Designvorteile der PXI-Embedded-Controller von NI

Inhaltsverzeichnis

  1. Übersicht
  2. Leistungsvermögen
  3. Integrierte Schnittstellen und I/O
  4. Erweiterte Optionen für Speicher und Festplatten
  5. Hohe Betriebszuverlässigkeit
  6. Mechanische Eigenschaften und Baugröße
  7. Schnelle Systemwiederherstellung
  8. Integrierte Werkzeuge zur Verbesserung der Systemverfügbarkeit und Verwaltung
  9. Langlebigkeit
  10. Weitere Designvorteile von NI PXI

Übersicht

Bei den PXI-Embedded-Controllern von National Instruments handelt es sich um eine leistungsstarke und kompakte Embedded-PC-Lösung für den Einsatz im Chassis eines PXI- oder PXI-Express-basierten Messsystems. Die Embedded-Controller weisen Standardmerkmale auf, etwa die neueste integrierte CPU, Festplatte, RAM, Ethernet-, Video-, USB- und serielle Anschlüsse sowie weitere Peripheriekomponenten. Die Gesamtkosten des Systems sind reduziert, weil sämtliche Peripheriekomponenten auf dem Controller-Frontpanel zur Verfügung stehen und PXI- bzw. PXI-Express-Karten nicht eigens erworben werden müssen, um eine vergleichbare Funktionalität zu erzielen. Auf dem Controller sind bei der Auslieferung NI LabVIEW Real-Time bzw. Microsoft Windows sowie sämtliche Gerätetreiber vorinstalliert.

 

In diesem Whitepaper erfahren Sie mehr über die Designvorteile, die NI-Controller so zuverlässig und leistungsstark machen.

 

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Leistungsvermögen

National Instrument koppelt die Markteinführungszeiten neuer PXI-basierter Embedded-Controller eng an die Einführung von Computern mit neuen mobilen Embedded-Prozessoren durch führende Computerhersteller wie Dell oder HP. Dies verdeutlicht das Know-how von NI im Bereich Design sowie die Bedeutung des Unternehmens bei der Bereitstellung leistungsstarker PXI-gestützter Embedded-Controller, die auf den neuesten Computertechnologien wie dem Intel® Atom™, dem Intel® Core™ i7 Prozessor oder dem Xeon Prozessor basieren. Da NI seit mehr als 15 Jahren PXI-Embedded-Controller herstellt, besteht auch eine enge Zusammenarbeit mit bedeutenden Herstellern von Prozessoren wie Intel und Advanced Micro Devices (AMD). So ist NI beispielsweise auch assoziiertes Mitglied der Intel Embedded Alliance, die Zugriff auf die neuesten Produktpläne und -muster von Intel gewährt.

 

Neben der Rechenleistung spielt auch die I/O-Bandbreite eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Messsystemen. Da moderne Mess- und Prüfsysteme zunehmend komplexer werden, müssen auch immer mehr Daten zwischen den Messgeräten und dem System-Controller ausgetauscht werden. Embedded-Controller von NI erfüllen diese Anforderungen mit der Einführung der Bussysteme PCI Express und PXI Express und bieten inzwischen auf der PXI-Express-Chassis-Backplane eine Systembandbreite von bis zu 24 GB/s.

Abb. 1: Der Embedded-Controller NI PXIe-8880 mit dem Intel XeonE5 Octa-Core Prozessor eignet sich besonders für leistungsstarke, rechenintensive Mess- und Prüfanwendungen mit hohem Durchsatz.

 

Als sich der Standard PCI Express zu PCI Express 3.0 weiterentwickelte, erweiterte sich auch der Funktionsumfang von PXI Express. So nutzt der Embedded-Controller NI PXIe-8880 die Weiterentwicklungen der PCI-Express-Technologie aus, um eine x8- und eine x16-PCI-Express-Verbindung der 3. Generation (Gen 3) als Schnittstelle zur Backplane des PXI-Chassis zu bieten.

 

Abb. 2: National Instruments nutzt die Spezifikation PCI, die kontinuierlich zugunsten einer höheren Datenbandbreite weiterentwickelt wird.

