Gerätebus-Leistung: Sinn für konkurrierende Bustechnologien für die Gerätesteuerung

Heute haben USB, PCI Express und Ethernet/LAN als attraktive Kommunikationsoptionen für die Gerätesteuerung an Bedeutung gewonnen. Einige Test- und Messanbieter und Branchenexperten haben behauptet, dass einer dieser Busse für sich genommen eine Lösung für alle Messgeräteanforderungen darstellt. In der Realität ist es höchstwahrscheinlich, dass zwei oder mehr Bustechnologien in zukünftigen Prüf- und Messsystemen weiterhin nebeneinander existieren, da jeder Bus seine eigenen Stärken hat. Die Herausforderung für heutige Testingenieure besteht nicht darin, einen einzelnen Bus oder eine Plattform auszuwählen, auf der jede einzelne Anwendung standardisiert werden soll, sondern darin, einen Bus oder eine Plattform auszuwählen, die für eine bestimmte Anwendung oder sogar einen bestimmten Teil einer Anwendung geeignet ist.

Dieser Beitrag stellt einen direkten Vergleich der gängigsten Instrumentenbusse vor, so dass Testingenieure fundierte Entscheidungen bei der Auswahl der Bus- und Plattformtechnologien treffen können, um ihre anwendungsspezifischen Anforderungen zu erfüllen. Spezifische Bustechnologien, die im Folgenden besprochen werden, sind GPIB, USB, PCI, PCI Express und Ethernet/LAN/LXI.

Zunächst ist es wichtig, die relevanten Leistungskriterien für Gerätesteuerbusse zu skizzieren, um eine Basis für die Auswertung und den Vergleich festzulegen.

Bandbreite

Bei der Betrachtung der technischen Vorteile alternativer Busse sind Bandbreite und Latenz zwei der wichtigsten Busmerkmale. Bandbreite misst die Rate, mit der Daten über den Bus gesendet werden, in der Regel in MB/s (106 Bytes pro Sekunde). Ein Bus mit hoher Bandbreite kann in einer bestimmten Periode mehr Daten übertragen als ein Bus mit niedriger Bandbreite. Die meisten Benutzer erkennen die Bedeutung der Bandbreite, da sie beeinflusst, ob ihre Daten so schnell wie erfasst oder erzeugt über den Bus an einen gemeinsam genutzten Host-Prozessor gesendet werden können und wie viel karteneigenen Speicher ihre Geräte benötigen. Bandbreite ist wichtig in Anwendungen wie der komplexen Signalerzeugung und -erfassung sowie in RF- und Kommunikationsanwendungen. Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ist besonders wichtig für virtuelle und synthetische Messarchitekturen. Die Funktionalität und Persönlichkeit eines virtuellen oder synthetischen Messgeräts wird durch Software definiert. In den meisten Fällen müssen die Daten zur Verarbeitung und Analyse auf einen Host-PC übertragen werden. Abbildung 1 zeigt die Bandbreite (und Latenz) aller in diesem Beitrag untersuchten Messgerätebusse.

Latenzzeit

Latenz misst die Verzögerung bei der Datenübertragung über den Bus. Wenn wir analog einen Instrumentenbus mit einer Autobahn vergleichen würden, würde die Bandbreite der Anzahl der Fahrspuren und der Fahrgeschwindigkeit entsprechen, während die Latenz der Verzögerung an der Ein- und Ausfahrt entspricht. Ein Bus mit geringer (guter) Latenz würde eine geringere Verzögerung zwischen der Übertragung der Daten auf einer Seite und der Verarbeitung auf der anderen Seite verursachen. Die Latenz ist zwar weniger beobachtbar als die Bandbreite, hat jedoch direkte Auswirkungen auf Anwendungen, in denen eine schnelle Abfolge kurzer, zerhackter Befehle über den Bus gesendet wird, z. B. beim Handshaking zwischen Digitalmultimeter (DMM) und Switch oder bei der Gerätekonfiguration.

