Integration von GPIB, Ethernet/LXI, USB, PXI Express, VXI und anderen Standards in ein Hybrid-Testsystem

Bei der Entwicklung von Testsystemen müssen Entwickler oft eine Vielzahl von Aspekten berücksichtigen. Um die Systemanforderungen zu erfüllen, können sie hybride Systeme erstellen, die von verschiedenen Testplattformen profitieren. So erfordert ein System möglicherweise die Softwareflexibilität und den hohen Durchsatz modularer Instrumentierungsbusse wie VXI, PXI, PXI Express und PCI Express sowie die spezielle Funktionalität eines eigenständigen Geräts wie USB- oder LAN-basierten Geräten einschließlich LXI. Hybrid-Testsysteme kombinieren Komponenten von mehreren ATE-Plattformen wie PXI, PCI, GPIB, VXI, USB oder LAN/LXI in einem System. Darüber hinaus können Ingenieure durch die Verwendung von Hybridsystemen neue Komponenten einfach in ihre bestehenden Systeme integrieren, ohne diese komplett neu auflegen zu müssen.

Der Schlüssel zur Entwicklung dieser hybriden Testsysteme besteht darin, das System mit einer erweiterbaren Ebenen-Architektur zu entwerfen, die dazu beiträgt, Wartung und Upgrades zu optimieren. Durch die Entwicklung hybrider Testsysteme mit mehreren Plattformen und der in der Abbildung gezeigten fünfschichtigen Architektur können Entwickler Hardware klar von Software trennen. Dies vereinfacht die Integration mehrerer Plattformen und erleichtert die Wartung und Upgrades, da nur geringfügige Änderungen in bestimmten Ebenen erforderlich sind, anstatt das System für die Aufnahme neuer Komponenten umzugestalten. Die Architektur beginnt von unten mit dem Device I/O Layer, der die einzelnen verwendeten Instrumente enthält, die auf mehreren Instrumentierungsbussen wie PXI, VXI, USB oder LAN/LXI basieren können. Der Computing Layer umfasst die Embedded- und Remote-Controller zur Steuerung modularer Messgeräte und zum Anschließen an verschiedene eigenständige Busse. Darüber befindet sich der Measurement and Control Services Layer mit den Hardware- und Gerätetreibern, die die Hardware mit der Software verbinden. Die vierte Ebene, der Application Layer, besteht aus den individualisierten Testprogrammen wie einer Digitalmultimetermessung oder einem Leistungsspektrum. Die Architektur schließt ab mit dem System Management Layer, der ein Framework zum Aufrufen der Testprogramme sowie zum Protokollieren von Daten, Erstellen von Protokollen und Verwalten von Benutzern bietet.

Eine Vielzahl von Instrumentierungsbussen – GPIB, USB, LAN einschließlich LXI und seriell – stehen für eigenständige Messgeräte zur Verfügung. Diese Busse haben unterschiedliche Stärken, was sie für verschiedene Anwendungen besser geeignet macht als andere. Mit GPIB profitieren Benutzer von einer bewährten Instrumentierungsbus-Technologie und einer Vielzahl von Instrumenten. Mit USB profitieren Benutzer von der breiten Verfügbarkeit und einfachen Anbindung. Mit LAN/LXI können Benutzer ihre verteilten sowie Entfernungsanforderungen erfüllen. Mit der Vielzahl der verfügbaren Instrumentierungsbusse können Benutzer basierend auf Faktoren wie Messfunktionalität, Bandbreite, Latenz, Leistung und Konnektivität das passende Instrument für ihre Anforderungen auswählen.