Wird der Embedded-Controller NI PXIe-8880 mit einem PXI-Express-Chassis wie dem NI PXIe-1085 verwendet, ergibt sich ein Datendurchsatz des gesamten Systems von 24 GB/s. Angesichts dieser hohen Bandbreite lassen sich rechenintensive Anwendungen, die hohe Durchsatzraten erfordern, einfach implementieren. Zu diesen Anwendungen gehören z. B. Entwurf und Prototypenerstellung von Wireless-Kommunikationstechnik der nächsten Generation, die Aufzeichnung und Wiedergabe von RF-Signalen, Schalldarstellungen und digitale Videotests.

 

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Integrierte Schnittstellen und I/O

NI-Embedded-Controller auf Basis von PXI und PXI Express bieten verschiedene I/O zur Anbindung an Stand-alone-Messgeräte oder andere Peripheriegeräte. Dazu zählen beispielsweise bis zu drei USB-3.0- und vier USB-2.0-Anschlüsse, Dual-Gigabit-Ethernet, GPIB, zwei Displayanschlüsse zur Unterstützung zweier Monitore sowie serielle und parallele Schnittstellen. Durch diese Ausstattung werden die Gesamtsystemkosten gesenkt, da keine zusätzlichen PXI-Module mit der entsprechenden Funktionalität erworben werden müssen. Darüber hinaus wird die Auslastung der Steckplätze in einem PXI-Chassis optimiert, da sich mehr Slots mit PXI-Modulen bestücken lassen.

Abb. 3: Einfache Erweiterung des Systems mit umfangreicher Peripherie-I/O auf dem Frontpanel

 

Einige Embedded-Controller bieten auch einen optionalen ExpressCard-Steckplatz, der die verfügbaren I/Os erweitert, beispielsweise um industrielle Kommunikationsbusse (CAN), zusätzliche USB-Anschlüsse oder einen CompactFlash-Kartenleser. Der ExpressCard-Steckplatz kann auch über eine eSATA-Schnittstelle für die Speicherung großer Datenmengen bei hoher Datenrate genutzt werden, sodass auch Anforderungen komplexer Datenaufzeichnungs- und Wiedergabeanwendungen erfüllt werden.

 

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Erweiterte Optionen für Speicher und Festplatten

Da sich die Anforderungen von Prüf- und MSR-Anwendungen weiterentwickeln, erweitert NI kontinuierlich das Zubehör-Portfolio für PXI-Embedded-Controller, um stets optimale Leistung zu gewährleisten. Für speicherintensive Anwendungen bietet NI den Embedded-Controller PXIe-8880 mit Upgrade-Optionen von bis zu 24 GB RAM. Zudem ist das Betriebssystem Windows 7 in der 64-Bit-Version auf den leistungsstärksten Controllern installiert, sodass Anwendungen den gesamten System-RAM ausnutzen können.

 

National Instruments bietet nicht nur verschiedene Upgrade-Optionen für den Speicher, sondern auch für Festplatten. Diese Optionen reichen von Standard-Festplattenlaufwerken hoher Kapazität bis hin zu Solid-State-Festplatten (SSDs). Es empfiehlt sich, Messdaten aus einer Anwendung auf der integrierten Festplatte des Embedded-Controllers zu speichern. Sollte mehr Speicherplatz erforderlich sein, können auch Festplatten mit höherer Speicherkapazität wie z. B. 500 GB eingesetzt werden.

 

Für den Einsatz des Controllers in rauen Umgebungen und das Speichern von Daten sind auch SSDs erhältlich. Da diese Laufwerke keine beweglichen Teile enthalten, besteht deutlich weniger Risiko für mechanische Ausfälle, was für eine höhere Systemzuverlässigkeit sorgt. Sie können zudem extremen Stoß-, Höhen- und Schwingungsbelastungen standhalten sowie in anderen rauen Betriebsbedingungen eingesetzt werden. Neben dem größeren Toleranzbereich für raue Betriebsumgebungen und erhöhter Zuverlässigkeit bieten SSDs geringere Lese- und Schreibsuchzeiten als Festplatten mit beweglichen Teilen. Dies führt zu einer höheren Lese- und Schreibgeschwindigkeit für sequenzielle und Zufallsdaten. Anwendungen, bei denen SSDs eingesetzt werden, bieten schnellere Ladezeiten und Prüfzeiteinsparungen aufgrund schnellerer Datei-I/O.

