Der passende Hardwarebus für Ihr System zur Steuerung von Messgeräten

Geräte bieten in der Regel eine oder mehrere Busoptionen, über die Sie sie steuern können, und PCs bieten in der Regel mehrere Busoptionen für die Gerätesteuerung. Wenn ein PC den Bus, der sich auf dem Gerät befindet, nicht nativ hat, können Sie ihn in der Regel als Steckkarte oder externen Konverter hinzufügen. Es gibt viele Busse zur Gerätesteuerung, die in folgende allgemeine Kategorien unterteilt werden können:

• Zur Kommunikation mit Rack-and-Stack-Instrumenten werden eigenständige Busse verwendet. Dazu gehören test- und messspezifische Busse wie GPIB und PC-Standardbusse wie serielle Busse (RS232), Ethernet und USB. Einige Busse können als Medium für andere Busse verwendet werden, z. B. für einen USB-GPIB-Wandler.
• Modulare Busse integrieren den Schnittstellenbus in das Instrument selbst. Dazu gehören PCI, PCI Express, VXI und PXI. Sie können diese Busse auch als Medium verwenden, um einen eigenständigen Bus in einen PC einzufügen, der keinen hat, z. B. mit einer NI-PCI-GPIB-Controller-Karte.

Drei Hauptfaktoren beeinflussen die Busleistung: Bandbreite, Latenz und Geräteimplementierung.

• Bandbreite ist die Datenrate und wird in der Regel in Millionen Bit pro Sekunde gemessen.
• Latenz ist die Übertragungszeit und wird in der Regel in Sekunden gemessen. Bei Ethernet-Übertragungen werden beispielsweise große Datenblöcke in kleine Segmente zerlegt und in mehreren Paketen gesendet. Die Latenz gibt an, wie lange eines dieser Pakete übertragen werden soll.
• Die Geräteimplementierung von Bussoftware, Firmware und Hardware wirkt sich auf die Leistung des Busses aus. Nicht alle Instrumente werden gleich erstellt, und die Kompromisse zwischen dem Instrumentendesigner und dem Hersteller wirken sich auf die Geräteleistung aus. Ein Hauptvorteil virtueller Instrumente besteht darin, dass der Endnutzer als Geräteentwickler die optimalen Kompromisse bei der Implementierung entscheidet.

Abbildung 1. Vergleichen Sie theoretische Bandbreiten mit Latenzen von Mainstream-Test- und Messbussen.

Beim Erstellen einer Messgerätesteuerungsanwendung ist es wichtig, die Umgebung zu berücksichtigen, in der sie eingesetzt wird. Zu den wichtigsten Überlegungen zählen die Entfernung des Geräts zum PC und die Robustheitsspezifikationen für Schnittstelle und Verkabelung. Beide Elemente spielen eine wichtige Rolle bei der Entscheidung, welchen Bus Sie für Ihr Gerätesteuerungssystem verwenden sollten.

Entfernung des Geräts vom PC

Wenn sich Ihre Geräte in der Nähe des PCs befinden (weniger als fünf Meter), haben Sie die Flexibilität, zwischen allen Bustypen zu wählen. Wenn sich Ihre Geräte weit vom PC entfernt befinden, zum Beispiel in einem anderen Raum oder Gebäude, sollten Sie eine verteilte Gerätesteuerungsarchitektur in Betracht ziehen. Ein verteiltes Instrumentensteuerungssystem kann Extender, Repeater, LAN/LXI oder einen LAN-Konverter (z. B. Ethernet-GPIB-Konverter) enthalten.

Robustheitsspezifikationen der Schnittstelle und Verkabelung

Wenn sich Ihre Geräte in lauten Umgebungen wie Industrieumgebungen befinden, sollten Sie einen Schnittstellenbus verwenden, der Schutz vor diesen Umwelteinflüssen bietet. GPIB oder USB wäre z. B. in einer Fertigungshalle aufgrund seiner Kabelverriegelung und robusten Abschirmspezifikationen eine geeignetere Wahl.

Denken Sie bei der Auswahl Ihrer Busschnittstelle an Einrichtung und Installation. Für Anwendungen zur Gerätesteuerung, die in Bereichen wie einem Labor stattfinden, in denen viele Benutzer mit dem System interagieren, sollten Sie die USB-Busschnittstelle verwenden, um die Benutzerfreundlichkeit und einheitliche Benutzererfahrung zu gewährleisten. Bei Instrumentensteuerungssystemen, bei denen die Sicherheit ein Problem darstellen kann, sollten Sie beachten, dass Ethernet/LAN/LXI möglicherweise nicht von Ihrer IT-Abteilung zugelassen ist. Wenn Sie sich entscheiden, dass Ethernet/LAN/LXI die beste Busschnittstelle für Ihr Instrumentensteuerungssystem ist und in einer sicherheitsbewussten Umgebung bereitgestellt wird, sollten Sie während des gesamten Entwurfsentwicklungsprozesses mit Ihrer IT-Abteilung zusammenarbeiten.