Nachricht gegenüber registerbasierter Kommunikation

Busse mit nachrichtenbasierter Kommunikation sind in der Regel langsamer, da diese Art der Kommunikation Overhead in Form von Befehlsinterpretation und Auffüllen der Daten verursacht. Bei der registerbasierten Kommunikation erfolgt die Datenübertragung durch direktes Schreiben und Lesen von Binärdaten zu und aus Hardwareregistern auf dem Gerät, was zu einer schnelleren Übertragung führt. Registerbasierte Kommunikationsprotokolle sind am gebräuchlichsten für interne PC-Busse, bei denen Verbindungen physikalisch kürzer sind und der höchste Durchsatz erforderlich ist. Nachrichtenbasierte Kommunikationsprotokolle eignen sich für das Übertragen von Daten über größere Entfernungen und wenn höhere Overhead-Kosten akzeptabel sind. Es ist zu beachten, dass die Latenz- und Bandbreitenmetrik teilweise davon abhängt, ob der Bus eine Nachricht oder eine registerbasierte Kommunikation verwendet, so dass dieser Parameter teilweise in diesen Metriken erfasst wird.

Langstreckenleistung

Für Fernüberwachungsanwendungen und für Systeme, die Messungen über einen großen geografischen Bereich umfassen, wird der Bereich wichtig. Leistung in dieser Kategorie kann als Kompromiss mit Latenz angesehen werden, da die Fehlerprüfung und das Auffüllen von Nachrichten, die hinzugefügt werden, um physische Einschränkungen beim Senden von Daten über längere Kabel zu überwinden, Verzögerungen beim Senden und Empfangen der Daten verursachen können.

Gerätekonfiguration und Softwareleistung

Benutzerfreundlichkeit in Bezug auf Gerätekonfiguration und Softwareleistung ist hier das subjektivste Kriterium. Dennoch ist es wichtig zu diskutieren. Die Gerätekonfiguration beschreibt die „out of the box“-Erfahrung und die Rüstzeit. Die Leistung der Software hängt davon ab, wie einfach Benutzer interaktive Hilfsprogramme oder Standard-Programmier-APIs wie VISA finden, um mit dem Gerät zu kommunizieren und es zu steuern.

Robustheit des Anschlusses

Der physikalische Anschluss für den Bus beeinflusst, ob er für industrielle Anwendungen geeignet ist und ob zusätzlicher Aufwand erforderlich ist, um die Verbindung zwischen dem Gerät und dem System-Controller zu „robust“. Abbildung 2 zeigt mehrere Anschlüsse für Messgerätebusse.

GPIB

Der erste Bus, den wir uns ansehen werden, ist der IEEE-488-Bus, bekannt als GPIB (Universal Interface Bus). GPIB ist ein bewährter Bus, der speziell für Gerätesteuerungsanwendungen entwickelt wurde. GPIB ist seit 30 Jahren ein robuster, zuverlässiger Kommunikationsbus und aufgrund seiner geringen Latenz und akzeptablen Bandbreite immer noch die beliebteste Wahl für die Gerätesteuerung. Mit einer Basis von mehr als 10.000 Instrumentenmodellen mit GPIB-Konnektivität genießt es derzeit die größte Akzeptanz in der Industrie.

Mit einer maximalen Bandbreite von ca. 1,8 MB/s eignet es sich am besten für die Kommunikation mit und Steuerung eigenständiger Geräte. Die neuere Hochgeschwindigkeitsversion HS488 erhöhte die Bandbreite auf bis zu 8 MB/s. Übertragungen erfolgen nachrichtenbasiert, oft in Form von ASCII-Zeichen. Mehrere GPIB-Geräte können bis zu einer Gesamtentfernung von 20 m miteinander verkabelt werden und die Bandbreite wird von allen Geräten auf dem Bus gemeinsam genutzt. Trotz relativ geringer Bandbreite ist die GPIB-Latenz deutlich geringer (besser) als die von USB und insbesondere Ethernet. GPIB-Geräte erkennen oder konfigurieren keine automatische Konfiguration, wenn sie mit dem System verbunden sind. GPIB Software gehört jedoch zu den besten verfügbaren und das robuste Kabel und der Steckverbinder sind für die anspruchsvollsten physikalischen Umgebungen geeignet. GPIB ist ideal für die Automatisierung vorhandener Geräte oder für Systeme, die hochspezialisierte Instrumente erfordern.