 

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Hohe Betriebszuverlässigkeit

Moderne Messsysteme müssen auch unter schwierigen Betriebsbedingungen höchst zuverlässig arbeiten. Deshalb bietet NI Versionen seiner PXI-Embedded-Controller für erweiterte Temperaturbereiche und den Dauerbetrieb an. Diese Embedded-Controller haben eine robustere Festplatte, die auch bei maximaler Auslastung dauerhaft zuverlässig funktioniert. Die Festplatten in den Standard-Controllern sind für Temperaturen von 5 bis 50 °C und eine 20-prozentige Auslastung an fünf Tagen pro Woche und acht Stunden pro Tag ausgelegt (ähnlich wie PCs und Laptops). Die Versionen für erweiterte Temperaturbereiche und den Dauerbetrieb arbeiten bei 0 bis 55 °C und eignen sich auch für Anwendungen, die einen kontinuierlichen Betrieb mit 100-prozentiger Auslastung 24 Stunden pro Tag und an sieben Tagen in der Woche voraussetzen. Anstatt einer rotierenden Standardfestplatte kann auch eine Solid-State-Festplatte eingesetzt werden, um so die Zuverlässigkeit des gesamten Systems besonders in rauen Umgebungen noch weiter zu erhöhen. Aufgrund dieser Optionen können PXI-basierte Messgeräte von NI in anspruchsvolleren Anwendungen eingesetzt werden.

 

PXI-Embedded-Controller sind stets mit den neuesten Prozessoren ausgestattet, die auf dem Markt erhältlich sind. Um eine optimale Leistung des Embedded-Controllers über den gesamten Betriebsbereich zu gewährleisten, führt NI umfangreiche thermische, mechanische und elektrische Tests durch, sodass die volle Leistungsfähigkeit der CPU in einem NI-PXI-Embedded-Controller auch in extremen Umgebungen erhalten bleibt. Dies erhöht zudem die Gesamtzuverlässigkeit des PXI-Systems. NI nutzt hierfür Know-how aus der Entwicklung von Embedded-Controllern und dem Einsatz von Techniken wie erweiterte Entwurfssimulation sowie Entwurf benutzerdefinierter Wärmeableiter.

 

Abb. 4: Ein Vergleich zwischen dem NI PXI-8108 und dem Alternativprodukt eines anderen PXI-Herstellers zeigt, dass letzteres selbst bei niedriger Aktivität eine um 25 °C höhere Betriebstemperatur aufweist als der NI PXI-8108.

 

Um Determinismus und hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten, bietet NI auch PXI-Embedded-Controller mit Echtzeitbetriebssystem (NI LabVIEW Real-Time Module) statt eines normalen Windows-Betriebssystems. Systeme, die unter Windows oder einem anderen universellen Betriebssystem laufen, können die Abarbeitung eines bestimmten Tasks innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters nicht garantieren, da sich das Betriebssystem den Prozessor mit anderen, parallel ablaufenden Vorgängen teilt. Läuft LabVIEW Real-Time auf dem Embedded-Controller, kümmert sich der gesamte Prozessor ausschließlich um die jeweils spezifizierte Anwendung, sodass ein deterministisches und zuverlässiges Verhalten sichergestellt ist.

 

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Mechanische Eigenschaften und Baugröße

Oft werden automatisierte Mess- oder Prüfsysteme durch Platzvorgaben eingeschränkt. PXI-Embedded-Controller und die PXI-Plattform selbst bieten ausgezeichnete Leistung in einem viel kleineren Formfaktor als andere Plattformen. So benötigt man etwa für eine Prüfanwendung mit Digitalmultimeter (DMM), Oszilloskopen, Netzteilen, Funktionsgeneratoren und Schaltmodulen mit einer Standardlösung aus einzelnen Messgeräten ungefähr 0,17 m3. Eine PXI-basierte Lösung für dieselbe Anwendung benötigt nur 0,02 m3.