Tabelle 1. Hier ist ein kurzer Blick auf die gängigsten Gerätebusse.

GPIB

Der General Purpose Interface Bus (GPIB) ist eine der gängigsten I/O-Schnittstellen in eigenständigen Geräten. GPIB ist eine digitale, parallele 8-Bit-Kommunikationsschnittstelle mit Datenübertragungsraten von bis zu 8 Mb/s. Der Bus bietet einen System-Controller für bis zu 14 Geräte und die Verkabelung ist auf weniger als 20 m begrenzt. Sie können beide Einschränkungen mit Hilfe von GPIB-Expandern und -Extendern überwinden. GPIB-Kabel und -Steckverbinder sind vielseitig einsetzbar und industrietauglich.

Da es sich bei dem GPIB nicht um einen Bus der PC-Branche handelt, ist er selten nativ auf PCs verfügbar. Stattdessen können Sie eine Steckkarte wie einen PCI-GPIB oder einen externen Konverter wie einen NI-GPIB-USB verwenden, um Ihrem PC GPIB-Gerätesteuerungsfunktionen hinzuzufügen.

Seriell

Seriell ist ein Gerätekommunikationsprotokoll, das hauptsächlich auf älteren Desktop- und Laptop-PCs zu finden ist. Nicht mit USB verwechseln. Seriell ist ein gängiges Kommunikationsprotokoll für Messgeräte in vielen Geräten, und zahlreiche GPIB-kompatible Geräte verfügen über einen EIA232-Port. EIA232 und EIA485/EIA422 können auch als RS232 und RS485/RS422 bezeichnet werden.

Das Konzept der seriellen Kommunikation ist einfach. Der serielle Port sendet und empfängt die Bytes der übertragenen Daten bitweise. Diese Art der Kommunikation ist langsamer als die parallele Datenübertragung, bei der jeweils ein ganzes Byte übermittelt wird, aber sie ist einfacher und für größere Entfernungen geeignet.

Mit dem seriellen Protokoll werden üblicherweise ASCII-Daten übertragen. Dabei werden drei Übertragungsleitungen benötigt, und zwar "Ground", "Transmit" und "Receive". Die serielle Datenübertragung verläuft asynchron. Daher werden zum Senden und Empfangen zwei Leitungen benötigt. Die anderen Leitungen können zum Handshaking genutzt werden, sind aber nicht obligatorisch. Die wichtigsten Kenndaten bei der seriellen Kommunikation sind Baudrate, Datenbits, Stoppbits und Parität. Damit zwei Ports kommunizieren können, müssen diese Parameter übereinstimmen.

USB

Der Universal Serial Bus (USB) wurde in erster Linie entwickelt, um PC-Peripheriegeräte wie Tastaturen, Mäuse, Scanner und Diskettenlaufwerke mit PCs zu verbinden. In den letzten Jahren hat sich die Anzahl der Geräte, die USB-Anschluss unterstützen, dramatisch erhöht. USB ist eine Plug-and-Play-Technologie, bei der der USB-Host automatisch erkennt, wenn ein neues Gerät hinzugefügt wurde, das Gerät nach seiner Identifizierung abfragt und die Gerätetreiber entsprechend konfiguriert.

USB 2.0 ist vollständig abwärtskompatibel mit Low-Speed- und Full-Speed-Geräten. Der Hi-Speed-Modus unterstützt Datenübertragungsraten von bis zu 480 Mbit/s (60 MB/s). Die neueste USB-Spezifikation USB 3.0 verfügt über einen Superspeed-Modus mit einer theoretischen Datenübertragungsrate von bis zu 5,0 Gbit/s.

USB wurde ursprünglich als PC-Peripheriebus konzipiert, aber seine Geschwindigkeit, große Verfügbarkeit und Benutzerfreundlichkeit machen es attraktiv für den Einsatz in Messgerätesteuerungsanwendungen. Die Verwendung zur Gerätesteuerung hat jedoch einige Nachteile. Erstens sind USB-Kabel nicht industrietauglich, was in lauten Umgebungen zu Datenverlust führen kann. Darüber hinaus gibt es keinen Verriegelungsmechanismus für USB-Kabel – die Kabel lassen sich relativ einfach aus dem PC oder Instrument herausziehen. Die maximale Kabellänge in USB-Systemen beträgt 30 m, einschließlich der Verwendung von Inline-Repeatern.