GPIB – Der speziell für Prüf-, Mess- und Gerätesteuerungsanwendungen entwickelte General Purpose Interface Bus (GPIB) ist seit 30 Jahren ein robuster und zuverlässiger Kommunikationsbus. Bei Verwendung eines parallelen Busses stellt der GPIB einen Instrumentierungsbus mit geringer Latenz bereit. Mit der Überarbeitung IEEE 488.2-1987 wurde der Standard gestärkt, indem genau definiert wurde, wie Regler und Geräte über GPIB kommunizieren. Darüber hinaus definiert die Version IEEE 488.1-2003 einen Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsmodus, der die Bandbreite um das Achtfache erhöht, um Benutzern 8 MB/s Bandbreite für die Steuerung von GPIB-Geräten bereitzustellen. Da es sich bei dem GPIB nicht um einen Bus der PC-Branche handelt, ist er selten nativ auf PCs verfügbar. Stattdessen verwenden Benutzer in der Regel eine Steckkarte wie NI PCI-GPIB oder externe Konverter wie GPIB-USB, um GPIB-Gerätesteuerungsfunktionen zu ihren PCs hinzuzufügen. Mit fast 10 Millionen Geräten auf dem Markt ist GPIB seit langem ein gängiger und bewährter Kommunikationsbus für eigenständige Geräte.

USB – Der Universal Serial Bus (USB) ist aufgrund seiner Allgegenwart auf PCs, seiner Plug-and-Play-Benutzerfreundlichkeit und seiner hohen Bandbreite ein beliebter Kommunikationsbus für eigenständige Geräte. Aufgrund der großen Verfügbarkeit von USB-Ports auf Computern können Entwickler die einfache Verbindung und Konfiguration nutzen, um USB-basierte Instrumente schnell in ihre Systeme zu integrieren. Mit dem Start von USB 2.0 wurde eine neue Kategorie von Hochgeschwindigkeitsgeräten eingeführt, die eine maximale Übertragungsrate von 480 Mb/s erreichen kann und die minimale Frame-Latenz von 1 ms auf 250 μs reduziert. Darüber hinaus erfüllt die USB-Spezifikation „Test and Measurement Class“ (USBTMC) die Kommunikationsanforderungen einer Vielzahl von Test- und Messgeräten, von einfachen Sensoren bis hin zu Großrechnern mit mehreren Messfunktionen. Das USBTMC setzt ein auf USB basierendes Protokoll ein, das eine GPIB-ähnliche Kommunikation mit USB-Geräten ermöglicht, sodass sich das USB-Gerät aus Sicht des Benutzers wie ein GPIB-Gerät verhält. So können Entwickler z. B. mit der Funktion „VISA: Schreiben“ die Abfrage „*IDN?“ senden und mit der Funktion „VISA: Lesen“ die Antwort abrufen. Das USBTMC-Protokoll unterstützt Dienstanfragen, Trigger und andere GPIB-spezifische Operationen.

LAN mit LXI – Als ausgereifte Technologie wird LAN (Local Area Network) in der Regel in Testsystemen in nicht messbaren Kapazitäten verwendet, einschließlich allgemeiner Netzwerk- und Remote-Datenspeicherung. LAN ist ideal für verteilte Systeme und Fernüberwachung geeignet. Mit der großen Verfügbarkeit auf Computern hat LAN als Kommunikationsbus für eigenständige Messgeräte eine hohe Popularität. Da LAN lange Kabellängen mit Switches, Routern und Repeatern unterstützt, müssen Benutzer die Messgeräte nicht lokal vorhalten und können eigenständige Geräte in einem Netzwerk verteilen. Darüber hinaus enthält die VXI-11-Spezifikation einen Standardsatz von Protokollen für die Kommunikation mit nachrichtenbasierten Geräten über TCP/IP. Als Teil der VXIbus-Spezifikationen definiert die VXI-11-Spezifikation ein Netzwerkgeräteprotokoll für die Kommunikation zwischen Controllern und Geräten über ein TCP/IP-Netzwerk. Der LXI-Standard (LAN eXtensions for Instrumentation) definiert Geräteklassen basierend auf LAN und umfasst optionale Synchronisation basierend auf IEEE-1588-Technologie sowie optionale Trigger-Spezifikationen mit dem LXI-Trigger-Bus. LXI-Geräte sind eine Untergruppe eigenständiger LAN-Geräte. Wenn Sie diese zusätzlichen Spezifikationen des LXI-Standards anwenden, können Benutzer ein Timing- und Synchronisationsniveau für Systeme mit niedriger Frequenzverteilung und Fernüberwachung hinzufügen.