 

Ein häufiges Missverständnis ist, dass die Platzeinsparung auf Kosten der Leistung geht. Der kleine Formfaktor wird allerdings nicht durch eine verminderte Leistung, sondern durch den modularen Aufbau des Systems ermöglicht. Jedes traditionelle Stand-alone-Messgerät benötigt einen eigenen Verarbeitungsschaltkreis, ein Display und eine physikalische Schnittstelle. Bei PXI-basierten Systemen werden diese Funktionen von spezifischen Komponenten ausgeführt, auf die das ganze System zurückgreift. Ein PXI-basierter Embedded-Controller ist praktisch eine zentrale Verarbeitungs- und Steuerungseinheit für alle Messgeräte im PXI-Chassis. Durch seine Anbindung an Peripheriegeräte wie Monitor, Tastatur und Maus stellt er auch eine Schnittstelle zum Bediener dar. Die auf dem Embedded-Controller ausgeführte Software interagiert mit den verschiedenen PXI-Messgeräten, um die tatsächliche Funktionalität des Prüfsystems festzulegen. Mit diesen Standardfunktionen des Embedded-Controllers müssen PXI-Messgeräte nur die tatsächliche Messgerätefunktion enthalten, was effektive Leistung auf kleinem Raum ermöglicht.

 

Abb. 5: Embedded-Controller in Slot 1 eines PXI-/PXI-Express-Systems

 

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Schnelle Systemwiederherstellung

Im unwahrscheinlichen Fall, dass die Hardware des Embedded-Controllers nicht funktioniert, erlaubt das Design des NI-Embedded-Controllers einen schnellen Ersatz kritischer Komponenten wie Festplatte oder Speicher ohne Beeinträchtigung der Garantie. Um einen Softwarefehler schneller zu beheben, bieten alle Windows-basierten PXI-Embedded-Controller von NI eine versteckte Partition, die ein ursprüngliches Abbild der Festplatte enthält. Mit diesem Abbild lässt sich der Controller schnell wieder in den Grundzustand zurückversetzen. Neuere Controller bieten die Möglichkeit, anwenderdefinierte Abbilder der Festplatte zu erstellen, die anstelle des Standardabbilds zur Wiederherstellung verwendet werden können. Diese Funktionen des PXI-Embedded-Controllers sorgen für kürzere Systemausfallzeiten und gewährleisten die maximale Produktivität eines PXI-basierten automatisierten Mess- oder Prüfsystems.

 

Zur besseren Wartung des PXI-Embedded-Controllers können Anwender neben der Systemwiederherstellung zügig auf Diagnosefunktionen für ROM für die Festplatte und den Speicher zugreifen, ohne dass externe Werkzeuge von Drittanbietern erforderlich wären. Mithilfe der Diagnosefunktionen lässt sich ermitteln, ob Festplatte oder Speicher ersetzt werden müssen. Der Aufbau des Controllers ermöglicht einen schnellen Austausch kritischer Komponenten wie Festplatte und Speicher ohne Beeinträchtigung der Garantie. Zudem sind für den Embedded-Controller Festplatten- und Speicher-Upgrades verfügbar. Die genannten Merkmale vereinfachen so die Wartbarkeit der Embedded-Controller beträchtlich.

 

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Integrierte Werkzeuge zur Verbesserung der Systemverfügbarkeit und Verwaltung

National Instruments arbeitet eng mit Intel zusammen und gewährleistet so, dass die Eigenschaften der neuesten Prozessoren auch in PXI-Embedded-Controller integriert werden und sich für PXI-Anwendungen in vollem Umfang nutzen lassen. Die neueste Funktion der Nehalem-basierten Prozessoren ist die Intel Active Management Technology (AMT), mithilfe derer Administratoren Systeme dezentral überwachen, warten und aktualisieren können. Administratoren können mit dieser Funktion Systeme von externen Datenträgern starten, Hard- und Softwarebestände verfolgen sowie Remote-Problembehandlung und -Wiederherstellung ausführen.

 

Mit der Funktion lassen sich verteilte automatisierte Test- sowie Steuer- und Regelsysteme verwalten, die einer längeren Inbetriebnahmedauer unterliegen. Die AMT kann bei Prüf- und MSR-Anwendungen zur dezentralen Datensammlung sowie Überwachung des Anwendungsstatus eingesetzt werden. Tritt ein Anwendungs- oder Systemfehler auf, lässt sich mit AMT eine Ferndiagnose durchführen sowie auf Debug-Schirme zugreifen. So wird das Problem schneller gelöst, und die Interaktion mit dem eigentlichen System erübrigt sich. Mit AMT lässt sich Software falls erforderlich dezentral und schnell updaten, so dass kostspielige Ausfallzeiten vermieden werden. AMT bietet zahlreiche Vorteile für die dezentrale Verwaltung von PXI-Systemen. Diese Funktion ist beim Embedded-Controller NI PXIe-8135 automatisch vorhanden. 