Ethernet

Ethernet ist eine ausgereifte Technologie, die für Messsysteme in anderen Funktionen, einschließlich allgemeiner Netzwerke und Datenspeicherung im Netzwerk, weit verbreitet ist. Mit mehr als 100 Millionen Ethernet-fähigen Computern weltweit bietet Ethernet auch eine attraktive Option zur Gerätesteuerung. Es ist als IEEE-Standard 802.3 definiert und bietet Netzwerkkonfigurationen, die theoretische Datenübertragungsraten von 10 Mbit/s (10BASE-T), 100 Mbit/s (100BASE-T) und 1 Gbit/s (1000BASE-T) unterstützen. Die gängigsten Netzwerke sind 100BASE-T.

Gerätesteuerungsanwendungen über Ethernet können die einzigartigen Merkmale des Busses nutzen, z. B. die Fernsteuerung von Geräten, die vereinfachte gemeinsame Nutzung von Geräten und die einfache Veröffentlichung von Datenergebnissen. Darüber hinaus profitieren Anwender von bestehenden umfangreichen Ethernet-Netzwerken in ihren Unternehmen und Laboren. Dieser Vorteil kann jedoch in einigen Unternehmen ein Problem darstellen, da er die Einbindung von Netzwerkadministratoren in traditionelle technische Anwendungen erzwingt.

Weitere Nachteile von Ethernet als Gerätesteuerungsbus sind tatsächliche Übertragungsraten, Determinismus und Sicherheit. Obwohl Ethernet-Netzwerke theoretische Übertragungsraten von 1 Gbit/s erreichen können, werden diese Raten aufgrund anderer Netzwerk-Traffic-Overheads und ineffizienter Datenübertragung selten in einem echten Netzwerk realisiert. Aufgrund der Unsicherheit der Übertragungsraten ist der Determinismus bei der Kommunikation über Ethernet nicht gewährleistet. Schließlich müssen Benutzer bei sensiblen Daten zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen ergreifen, um Datenintegrität und Datenschutz zu gewährleisten.

PCI

In der Regel wird der PCI-Bus nicht direkt zur Gerätesteuerung verwendet, sondern dient als Peripheriebus zum Anschluss von GPIB- oder seriellen Geräten zur Gerätesteuerung. Aufgrund seiner hohen Bandbreite wird PCI auch als Trägerbus für modulare Messgeräte verwendet, bei denen der I/O-Bus in das Messgerät integriert ist.

PXI

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) ist eine robuste PC-basierte Plattform für Mess- und Automatisierungssysteme. PXI kombiniert die Leistungsmerkmale des elektrischen Bussystems PCI mit den robusten, modularen mechanischen CompactPCI-Chassis im Europakartenformat und umfasst zudem für die Synchronisation konzipierte Busse und spezielle Softwarefunktionen. Dies macht es zu einer leistungsstarken und kostengünstigen Bereitstellungsplattform für Mess- und Steuerungssysteme. Diese Systeme kommen in Anwendungen in Bereichen wie Fertigung, Militär, Luft- und Raumfahrt, Maschinenüberwachung sowie Automotive- und Industrietests zum Einsatz. PXI wurde 1997 entwickelt und 1998 als offener Industriestandard eingeführt, um den steigenden Anforderungen komplexer Messsysteme gerecht zu werden. Heute obliegt er der PXI Systems Alliance (PXISA), einem Konsortium von mehr als 65 Mitgliedsunternehmen, die dafür Sorge tragen, dass der PXI-Standard beworben, Interoperabilität gewährleistet und die PXI-Spezifikation weiter gepflegt wird. PXI wird häufig als Plattform für modulare Messgeräte verwendet und bietet durch kompakte, leistungsstarke Messhardware mit integrierten Ressourcen für Timing und Synchronisierung eine attraktive Alternative zu herkömmlichen eigenständigen Geräten.

PCI Express

PCI Express wird üblicherweise nicht direkt zur Gerätesteuerung verwendet, sondern als Peripheriebus, um GPIB-Geräte mit PCs zur Gerätesteuerung zu verbinden. Aufgrund seiner enormen Geschwindigkeit kann PCI Express als Trägerbus für modulare Instrumente verwendet werden.

Nächste Schritte

• Komplette Anleitung zum Erstellen eines Messgerätesteuerungssystems herunterladen
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