenarchitektur, die Wartung und Upgrades einfacher gestaltet. Durch die Entwicklung hybrider Multiplattform-Prüfsysteme mit der abgebildeten Fünf-Schichten-Architektur können Anwender Hard- 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 Hard- 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 zum Aufrufen von Prüfprogrammen sowie zur Datenprotokollierung, Berichterstellung und Verwaltung von Benutzerrechten.

Für Stand-alone-Messgeräte steht eine Vielzahl von Bussystemen zur Verfügung, darunter GPIB, USB, LAN (einschließlich LXI) sowie die serielle Schnittstelle. Jedes dieser Bussysteme besitzt seine individuellen Stärken und ist damit besser für bestimmte Anwendungen geeignet als andere. Mit GPIB profitieren Anwender von einer bewährten Bustechnologie und einer Vielfalt von verfügbaren Messgeräten. USB ist weit verbreitet und bietet eine einfache Anbindung. 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: Der General Purpose Interface Bus (GPIB) wurde eigens für Prüf-, Mess- und Gerätesteuerungsanwendungen konzipiert und bewährt sich nun schon seit 30 Jahren als robuster und zuverlässiger Kommunikationsbus. Bei GPIB handelt es sich um einen parallelen Messgerätebus mit niedriger Latenz. Die Revision IEEE 488.2-1987 erweiterte den Originalstandard um genaue Definitionen, wie die Kommunikation mit Controllern und Messgeräten 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 Achtfache erhöhte und Anwendern damit für die Messgerätesteuerung 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 NI PCI-GPIB oder externe Konverter wie GPIB-USB, um ihre PCs um die Funktionalität der GPIB-Gerätesteuerung zu erweitern. GPIB ist ein weitverbreiteter und bewährter Kommunikationsbus für Stand-alone-Messgeräte und steht in vielen unterschiedlichen Geräten zur Verfügung, von denen sich fast zehn Millionen Exemplare auf dem Markt befinden.

USB: Der Universal Serial Bus (USB) hat sich zu einem sehr beliebten Bussystem für Stand-alone-Messgeräte entwickelt, was seiner Allgegenwärtigkeit auf PCs, der einfachen Handhabung mit Plug and play sowie der hohen verfügbaren Bandbreite zu verdanken ist. 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 Mb/s erreichen und die minimale Rahmenlatenz von 1 ms auf 250 µs reduzieren. Zudem 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, sodass 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 die dezentrale Datenspeicherung. LAN ist hervorragend für verteilte Systeme und die dezentrale Überwachung geeignet. Da fast alle modernen Computer über einen LAN-Anschluss verfügen, ist dieser Standard 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 für die Kommunikation zwischen Controller und Gerät über ein TCP/IP-Netzwerk verwendet wird. Der Standard LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) definiert Geräteklassen, die auf LAN basieren, und berücksichtigt auch optionale Synchronisation nach der IEEE-1588-Technologie sowie optionale Triggerspezifikationen mit dem LXI-Triggerbus. Bei den LXI-Messgeräten handelt es sich um eine Untergruppe 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 Anwendung noch immer vor der Herausforderung, Geräte integrieren zu müssen, die lediglich herstellerdefinierte und proprietäre Funktionaliät bieten. Stand-alone-Messgeräte können zwar spezielle Funktionalität und Leistung bieten, sind jedoch herstellerdefiniert und proprietär. Daher sind sie nur eingeschränkt integrier- sowie erweiterbar und erzwingen häufig die Verwendung eines proprietären Softwaremodells.

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. Bussysteme für modulare Messgeräte bieten im Vergleich zu Bussen für Stand-alone-Geräte bessere Latenz und erhöhten Durchsatz, was bei vielen Anwendungsanforderungen von Vorteil ist, wie z. B. bei der Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit. Wenn 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. Dadurch erhalten Anwender genügend Flexibilität, um ein System mit allen gewünschten Eigenschaften zu entwickeln und nur in die Komponenten investieren zu müssen, die für die jeweilige Anwendung erforderlich sind.

VXI Der VXI-Standard wurde im Jahr 1987 entwickelt und definiert einen herstellerunabhängigen Standard für Messmodule, die auf einer Computersteckkarte realisiert sind. Seither hat das Konsortium verschiedene Komponenten auf Systemebene definiert, die für die Interoperabilität von Hardware erforderlich sind. Die VXI-Spezifikation IEEE 1155 wurde von der IEEE offiziell im März 1993 eingeführt. Die im September 1993 gegründete VXIplug&play Systems Alliance strebte einen höheren Grad für die Systemstandardisierung an, um alle VXI-Systemkomponenten abzudecken. Durch die Konzentration auf Softwarestandardisierung wurden Standards zur vereinfachten Integration und Verwendung von VXI-Systemen definiert, während gleichzeitig die herstellerunabhängige Software-Interoperabilität erhalten blieb. Aufgrund des Erfolgs herstellerneutraler Standards und solider technischer Spezifikationen wird VXI nun von mehr als 250 Anbietern unterstützt und ist in über 1000 Produkten vertreten. Der Erfolg von VXI als offene, herstellerneutrale Plattform bezeugt den Wert herstellerneutraler Standards.