 

Häufig müssen Mess- und Prüfsysteme bei einem Einsatz in klassifizierten Bereichen einen entsprechenden Freigabeprozess bieten. Für die Freigabe eines PXI-Systems muss der Anwender alle Speicherkomponenten des Systems, darunter Chassis, Controller und Module, kennen. PXI-Embedded-Controller verfügen über nichtflüchtigen Speicher in Form einer Festplatte oder eines Sticks, worauf Anwender- und Systeminformationen festgehalten werden, selbst nachdem das System heruntergefahren wurde. Da für den Betrieb des PXI-Embedded-Controllers ein nichtflüchtiger Speicher erforderlich ist, bietet der NI PXIe-8135 mit RHDD (Removable Hard Disk Drive) die Möglichkeit, dieses Speichermedium zur sicheren Aufbewahrung zu entfernen.

 

Der RHDD-Embedded-Controller NI PXIe-8135 ermöglicht es darüber hinaus, dass separate, einmalige Softwareabbilder auf dieselbe Hardware geladen werden.

 

Abb. 6: Werden Wechselspeicher benötigt, ist über den Festplattenträger des Frontpanels ein Zugriff auf die Festplatte problemlos möglich.

 

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Langlebigkeit

Im Jahr 1965 sagte Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, dass sich die Anzahl von Transistoren in einem integrierten Schaltkreis alle 24 Monate verdoppele. Diese auch als Moore’sches Gesetz bekannte Prognose wurde im Laufe der Zeit von den Chipherstellern Intel und AMD bestätigt, sodass es zu einem exponentiellen Anstieg der Anzahl verfügbarer Transistoren auf einem einzelnen Silizumchip kam.

Abb. 7: Die Anzahl der Transistoren auf Intel® Prozessoren ist über die Jahre exponentiell angestiegen.

Dieser rapide Anstieg hatte zur Folge, dass jedes Jahr neue, schnellere und effizientere Prozessoren auf den Markt kamen. Obwohl PXI-basierte Messgeräte von diesen Fortschritten profitieren, ist auch zu berücksichtigen, dass durch die Einführung eines neuen Prozessors der jeweilige Vorgänger obsolet wird.

 

Um die Auswirkungen der Veralterung zu begrenzen, ist National Instruments bemüht, jeden Embedded-Controller im Durchschnitt fünf Jahre lang auf dem Markt zu halten. Falls ein verlängerter Support-Zeitraum benötigt wird, gewährt National Instruments Anwendern bei der Ausarbeitung individuell angepasster Servicepläne gerne Unterstützung. Diese Pläne umfassen beispielsweise die schnelle Bereitstellung von Ersatzteilen, langfristigen Reparatur- und Kalibrierdienst (über den Standard-Lebenszyklus des Produkts hinaus), jährliche Berichte zu Lebenszyklus und Veralterung sowie eine Update-Planung mit technischen Ressourcen von National Instruments. Für Anwendungen, die auf die neueste Technologie migrieren können, bietet National Instruments einen Standardsatz von Peripherie-I/O wie USB, Ethernet, GPIB und serielle Schnittstellen, sodass neue Embedded-Controller einen guten Ersatz für Produkte der vorherigen Generation darstellen. Deshalb sollte man bei der Entwicklung eines Embedded-Controllers unbedingt einen Prozessor wählen, der die bestmögliche Leistung bietet und auch während der ganzen Lebensdauer des Controllers weiter verfügbar sein wird.

 

National Instruments nutzt seine jahrelange und enge Zusammenarbeit mit den zwei führenden Prozessorherstellern, um für PXI-Embedded-Controller Prozessoren und Chipsätze zu wählen, die langfristig hergestellt werden. So sind sie auch dann noch erhältlich, wenn eventuell ein Austausch erforderlich ist. Dies verleiht dem Embedded-Controller einen gewissen Mehrwert und verlängert die Lebensdauer des gesamten PXI-basierten Systems.

 

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Weitere Designvorteile von NI PXI

Mehr zu den Designvorteilen der Plattform NI PXI erfahren Sie in den anderen Whitepapern dieser Reihe:

Designvorteile der NI-PXI-Plattform

 

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