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Der Beitrag führt die Vorteile modularer Messgeräte vor Augen. Er liefert einen kurzen Leitfaden und wertvolle Hinweise für eine erfolgreiche Implementierung modularer Lösungen.

Es gibt viele gute Gründe, von Benchtop- zu modularen Messgeräten zu wechseln. Einer der Vorteile der modularen Bauart ist der geringe Platzbedarf. Mit dieser Bauform kann man in wenig Platz eine vielkanalige Test­lösung unterbringen, ohne dass jedes einzelne Messgerät seinen eigenen Bildschirm und sein eigenes Bedienpaneel braucht. Die offene Systemarchitektur erlaubt es dem Messingenieur, Module von verschiedenen Herstellern und verschiedene Messgeräte zu einem System zusammen­zubauen. Für Anwendungen mit mehreren Kanälen ist die Skalierbarkeit modularer Systeme sehr attraktiv, weil damit zeit- und phasenrichtige vielkanalige Messungen möglich sind. Mit optimierten Treibern, die den direkten Zugang zum Systembus ermöglichen, erreicht man einen hohen Durchsatz. All das führt zu großen Ersparnissen beim Gesamtaufwand.

Vom Benchtop-Gerät zum modularen System

Der Übergang von Benchtop-Mess­geräten zu einem modularen Testsystem bedeutet eine erhebliche Umstellung. Die Umsetzung der richtigen Strategie, die den heutigen und auch den zukünftigen Testbedarf abdeckt, spart dabei Ingenieurzeit und somit Kosten. Ein guter Überblick über Für und Wider und die Möglichkeiten des Systems unterstützt bei der erfolgreichen Entwicklung eines neuen modularen Testsystems oder der Aufrüstung eines bereits vorhandenen Testsystems mit PXI- oder AXIe-Mess­geräten.

Dieser Artikel behandelt in erster Linie PXI; einiges hier Beschriebene gilt aber auch für AXIe. AXIe ist von seiner Leistung her praktisch der große Bruder von PXI. Aus Sicht des Hostcontrollers sieht ein AXIe-Modul genauso aus wie ein PXI-Modul, namentlich hat es die gleiche PCIe-Busschnittstelle. Der Hauptunterschied besteht darin, dass AXIe für Hochleistungsanwendungen optimiert ist, etwa Hochenergie­physik oder Tests für Mehrkanal-Antennensysteme. AXIe bietet auf seinen größeren Leiterplatten mehr Bauraum und stellt auch mehr Versorgungsleistung pro Einbauplatz zur Verfügung.

Die Infrastruktur

Bild 1: Sternförmige und Daisy-Chain-Konfigurationen von PXI-Messsystemen.

Bild 1: Sternförmige und Daisy-Chain-Konfigurationen von PXI-Messsystemen. Keysight Technologies

Die Zusammenstellung eines PXI-Testsystems beginnt mit der Wahl der Infrastruktur, namentlich der Wahl von Grund­gerät, Controller und Schnittstelle. Das Grund­gerät bietet gemeinsame Stromver­sor­gung und gemeinsame Kühlung für alle PXI-Mess­geräte-, Schalter- und Steuermodule. Es gibt etliche Hersteller für PXI-Grund­geräte und tausende PXI-Module von verschiedenen Herstellern. Ein Entwickler eines Testsystems sollte sich daher mit der Interoperabilität von PXI auskennen. Tipps:

  • Der Zukunftssicherheit wegen sollte man ein Grund­gerät mit möglichst vielen hybriden Einbauplätzen wählen, die sowohl PXIe-Module als auch PXI-1-Hybridmodule aufnehmen können.
  • Sofern man einen externen Controller einsetzt, sollte man eine PCIe-Adapterkarte wählen, die lange PCIe-Leitungen unterstützt und Taktisolation mit geringem Takt/Daten-Jitter leistet.
  • Sofern man einen externen Controller einsetzt, sollte man einen Controller auswählen, bei dem vorab geprüft ist, dass BIOS und Signalcharakteristik eine volle Enumeration des PXIe-Grund­geräts unterstützen.
  • Sofern man ein PXIe-Grund­gerät mit eingebautem Controller nutzt, sollte man beachten, dass ein PXIe-Grund­gerät einen PXIe-Controller erfordert, beziehungsweise dass ein PXI-1-Grund­gerät einen PXI-1-Controller erfordert.
  • Bevorzugt werden sollten PXI-Module, die mit PXI-Hybridslots kompatibel sind. Bei älteren PXI-1-Modulen ist das eventuell nicht der Fall.
  • Gewählt werden sollte eine Testplattform mit längerer Lebensdauer und optionalen Garantie- und Kalibrier­plänen, niedrigen Ausfallraten und flexiblen Liefermöglichkeiten, um die Ausfallzeit des Systems möglichst gering zu halten.
  • Man wähle Messgeräte mit der Option der regelmäßigen Kalibrierung, um sicherzustellen, dass die Mess­geräte stets die spezi­fi­zierte Genauig­keit einhalten. Damit vermeidet man fehlerhafte Funktionstests der Produkte.
  • Ein Testsystem wird zukunftssicher, wenn man eine PXI- oder AXIe-Plattform wählt, deren Leistungs­fähig­keit sich mit wachsendem Testbedarf flexibel aufrüsten lässt. Am günstigsten erfolgt die Aufrüstung über die Freischaltung neuer Messoptionen mittels Lizenzschlüsseln.
Bild 2: PCI-Treiber-Stacks für die Interoperabilität von Modulen verschiedener Hersteller.

Bild 2: PCI-Treiber-Stacks für die Interoperabilität von Modulen verschiedener Hersteller. Keysight Technologies

Bei größeren Testsystemen können mehrere Grund­geräte in verschiedener Konfiguration mitein­ander verbunden werden. Möglich ist beispielsweise eine sternförmige Verbindung mit dem zentralen PC oder auch ein Daisy-Chain Aufbau. Bild 1 zeigt verschiedene Beispiele für sternförmige und Daisy-Chain-Konfigurationen.

PXI-Software und Programmierung

Bei jedem automatisierten Testsystem spielt die Software eine wichtige Rolle. Für jedes Modul hat man mehrere Software-Optionen. Bei der Wahl von Messmodulen ist es wichtig, dass der Systemingenieur versteht, wie die Module miteinander kommunizieren, wie die Module per Software gesteuert werden und wie man die richtige Balance zwischen Programmieraufwand und Durchsatz des Testsystems findet.

Der grundlegende Kommunikationsweg für PXI-Messgeräte ist PCI. Die elektrische Spezifikation des PCI-Busses liefert die Grundlage für die physikalische Verbindung. Der PCI-Gerätetreiber liefert eine gemeinsame Basis für den Softwarezugang. Damit Skalierbarkeit und Unterstützung für die vielen unterschiedlichen Messgeräte gewährleistet ist, ist der Treiber-Stack gewöhnlich in mehrere Schichten unterteilt. Bild 2 zeigt, wie Treiberkern, VISA- und IVI-Stack zusammenarbeiten. Diese Komponen­ten bilden zusammen eine eng aufeinander abgestimmte Gruppe, die die Koexistenz von PCI-Treiber-Stacks verschiedener Hersteller ermöglicht.

Ein Kerneltreiber, der mit dem Messmodul geliefert wird, bietet dem Modul die Schnittstelle zum PCIe-Bus und für die Kommunikation mit der VISA-Bibliothek (Virtual Instrument Software Architecture) in der I/O-Schicht der Software. Die IVI-Treiber (Interchangeable Virtual Instrument), beispielsweise IVI-C, IVI-COM und IVI-NET-Treiber, werden üblicherweise vom Hersteller der PXI- beziehungsweise AXIe-Module geliefert. Sie stellen eine Programmierschnittstelle zur Testsystemsoftware zur Verfügung.