USB

USB (universal serial bus) ist in den letzten Jahren zum Anschließen von Computerperipheriegeräten beliebt geworden. Diese Popularität hat sich auf Tests und Messungen übertragen, mit einer wachsenden Anzahl von Geräteherstellern, die USB-Geräte-Controller-Funktionen zu ihren Geräten hinzufügen.

Hi-Speed USB hat eine maximale Übertragungsrate von 60 MB/s, was es zu einer attraktiven Alternative für die Geräteanbindung und Steuerung von eigenständigen und einigen virtuellen Instrumenten mit Datenraten unter 1 MS/s macht. Obwohl die meisten Laptops, Desktops und Server mehrere USB-Ports haben, werden diese Ports in der Regel alle mit demselben Host-Controller verbunden, so dass die USB-Bandbreite von allen Ports gemeinsam genutzt wird. Die Latenz für USB fällt in die bessere Kategorie (zwischen Ethernet am langsamen Ende und PCI und PCI Express am schnellen Ende), und die Kabellänge ist auf 5 m begrenzt. USB-Geräte profitieren von der automatischen Erkennung. Im Gegensatz zu anderen Technologien wie LAN oder GPIB werden USB-Geräte sofort erkannt und vom PC konfiguriert, wenn ein Benutzer sie anschließt. USB-Steckverbinder sind der am wenigsten robuste und am wenigsten sichere der hier untersuchten Busse. Externe Kabelbinder können benötigt werden, um sie an Ort und Stelle zu halten.

USB-Geräte eignen sich gut für Anwendungen mit tragbaren Messungen, Laptop- oder Desktop-Datenprotokollierung und Datenerfassung im Fahrzeug. Der Bus ist aufgrund seiner Allgegenwart auf PCs und vor allem wegen seiner Plug-and-Play-Benutzerfreundlichkeit eine beliebte Kommunikationsoption für Stand-alone-Instrumente geworden. Die USB Test and Measurement Class (USBTMC)-Spezifikation erfüllt die Kommunikationsanforderungen einer Vielzahl von Test- und Messgeräten.

PCI

PCI und PCI Express erreichen von allen hier untersuchten Instrumentenbussen die besten Bandbreiten- und Latenzspezifikationen. Die PCI-Bandbreite beträgt 132 MB/s, wobei diese Bandbreite von allen Geräten auf dem Bus gemeinsam genutzt wird. Die PCI-Latenz ist hervorragend und liegt bei 700 ns, verglichen mit 1 ms im Ethernet. PCI verwendet registerbasierte Kommunikation. Im Gegensatz zu den anderen hier genannten Bussen wird PCI nicht mit externen Geräten verkabelt. Stattdessen handelt es sich um einen internen PC-Bus für PC-Steckkarten und in modularen Instrumentensystemen wie PXI, so dass Entfernungsmaße nicht direkt gelten. Dennoch kann der PCI-Bus durch die Verwendung von faseroptischen MXI-Schnittstellen von NI beim Anschließen an ein PXI-System um bis zu 200 m „verlängert“ werden. Da die PCI-Verbindung computerintern ist, ist es wahrscheinlich fair, die Robustheit des Steckverbinders durch die Stabilität und Robustheit des PCs zu charakterisieren, in dem er sich befindet. Modulare PXI-Instrumentierungssysteme, die auf PCI-Signalen basieren, verbessern diese Konnektivität durch einen leistungsstarken Backplane-Steckverbinder und mehrere Schraubklemmanschlüsse, um Verbindungen an Ort und Stelle zu halten. Nach dem Hochfahren mit PCI- oder PXI-Modulen erkennt und installiert Windows automatisch die Treiber für Module.

Ein Vorteil, den PCI (und PCI Express) mit Ethernet und USB teilen, ist, dass sie universell in PCs verfügbar sind. PCI ist einer der am weitesten verbreiteten Standards in der Geschichte der PC-Industrie. Heute hat jeder Desktop-PC entweder PCI-Steckplätze, PCI-Express-Steckplätze oder beides. Im Allgemeinen können PCI-Geräte niedrigere Kosten erzielen, da diese Geräte auf die Stromversorgung, den Prozessor, die Anzeige und den Speicher des PCs angewiesen sind, auf dem sie installiert sind, anstatt diese Hardware in das Gerät selbst einzubauen.

