Wie lässt sich USB-TMC ohne Hürden integrieren? Eine Plug-and-Play-Lösungen für kleinere Messgeräte-Anbieter. (Bild: TSEP)
Für kleinere Messgeräte-Hersteller gab es bisher nur wenige Möglichkeiten, eine USB-TMC-Schnittstelle für ihre Messgeräte bereitzustellen: Entweder eine eigene Implementierung zu entwickeln, oder in großen Stückzahlen die entsprechenden Chips zu kaufen. Der neu entwickelte Adapter von TSEP macht jetzt aus jedem konventionellen USB-Anschluss (USB 3.0) eines Messgerätes einen USB-TMC-Anschluss.
Wie entstand der USB-TMC Adapter?
Die hardwaretechnische Ansteuerung von Messgeräten hat sich in den letzten 50 Jahren stetig weiterentwickelt – von den betagten GPIB- und RS-232-Schnittstellen hin zu den aktuellen Schnittstellen Ethernet LAN und USB. Die verwendete Ethernet-LAN-Schnittstelle hat sich bei vielen Messgeräten faktisch als Standard etabliert und befindet sich vielfältig im Einsatz, vor allem dann, wenn mehrere Geräte oder Rechner in Messsystemen zusammenarbeiten müssen. Hierbei wird ein erhöhter Aufwand für die Konfiguration und die direkte Integration in Firmennetze in Kauf genommen.
Bei Geräten, die eher als Desktop-Variante Verwendung finden, wird ein derartiger Aufwand meist nicht betrieben. Hier ist die Verwendung einer Plug-And-Play Schnittstelle wünschenswert. USB-Schnittstellen bieten sich als solche einfachen Schnittstellen an und haben über die letzten Jahre gezeigt, das sich damit Geräte unterschiedlicher Hersteller einfach an Rechnern anbinden lassen. Um Messgeräte mit einem ähnlichen Verfahren wie Tastaturen oder USB-Storage anzubinden, wurde hierfür die USB-Spezifikation (siehe USB.org) um einen Abschnitt für Messgeräte (USB-TMC) erweitert. Dieser definiert die Rahmenbedingungen und die Grundlage für ein einfaches Plug-and-Play-System für Messgeräte – diese Erweiterung unterstützt das automatische Erkennen von USB-Schnittstellen (USB-TMC) an USB-Ports und ermöglicht es, herstellerunabhängig diese Schnittstelle zu verwenden.
Alle großen Messgeräte-Hersteller führen die USB-TMC-Schnittstelle für ihre Messgeräte im Portfolio, bei kleineren oder mittelständischen Messgeräte-Herstellern findet sich diese Schnittstelle jedoch eher selten. Entsprechende USB-Chips für die aktuelle USB-TMC-Spezifikation sind nur in größeren Stückzahlen bei vereinzelten Herstellern verfügbar. Für Firmen, die lediglich geringe bis mittlere Stückzahlen für ihre Messgeräte benötigen, erschwert sich die Bereitstellung der USB-TMC-Schnittstelle deshalb. Möglich sind hier nur eigene Implementierungen oder die Lizenzierung von anderen Herstellern.
Alternative zur Eigenentwicklung: Was steckt hinter dem Konzept?
Mit der Einführung der Dual-Role-USB-Chips auf Rechnerboards entstand eine alternative Möglichkeit für eine Realisierung. Als Hersteller eines eigenen SCPI-Remote-Systems war TSEP an einer Unterstützung der USB-TMC-Schnittstelle für kleinere Messgeräte-Hersteller stark interessiert und evaluierte diesbezüglich mehrere Rechnerboards. Das Ergebnis war ernüchternd, alle getesteten Rechnerboards waren kundenspezifische Versionen (BIOS etc.), die in den Tests nicht die geforderten Resultate brachten. Die Probleme bei der Evaluierung konnten nicht oder nur unzulänglich mit den Herstellern geklärt werden. Deshalb wurde ein derartiger Ansatz für die Implementierung der USB-TMC Schnittstelle mit Hilfe eines Dual-Role-USB-Chips wieder verworfen.
Da aber weiterhin eine rege Nachfrage nach der USB-TMC-Schnittstelle bestand, wurde nach anderen Möglichkeiten gesucht, um diese für kleinere Messgeräte-Hersteller bereitzustellen. Bei einer weiteren Evaluierung wurde TSEP auf einen Infineon µC mit USB 3.0 Interface und entsprechenden Ressourcen aufmerksam. Eine der grundlegenden Anforderungen an eine solche USB-TMC-Schnittstelle beinhaltet die Transferrate bei der Übertragung von Daten. Moderne Messgeräte können mittlerweile IQ-Daten im GBit/s Bereich bereitstellen – woraus sich ableiten lässt, dass eine zu realisierende USB-TMC-Schnittstelle mindestens auf USB 3.0 aufbauen muss. Der im Fokus stehende USB µC unterstützt auf jeden Fall USB 3.0 mit einer Datenrate von 5 GBit/s, was als grundlegende Datenrate ausreichend scheint. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, diese USB-Schnittstelle alternativ mit USB 3.1 Gen1/Gen2 oder USB 3.2 zu betreiben. Ob Spezifikationen für das vorgesehene Konzept für die USB-TMC-Implementierung realisierbar sind, soll bis im Sommer 2025 evaluiert und mit möglichen Erweiterungen ergänzt werden.