Mit all diesen Instrumentierungsbussen stehen Benutzer immer noch vor den gleichen Herausforderungen wie mit jedem eigenständigen Gerät. Eigenständige Geräte können insofern vorteilhaft sein, als sie spezielle Funktionen oder Leistungen bieten – aber diese Geräte sind herstellerdefiniert und proprietär. Entwickler sehen sich daher eingeschränkter Integration und Erweiterbarkeit gegenüber und sind gezwungen, mit einem proprietären Softwaremodell zu arbeiten.

Mit modularer Instrumentierung können Entwickler von offenen Standards und Softwareflexibilität profitieren, um eine benutzerdefinierte Lösung für ihre spezifischen Anwendungsanforderungen zu erstellen. Durch eine modulare Architektur und offene Standards können sie Komponenten von mehreren Anbietern einfach in ein System integrieren und das System bei Bedarf skalieren. Mit hohem Durchsatz, geringer Latenz und mit Softwareflexibilität können Entwickler ein benutzerdefiniertes Testsystem erstellen, das viele Anforderungen an die Anwendungsleistung erfüllt. Modulare Instrumentierungsbusse bieten im Vergleich zu eigenständigen Instrumentierungsbussen einen besseren Durchsatz und eine bessere Latenz, was bei vielen Anwendungsanforderungen wie Hochgeschwindigkeitsdaten-Streaming nützlich ist. Durch die Nutzung eines offenen Softwaremodells und der PC-Rechenleistung können Benutzer alle erforderlichen Messungen aus den Daten modularer Instrumente entnehmen. Dies gibt Benutzern die Flexibilität, ein System nach Bedarf zu entwerfen und nur für die Komponenten zu bezahlen, die für die Anwendung erforderlich sind.

VXI – Das VXI-Konsortium wurde 1987 mit einer Charta gegründet, die einen Instrument-on-a-Card-Standard verschiedener Anbieter definierte. Seitdem hat das Konsortium Komponenten auf Systemebene definiert, die für die Interoperabilität der Hardware erforderlich sind. Die IEEE hat die VXI-Spezifikation IEEE 1155 im März 1993 offiziell angenommen. Die im September 1993 gegründete VXIplug&play Systems Alliance strebte eine höhere Systemstandardisierung an, um alle VXI-Systemkomponenten abzudecken. Durch die Fokussierung auf Softwarestandardisierung definierte die Allianz Standards, um VXI-Systeme einfach zu integrieren und zu verwenden und gleichzeitig die Interoperabilität von Software verschiedener Hersteller aufrechtzuerhalten. Mit dem Erfolg von Standards verschiedener Hersteller und soliden technischen Spezifikationen wird VXI von mehr als 250 Anbietern mit mehr als 1.000 verfügbaren Produkten unterstützt. Der Erfolg von VXI als offene, herstellerübergreifende Plattform belegt den Wert von herstellerneutralen Standards.

VXI wird in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von Tests und Messungen über ATE bis hin zur Datenerfassung und -analyse in der Forschung und industriellen Automation. Obwohl einige VXI-Systeme heute rein auf VXI basieren, migrieren viele Benutzer zu VXI, indem sie es in bestehende Systeme integrieren, die aus GPIB-Instrumenten, VME-Karten oder Plug-in-Datenerfassungskarten bestehen. Benutzer können ein VXI-System mit einem Universalcomputer außerhalb des Systems über die MXI-Busschnittstelle (Multisystem eXtension Interface) oder GPIB steuern. Sie können auch Computer in VXI-Chassis einbinden und das System direkt steuern. Unabhängig von den Systemkonfigurationsanforderungen eines Benutzers bietet VXI die Flexibilität und Leistung für die anspruchsvollsten Anwendungen von heute.

