Schnelleres Durchführen besserer Messungen mit Oszilloskopen mit benutzerprogrammierbaren FPGAs

Instrumente wie Oszilloskope verwenden mehrere Ebenen von Software – einige sind für den Benutzer sichtbarer als andere. Software auf einem Host-Computer steuert die gesamte Ausführung des Testsystems, Gerätetreiber ermöglichen die Kommunikation mit dem Oszilloskop und auf dem Gerät integrierte Software steuert die Erfassung und Bereitstellung von Daten. Während herkömmliche Geräte feste Messfunktionen über einen Gerätetreiber bieten, nutzen modulare Geräte offene PC-Software und die Rechenleistung moderner CPUs, um Signalanalysen auf dem PC statt im Inneren des Geräts durchzuführen. Das bedeutet, dass Sie die Analyse der erfassten Daten schnell Ihren spezifischen Anforderungen anpassen können, z. B. verbesserte Testzeiten oder Messungen mit höherer Auflösung.

Mit softwaregesteuerten Geräten können Sie die Embedded-Software, die direkt auf dem FPGA des Geräts ausgeführt wird, ändern oder sogar komplett ersetzen. Sie können benutzerdefinierte Echtzeitanalysen und komplexe Trigger ohne Totzeit (fehlende Signale) implementieren, da jeder erfasste Datenpunkt in Echtzeit auf dem FPGA des Geräts analysiert werden kann. Kurz gesagt, softwaregesteuerte Instrumente bieten Ihnen die Möglichkeit, auf alle Softwareebenen zuzugreifen – vom Host-Computer bis hin zu den Pins des Datenkonverters eines Geräts –, um benutzerdefinierte Änderungen zu implementieren, die den Anforderungen Ihrer spezifischen Anwendung entsprechen.

NI bietet eine Reihe rekonfigurierbarer Oszilloskope mit bis zu 400 MHz analoger Bandbreite, acht Eingangskanälen, 14 Bit Messauflösung, 1 GS/s Sample-Rate und einem benutzerprogrammierbaren Xilinx Kintex-7 FPGA.

Während handelsübliche Messgeräte traditionell fest installiert sind, ist NI führend bei offeneren, flexibleren Messgeräten, die auf FPGA-Technologie basieren. FPGAs sind digitale Chips mit hoher Dichte, die Sie anpassen können, um benutzerdefinierte Signalverarbeitungs- und Steueralgorithmen direkt in Messhardware zu integrieren. Das Resultat ist sofort einsatzbereite Hardware, die das Beste beider Welten vereint: definierte, hochwertige Messtechnologie, neueste digitale Busintegration und anwenderseitig definierbare Logik mit ausgeprägter Parallelität, die niedrige Latenz bietet und direkt an I/O für die Inline-Verarbeitung und enge Regelschleifen angebunden ist.

FPGAs gewinnen durch anwendungsspezifische Standardprodukte (ASSPs) und anwendungsspezifische integrierte Circuits (ASICs) weiterhin an Designgewinn und Marktanteil, da sie besser als andere Geräte mit Moores Gesetz Schritt halten und die Entwicklungskosten drastisch senken. Dies führt zu einer geringeren Größe des Testsystems und einem geringeren Stromverbrauch. Sehr leistungsfähige FPGAs kommen auf den Markt und definieren die Hardwarefunktionen vieler Geräte, aber die IP, die sie enthalten, ist herstellerdefiniert und die Stromversorgung des FPGAs kann für Sie nicht zugänglich sein. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass spezielle Kenntnisse zur Programmierung dieser Geräte notwendig sind. Hardwarebeschreibungssprachen erfordern im Allgemeinen einen hohen Lernaufwand und werden nur von Experten im Bereich digitaler Designs verwendet.

LabVIEW macht die neueste FPGA-Technologie zugänglich. Mit Hilfe der grafischen Programmierung können Sie Logik implementieren, um das Verhalten eines Geräts in der Hardware zu definieren und das Gerät bei sich ändernden Anforderungen neu zu programmieren. Die Datenflussprogrammierung in LabVIEW ist sehr gut dazu geeignet, die Art paralleler Operationen und Prozesse zu implementieren und zu visualisieren, die auf digitaler Hardware ausgeführt werden können.