PCI Express

PCI Express ähnelt PCI. Es ist die neueste Weiterentwicklung des PCI-Standards, ähnlich wie Hi-Speed USB zu USB. Daher gilt ein großer Teil der obigen PCI-Bewertung auch für PCI Express.

Der Hauptunterschied zwischen PCI- und PCI-Express-Leistung besteht darin, dass PCI Express ein Bus mit höherer Bandbreite ist und jedem Gerät eine bestimmte Bandbreite bietet. Von allen Bussen, die in dieser Anleitung behandelt werden, bietet nur PCI Express dedizierte Bandbreite für jedes Peripheriegerät auf dem Bus. GPIB, USB und LAN teilen die Bandbreite über die angeschlossenen Peripheriegeräte auf. Die Daten werden über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Lanes) mit 250 MB/s pro Richtung übertragen. Jede PCI-Express-Verbindung kann aus mehreren Lanes bestehen, so dass die Bandbreite des PCI-Express-Busses davon abhängt, wie er im Steckplatz und im Gerät implementiert ist. Ein x1 (x1)-Link bietet 250 MB/s, ein x4-Link 1 GB/s und ein x16-Link 4 GB/s dedizierte Bandbreite. Es ist wichtig zu beachten, dass PCI Express Software-Rückwärtskompatibilität erzielt, was bedeutet, dass Benutzer, die zum PCI-Express-Standard wechseln, ihre Softwareinvestitionen in PCI beibehalten können. PCI Express auch durch externe Verkabelung erweiterbar.

Interne Hochgeschwindigkeits-PC-Busse wurden für eine schnelle Kommunikation entwickelt. PCI und PCI Express sind daher ideale Buswahlen für leistungsfähige, datenintensive Systeme, bei denen eine große Bandbreite erforderlich ist, sowie für die Integration und Synchronisation mehrerer Gerätetypen.

Ethernet/LAN/LXI

Ethernet ist seit langem eine Option zur Gerätesteuerung. Es ist eine ausgereifte Bustechnologie und wurde in vielen Anwendungsbereichen außerhalb der Mess- und Prüftechnik eingesetzt. 100BaseT Ethernet hat eine theoretische maximale Bandbreite von 12,5 MB/s. Gigabit Ethernet (1000BaseT) erhöht die maximale Bandbreite auf 125 MB/s. In allen Fällen wird die Ethernet-Bandbreite im Netzwerk gemeinsam genutzt. Mit 125 MB/s ist Gigabit Ethernet theoretisch schneller als Hi-Speed USB, aber diese Leistung nimmt schnell ab, wenn mehrere Geräte und andere Geräte Netzwerkbandbreite teilen. Die Kommunikation über den Bus erfolgt nachrichtenbasiert, wobei Kommunikationspakete der Datenübertragung einen erheblichen Overhead verursachen. Aus diesem Grund hat Ethernet die schlechteste Latenz der in dieser Anleitung vorgestellten Bustechnologien.

Dennoch bleibt Ethernet eine leistungsfähige Option für die Schaffung eines Netzwerks verteilter Systeme. Er kann ohne Repeater auf Entfernungen bis zu 85 bis 100 m eingesetzt werden und hat mit Repeatern keine Abstandsbegrenzungen. Kein anderer Bus hat diesen Bereich der Trennung vom steuernden PC oder der steuernden Plattform. Wie bei GPIB ist die Autokonfiguration nicht über Ethernet/LAN verfügbar. Benutzer müssen ihrem Gerät manuell eine IP-Adresse und Subnetzkonfiguration zuweisen. Genau wie USB und PCI sind Ethernet-/LAN-Verbindungen in modernen PCs allgegenwärtig. Dadurch ist Ethernet ideal für verteilte Systeme und Fernüberwachung. Er wird häufig in Verbindung mit anderen Bus- und Plattformtechnologien zum Anschließen von Messsystemknoten verwendet. Diese lokalen Knoten können selbst aus Messsystemen bestehen, die auf GPIB, USB und PCI basieren. Physische Ethernet-Verbindungen sind robuster als USB-Verbindungen, aber weniger robust als GPIB oder PXI.

LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) ist ein neuer LAN-basierter Standard. Der LXI-Standard definiert eine Spezifikation für eigenständige Geräte mit Ethernet-Konnektivität, die Trigger- und Synchronisationsfunktionen hinzufügt.

Trotz der konzeptionellen Bequemlichkeit, einen einzelnen Bus oder Kommunikationsstandard als „ultimative“ oder „ideale“ Technologie zu bezeichnen, lehrt uns die Geschichte, dass mehrere alternative Standards wahrscheinlich weiterhin nebeneinander existieren, da jede Bustechnologie ihre Stärken und Schwächen hat. Tabelle 1 enthält die Leistungskriterien des vorherigen Abschnitts. Es sollte klar sein, dass kein Bus über alle Leistungsmesswerte hinweg überlegen ist.

	Bandbreite (MB/s)	Latenz (μs)	Bereich (m) (ohne Extender)	Einrichtung und Installation	Steckverbinderfestigkeit
GPIB	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	Gut	Am besten
USB	60 (Hochgeschwindigkeit)	1000 (USB) 125 (Hochgeschwindigkeit)	5	Am besten	Gut
PCI	132	0.7	Interner PC-Bus	bessere	bessere Beste (für PXI)
PCI Express	250 (x1) 4000 (x16)	0,7 (x1) 0,7 (x4)	Interner PC-Bus	bessere	bessere Beste (für PXI)
Ethernet/LAN/LXI	12,5 (schnell) 125 (Gigabit)	1000 (schnell) 1000 (Gigabit)	100 m	Gut	Gut

Testsystementwickler können die Stärken mehrerer Busse und Plattformen nutzen, indem sie hybride Systeme erstellen. Hybride Test- und Messsysteme kombinieren Komponenten von modularen Instrumentenplattformen wie PXI und VXI und eigenständige Messgeräte, die über GPIB, USB und Ethernet/LAN verbunden werden. Ein Schlüssel zum Erstellen und Warten eines Hybridsystems ist die Implementierung einer Systemarchitektur, die mehrere Bustechnologien transparent erkennt und die Vorteile einer offenen Multivendor-Computing-Plattform wie PXI nutzt, um I/O-Konnektivität zu erzielen.

Der andere Schlüssel zur erfolgreichen Entwicklung eines Hybridsystems besteht darin, sicherzustellen, dass die Software, die Sie auf der Ebene der Treiber-, Anwendungs- und Testsystemverwaltung auswählen, modular ist. Obwohl einige Anbieter vertikale Softwarelösungen für bestimmte Geräte anbieten, ist die nützlichste Systemarchitektur eine, die die Softwarefunktionen in austauschbare modulare Schichten aufteilt, so dass Ihr System weder an eine bestimmte Hardware noch an einen bestimmten Anbieter gebunden ist. Dieser mehrschichtige Ansatz bietet die beste Wiederverwendung, Modularität und Langlebigkeit von Programmcode. VISA (Virtual Instrument Software Architecture) ist beispielsweise ein herstellerneutraler Softwarestandard für die Konfiguration, Programmierung und Fehlerbehebung von Instrumentensystemen mit GPIB-, VXI-, seriellen (RS232/485), Ethernet-, USB- und/oder IEEE-1394-Schnittstellen. Es ist ein nützliches Werkzeug, da die API für die Programmierung von VISA-Funktionen für eine Vielzahl von Kommunikationsschnittstellen ähnlich ist.

Mit hybriden Systemen können Sie die Stärken vieler Arten von Instrumenten kombinieren, einschließlich veralteter Geräte und spezieller Geräte. Trotz der Anziehungskraft, eine universelle Lösung für die Messtechnik zu finden, erfordert die Realität, dass Testingenieure die Messgeräte und die dazugehörigen Bustechnologien an ihre spezifischen Anwendungsanforderungen anpassen.

NI, ein führender Anbieter automatisierter Tests, ist bestrebt, die Hard- und Softwareprodukte bereitzustellen, die Ingenieure für die Entwicklung dieser Testsysteme der nächsten Generation benötigen.

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