Die Anwendungsbereiche von VXI reichen von der Mess- und Prüftechnik bis hin zur Datenerfassung und -analyse in der Forschung wie auch industriellen Automatisierung. Bei einigen modernen VXI-Systemen handelt es sich zwar um reine VXI-Systeme, doch erfolgt die Migration zu VXI durch das Einbinden in bestehende Systeme, die aus GPIB-Messgeräten, VME-Karten oder Steckkarten zur Datenerfassung aufgebaut sind. Die Steuerung eines VXI-Systems erfolgt über einen dezentralen universellen Computer unter Einsatz der Hochgeschwindigkeits-Busschnittstelle Multisystem eXtension Interface (MXI) oder von GPIB. Anwender können auch Computer in VXI-Chassis integrieren und das System direkt steuern. Ungeachtet der Anforderungen von Anwendern an die Systemkonfiguration bietet VXI genügend Flexibilität und Leistung, um auch die komplexesten Anwendungen zu adressieren.

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 Messgerätesteuerung 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 eingesetzt.

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 Bussystemen und wesentlichen Softwarekomponenten. Somit ist PXI eine äußerst leistungsfähige, aber gleichzeitig auch kostengünstige Plattform für Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelsysteme. PXI wird daher nicht nur in der Produktionsprüfung, Maschinenüberwachung und bei industriellen Prüfanwendungen eingesetzt, sondern auch in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich. 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 mit einem 10-MHz-Referenztakt, einem Triggerbus mit acht Kanälen sowie STAR-Trigger-Kanälen. Dies ermöglicht dedizierte Triggerkanäle mit einem Laufzeitunterschied zwischen Modulen unterhalb einer Nanosekunde. PXI wird häufig 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 dabei waren eine skalierbare, kostengünstige Schnittstelle, die für verschiedene Märkte interessant ist, sowie die Kompatibilität zu bestehenden PCI-Treibern und Software. Die Kompatibilität zum 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 (x16-Implementierung) zur Verfügung. Außerdem stellt PCI Express durch Peer-to-Peer-Anbindung 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 zu 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 Die schnelle Verbreitung von PXI wurde durch die Verwendung von PCI in der Kommunikations-Backplane vorangetrieben; analog dazu ist aus der Integration von PCI Express in den PXI-Standard der Standard PXI Express hervorgegangen, mit dem sich die Anforderungen von noch mehr Anwendungsgebieten abdecken lassen. Durch die Verwendung der PCI-Express-Technologie in der Backplane erhöht PXI Express den möglichen Datendurchsatz um mehr als das 45-Fache von 132 MB/s auf 6 GB/s, wobei die Hard- und Softwarekompatibilität zu PXI-Modulen erhalten bleibt. Diese verbesserte Leistung erschließt PXI viele neue Anwendungsbereiche, die bisher häufig teure und proprietäre Hardware erforderten. Dank der Softwarekompatibilität von PCI Express genügt die Standardsoftwarearchitektur von PXI auch für PXI Express. Um auch Hardwarekompatibilität zu gewährleisten, 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.

Hybride Systeme ermöglichen die kombinierte Nutzung von Bussystemen für modulare Messgeräte gemeinsam mit handelsüblichen Busschnittstellen für Stand-alone-Geräte, sodass Anwender von der hohen Geschwindigkeit und Flexibilität modularer Messgeräte profitieren und bestehende oder spezialisierte Stand-alone-Geräte verwenden können. 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 Ebene Mess- und Steuerungssoftware, 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 Hard- 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 Messgeräten, die u. a. auf PXI, VXI, GPIB, LAN/LXI basieren. Dank VISA ist die Austauschbarkeit von Controllern und Bussystemen vereinfacht. 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.

Hybride Prüfsysteme erlauben Anwendern, die Busse für modulare Messgeräte mit Peripheriebussen für Stand-alone-Geräte zu kombinieren. Auf Grundlage neuer Bustechnologien wie PXI und PXI Express oder von USB- und LAN/LXI-Messgeräten können Entwickler ein hybrides Prüfsystem erstellen und darin verschiedene Plattformen in einem System zusammenfassen. Damit 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 PXI-, USB- oder LAN/LXI-basierten Messgeräten 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 solcher Änderungen minimiert.