Ein Beispiel für einen Gerätetreiber, der die Nutzung des vollen Potenzials eines Oszilloskops einschränkt, ist das Aufrufen von Trigger-Modi. Der Oszilloskop-IVI-Treiber lässt nur einige Trigger-Modi zu: Flanke, Pegel und Fenster. Ein Oszilloskop kann viele weitere Trigger-Modi haben, aber der Gerätetreiber kann das Gerät nur für diese wenigen konfigurieren. Möglicherweise möchten Sie auch eine ganz bestimmte Trigger-Logik, die nicht in ein auf dem Markt erhältliches Oszilloskop integriert ist. In diesem Fall können Sie den FPGA im Datenpfad des Oszilloskops verwenden, um einen logischen Trigger zu programmieren, der mit der Hardware des Geräts arbeitet.

Das LabVIEW FPGA Module erweitert die Systemdesignsoftware LabVIEW auf FPGAs auf rekonfigurierbarer I/O-Hardware (RIO-Hardware) von National Instruments wie Oszilloskopen des Typs PXIe-5171R und PXIe-5164, seriellen Hochgeschwindigkeitsinstrumenten, RF-Vektorsignalanalysatoren und Vektorsignal-Transceivern (VSTs), mit denen 2012 das Konzept der softwarebasierten Instrumente eingeführt wurde.

Abbildung 3 zeigt die Softwarearchitektur eines softwarebasierten Instruments (in diesem Fall eines rekonfigurierbaren Oszilloskops). Die Architektur besteht aus Routinen, die auf dem FPGA für die eigentliche Erfassung und Echtzeitverarbeitung implementiert sind, sowie entsprechenden Softwaremodulen auf dem Host-PC, die mit ihren FPGA-Gegenstücken interagieren, um die Messungen zu konfigurieren und zu steuern, die Datenübertragung über den PXI-Express-Bus abzuwickeln und die Daten dem Benutzer zu präsentieren.

Host-Computer-Komponenten sind Gerätetreiber sehr ähnlich; FPGA-Code ist vergleichbar mit der herkömmlichen Firmware des Oszilloskops. Im Gegensatz zu herkömmlichen Oszilloskopen können Sie diese Komponenten verwenden, um benutzerdefinierte Oszilloskop-IP zu erstellen, und da sie offen sind, können Sie sie modifizieren und erweitern, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.

NI bietet verschiedene rekonfigurierbare Optionen für das PXI-Oszilloskop an. Oszilloskope mit FGPA finden Sie in der Modellbeschreibung auf der Seite Oszilloskopkategorie unter "Rekonfigurierbar".

Testen der Vorteile von Oszilloskopen mit benutzerprogrammierbaren FPGAs

Eines der ultimativen Ziele bei Testanwendungen ist die Senkung der Gesamttestkosten. Zeit ist oft der Hauptkostenfaktor in der Großserienfertigung, während Flexibilität und Wiederverwendbarkeit bei Testsystemen mit hohem Misch- oder Wartungsaufwand wichtig sind. Hier sind drei Beispiele, die zeigen, wie Sie mit Oszilloskopen mit benutzerprogrammierbaren FPGAs Zeit und Geld sparen.

Verschiedene Branchen, Anwendungen und Messungen erfordern unterschiedliche Oszilloskope. Um herauszufinden, wie rekonfigurierbare Oszilloskope die Markteinführungszeit und die Testkosten reduzieren, lesen Sie mehr über jede Gerätefamilie.

• Sehen Sie, wie Ingenieure und Wissenschaftler aus den Bereichen Halbleiter, Luft- und Raumfahrt und Forschung die PXIe-5170R und PXIe-5171R für intelligente, leistungsstarke Systeme einsetzen
• Sehen Sie, wie Testsysteme in der Automobil-, Halbleiter- und Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigung die hohe Spannung und Auflösung des PXIe-5164 nutzen.