Von der Evaluation zum serienreifen Adapter
Aufgrund der positiven Evaluierungsergebnisse hat TSEP im Sommer 2024 einen Prototyp, basierend auf einem entsprechenden Infineon Entwicklungsboard (Bild 1) mit diesem µC entwickelt. Hierbei sollte geprüft werden, ob das entwickelte Konzept prinzipiell möglich war und die minimal geforderte Datenrate von ca. 5 GBit/s erreicht werden kann.
Bereits im Herbst 2024 konnte der Spezialist für Sensor- und Messtechnik mit diesem Prototyp den Nachweis der Machbarkeit erbringen. Damit stand der Erstellung eines eigenen Prototyps mit eigenem Layout nichts mehr im Wege. Im Januar 2025 war das Layout des Prototyps soweit fertig, dass eine erste Serie von 3 Adaptern gefertigt werden konnte. (Bild 2).
Die Inbetriebnahme und die Tests des Prototyps waren so erfolgreich, dass bereits im März 2025 das Layout für eine erste Kleinserie von 10 Adapter freigegeben werden konnte. Diese ersten Adapter dienen zur Fertigstellung der Firmware und notwendigen Treiber.
So funktioniert der USB-TMC Adapter im Detail
Das Grundkonzept des USB-TMC Adapters umfasst einen USB 3.x Stecker Typ A für den Anschluss an einem beliebigen USB-Port am Messgerät.
Der USB-TMC-Adapter besitzt jedoch auch einen USB 3.0 Stecker des Typ B, der den eigentlichen USB-TMC-Port darstellt. An diesem USB-Port können sich dann die Steuerrechner mit dem Messgerät verbinden.
Um den Adapter am Messgerät zu betreiben, bietet TSEP für die gängigen Betriebssysteme Windows und Linux (Ubuntu, Yocto) entsprechende Treiber. Auch eine Unterstützung für andere Betriebssysteme, wie Linux-Derivate, RealTime oder Embeeded-Betriebssysteme, sind auf Nachfrage erhältlich. Auf der Clientseite (Steuer-PC) kann dann jeder Messgeräte-Hersteller über eine der standardisierten VISA-Implementierungen (NI, Keysight oder R&S) das Messgerät ansteuern.
Im Laufe des Jahres 2025 soll auch eine eigene Visa-Implementierung vorgestellt werden, welche die Standard-Schnittstellen RS232, Ethernet, HiSlip und USB-TMC unterstützt.
Wer bereits das SCPI-Remote-System Poseidon einsetzt, kann den externen Adapter native oder als eigene Platine in seinen Geräten nutzen. Dieses Remote-System bringt alle notwendigen Treiber und erforderliche Software-Erweiterungen (Channels) mit und bietet damit eine einfache und effektive Lösung für eine Integration der USB-TMC-Schnittstelle.
Integration leicht gemacht: Diese Varianten gibt es
Der neue USB-TMC-Adapter steht in den unterschiedlichsten Varianten zur Verfügung: Eine Variante besteht darin, dass Messgeräte-Hersteller den USB-TMC-Adapter in Lizenz direkt als externen Adapter verkaufen. Dabei können die Adapter entweder fertig über TSEP erworben oder selbstständig produziert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Produkt-Id, die Vendor-Id sowie optionale Beschreibungen kundenspezifisch anzupassen. Der externe Adapter lässt sich einfach an einem freien USB-Port des Messgeräts anstecken. Die Messgeräte-Firmware kann dann direkt über den USB-Port auf den USB-TMC-Adapter mit den entsprechenden Treibern zugreifen und darauf ansprechen. Somit lässt sich das Messgerät einfach und effizient um einen USB-TMC-Anschluss erweitern, der optional zum Messgerät angeboten werden kann.
Als eine alternative Variante kann der Messgeräte-Hersteller auch die entsprechenden Schaltpläne für den Adapter erwerben und eine passende Platine selbst entwickeln oder den Adapter direkt auf sein eigenes Rechnerboard oder Mainboard integrieren. Die notwendige Firmware für den µC und die benötigen Treiber für die Firmware stellt TSEP zur Verfügung. Hier besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Produkt-Id, die Vendor-Id und optionale Beschreibungen kundenspezifisch anzupassen. Mit dieser Variante kann der Messgeräte-Hersteller selbst entscheiden, ob die USB-TMC-Schnittstelle als optionale Komponente verkauft werden soll oder nicht.
Adapter auf der Sensor+Test
Dieser Adapter steht dann ab Sommer 2025 für Messgeräte-Hersteller zur Evaluierung bereit. Der USB-TMC-Adapter soll es ihnen ermöglichen, die unterschiedlichen Varianten zur Integration der USB-TMC-Schnittstelle bei ihren Geräten zu evaluieren und somit die optimale Lösung für ihr Messgerät zu finden.