PCI und PXI – Anfang der 1990er Jahre eingeführt, wurde PCI erstmals als Chip-zu-Chip-Verbindung implementiert, um den fragmentierten ISA-Bus zu ersetzen. Der PCI-Bus bot gegenüber bisherigen Busimplementierungen mehrere Vorteile, wie Prozessorunabhängigkeit, gepufferte Isolierung, Bus-Mastering und echten Plug-and-Play-Betrieb. In der Regel wird der PCI-Bus nicht direkt zur Gerätesteuerung verwendet und 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 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 Test-, Mess- und Steuerungssysteme. Diese Systeme kommen in Anwendungen in Bereichen wie Fertigung, Militär, Luft- und Raumfahrt, Maschinenüberwachung sowie Automobil- und Industrietests zum Einsatz. Mit PCI-basierter Kommunikation profitiert PXI von geringer Latenz und hohem Durchsatz bei 132 MB/s. Darüber hinaus bietet PXI zusätzliches Timing und Triggerung mit einem 10-MHz-Referenztakt, einem achtzeiligen Trigger-Bus und STAR-Trigger-Leitungen mit dedizierten Trigger-Leitungen mit Intermodul-Laufzeitunterschieden innerhalb von 1 ns. 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 – Da PCI-Anwendungen immer bandbreitenintensiver werden, stößt der PCI-Bus in vielen Situationen an seine physikalischen Grenzen. Daher hat PCI-SIG, der Normenausschuss, der PCI definiert, PCI Express eingeführt, mit dem Hauptziel, eine skalierbare, kostengünstige Schnittstelle bereitzustellen, die viele verschiedene Märkte bedient und Kompatibilität auf Softwareebene mit vorhandenen PCI-Kartentreibern und -Software bietet. Die Kompatibilität mit dem PCI-Adressierungsmodell wird beibehalten, um sicherzustellen, dass alle vorhandenen Anwendungen und Treiber unverändert funktionieren. PCI Express ist eine Weiterentwicklung von PCI und bietet eine einfache Kommunikationsspur von 250 MB/s in jede Richtung in einer Einfach-Implementierung und bis zu 4 GB/s in einer 16-fach-Implementierung. Darüber hinaus bietet PCI Express durch das Verbinden jedes PCI-Express-Steckplatzes mit einem Switch Fabric unabhängige Bandbreite für jeden Steckplatz anstelle der gemeinsamen Bandbreite in PCI. PCI Express wurde unter Berücksichtigung von Kompatibilitätsanforderungen entwickelt und verwendet eine gut strukturierte Schichtarchitektur, um Kompatibilität mit zukünftigen Generationen sowie Softwarekompatibilität mit PCI zu gewährleisten. 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.

PXI Express – Da die Verwendung von PCI in der Kommunikations-Backplane zur schnellen Einführung von PXI beigetragen hat, kann PXI Express durch die Integration von PCI Express in den PXI-Standard noch mehr Anwendungsanforderungen erfüllen. Durch die Nutzung der PCI-Express-Technologie erhöht PXI Express die verfügbare PXI-Bandbreite von 132 MB/s auf 6 GB/s. Dadurch wird die Bandbreite um mehr als das 45-Fache verbessert, während die Software- und Hardwarekompatibilität mit PXI-Modulen beibehalten wird. Mit dieser verbesserten Leistung kann PXI in viele neue Anwendungsbereiche vordringen, von denen viele bisher nur durch teure und proprietäre Hardware bedient wurden. Mit der Softwarekompatibilität von PCI Express wird das von PXI bereitgestellte Standard-Software-Framework in PXI Express übernommen. Zur Gewährleistung der Hardwarekompatibilität definiert die neue CompactPCI-Express-Spezifikation einen neuen hybriden Slot, der Ingenieuren die Möglichkeit bietet, Module mit PCI- oder PCI-Express-Architektur in einem Slot zu installieren. Mit dieser Technologie können Ingenieure und Anbieter ihre bestehenden Investitionen in PXI-Systeme und -Produkte durch Hardware- und Softwarekompatibilität beibehalten.