PXI-Messgeräte werden mit einem Programm geliefert, das auf dem Bildschirm ein Bedienpaneel nachbildet. Mit dieser grafischen Schnittstelle kann man ganz einfach die Kommunikation zwischen PC und Messgerät prüfen, Steuerbefehle für das Messgerät generieren, sie ausführen lassen und die Messergebnisse anzeigen. Bei der Inbetriebnahme und später bei der Fehlersuche und Programmierung ist ein solches virtuelles Bedienpaneel ausgesprochen hilfreich.

Bild 3: PXI-Controller und Schnittstellenkarten.

Bild 3: PXI-Controller und Schnittstellenkarten. Keysight Technologies

Für viele Anwendungen wie beispielsweise im Netzwerkanalyse- beziehungsweise Oszilloskope-Umfeld liefert der Hersteller umfangreiche Messsoftware mit. Hierbei ist die Bedienung, das Userinterface als auch die Messmöglichkeiten identisch zu den als Benchtop erhältlichen Geräten. Die Durchgängigkeit der Testumgebung von Benchtop-Geräten, die eher im Entwicklungsumfeld eingesetzt werden, zu Produktionsumgebungen ist dadurch sichergestellt und stellt eine erhebliche Optimierung dar.

Wenn es um die maximale Testgeschwindigkeit geht (also maximalen Durchsatz), braucht man dafür eigene Programme. Messingenieure schreiben solche Programme in Umgebungen wie C, C++ oder C#. Für minimale Testzeiten senden solche Programme direkte I/O-Steuerbefehle (namentlich SCPI-Befehle) an die Messgeräte. Mit modernen Messgerätetreibern in Programmierumgebungen wie etwa Labview, Microsoft Visual Studio, VEE und Matlab erreicht man aber eben­falls einen hohen Durchsatz.

Selbstgeschriebene Messprogramme sind bezüglich der erreichbaren Messgeschwindigkeit flexibler als vorgefertigte Lösungen. Sie erfordern aber mehr Entwicklungszeit, und die Messgenauigkeit hängt vom Software-Entwickler ab. Eine Alternative sind fertige Anwendungen wie etwa die Keysight VSA-Software 89600, Signal Studio und System Vue. Diese Anwendungen sind einfacher anzuwenden als eine Eigenentwicklung, die Erstellung der Messprogramme erfordert weniger Zeit und die Messgenauigkeit ist gewährleistet. Auch diese fertigen Lösungen bieten eine Reihe spezieller Mess- und Analysefunktionen. Für komplexere Systeme und automatisierte Abläufe speziell im Fertigungsbereich, empfiehlt es sich die KS8400A Test Automation Platform (TAP) von Keysight einzusetzen. Tipps:

  • Verwenden Sie den Gerätemanager von Windows, um zu prüfen, ob ein PXI-Modul richtig am PCI-Bus angeschlossen ist und ob dem Messgerät ein Treiber zugeordnet ist.
  • Wenn Sie mit VISA-Aliasen oder Ressourcen-Bezeichnern arbeiten, setzen Sie diese mit der Software des jeweiligen Herstellers ein, etwa mit dem Connection Expert von Keysight für Keysight-Module und mit MAX von National Instruments für NI-Module.
  • Um konsistente und verlässliche Messergebnisse vom Labor bis zur Produktion sicherzustellen, verwenden Sie in allen Bereichen die gleichen Messanwendungen.
  • Achten Sie für maximale Flexibilität bei der Entwicklung des Messsystems darauf, dass der Hersteller des modularen Messgeräts Treiber und Software mitliefert, die die führenden Entwicklungsumgebungen unterstützen, namentlich Labview und Labwindows von National Instruments, Visual Studio von Microsoft, VEE von Keysight und Matlab von Mathworks.