Hybridsysteme ermöglichen den kombinierten Einsatz modularer Instrumentierungsbusse und kommerzieller Busschnittstellen für eigenständige Geräte, sodass Benutzer von der hohen Geschwindigkeit und Flexibilität modularer Geräte profitieren und vorhandene oder spezielle eigenständige Geräte verwenden können. Das verwendete Software-Framework ist entscheidend für die erfolgreiche Integration dieser verschiedenen Plattformen in ein System und die einfache Anpassung an sich ändernde Instrumentierungsbusse. Mit dem Wachstum kommerzieller Busse gewinnen die Software-Ebenen der Hybridarchitektur noch mehr an Bedeutung. Da sich kommerzielle Busse per Definition sehr schnell ändern, gewinnt die Software-Ebene an Bedeutung, da sie eine Abstraktionsschicht bietet, um sich an kommerzielle Busse anzupassen und mit ihnen Schritt zu halten.

Ein integraler Bestandteil des Software-Frameworks ist die Ebene für Treibersoftware für Mess-, Steuer- und Regelanwendungen, die flexible Gerätetreiber enthält, die Hardware und Software verbinden und die Konfiguration und Integration von Hardware mit dem Testcode vereinfachen. Um Hardware nahtlos in Software zu integrieren, benötigen Ingenieure Treiber, die hohe Leistung, Flexibilität bei der Programmierung und eine einheitliche und skalierbare Programmierschnittstelle (Application Programming Interface, API) bieten. Der Standard Virtual Instrument Software Architecture (VISA) bietet eine gemeinsame API zur Kommunikation mit der Treibersoftware unabhängig vom verwendeten Instrumentierungsbus. VISA stellt einen Standardsatz von Funktionsaufrufen für die Kommunikation mit Geräten basierend auf PXI, VXI, GPIB, LAN/LXI usw. bereit. Durch die Austauschbarkeit von Controllern und Bussen unterstützt VISA Entwickler beim Austausch der verwendeten Controller. Gerätetreiber sind zudem ein kritischer Bestandteil der Anwendung, da sie Gerätefunktionen angemessen für den Einsatz in der Entwicklungsumgebung abstrahieren. IVI-Treiber (Interchangeable Virtual Instrument) sind ein Standard für Gerätetreiber, da sie es Ingenieuren ermöglichen, Instrumente in einem System auszutauschen, ohne Testsoftware für bestimmte Klassen von Geräten wie Oszilloskope oder Schalter zu ändern. Ein IVI-Gerätetreiber, der einer dieser Klassen entspricht, kann unabhängig vom Hersteller oder Busanschluss durch ein anderes Gerät derselben Klasse ersetzt werden. Mit Hilfe von IVI-Treibern könnte ein Entwickler beispielsweise denselben Programmcode zur Kommunikation mit einem PXI-, VXI-, GPIB- oder LAN/LXI-Gerät verwenden.

Mit hybriden Testsystemen können Benutzer modulare Instrumentierungsbusse mit Peripheriebussen für eigenständige Instrumentierung kombinieren. Durch die Nutzung neuer Instrumentierungsbusse wie PXI und PXI Express oder USB- und LAN/LXI-Geräte können Entwickler hybride Testsysteme verwenden, um mehrere Plattformen in einem System zu integrieren. Mit der Möglichkeit, Plattformen zu mischen, können Entwickler die hohe Geschwindigkeit, Flexibilität und anpassbare Software verwenden, die mit modularen Instrumentierungsbussen in Verbindung mit eigenständiger Instrumentierung zur Verfügung steht. Der Schlüssel zur erfolgreichen Integration von Geräten, die auf Bussen wie PXI, USB oder LAN/LXI basieren, in ein System ist die Nutzung der Softwarearchitektur und -abstraktion durch Tools wie VISA und IVI. Mit dieser Software haben Benutzer, auch wenn sich kommerzielle Busse ändern, eine Abstraktionsebene, die die Auswirkungen von Buswechseln minimiert.