Softwaregenerierte Lösungen Das Messgerät der Zukunft

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die moderne Messtechnik erlebt eine Renaissance. Für die meisten Messtechnik-Anwendungen stellt eine grafische Programmiersprache einen flexiblen softwarebasierten Ansatz für die Lösung verschiedener Aufgabenstellungen dar. Ähnlich wie beim iPhone lassen sich mit solch einem Ansatz unterschiedliche Geräte auf ein und derselben Hardwarebasis realisieren.

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Für Rahman Jamal, Technical und Marketing Director bei National Instruments, wird die Rolle der Software immer wichtiger, gerade im Bezug auf die leistungsstarken Multicore-Prozessoren
Für Rahman Jamal, Technical und Marketing Director bei National Instruments, wird die Rolle der Software immer wichtiger, gerade im Bezug auf die leistungsstarken Multicore-Prozessoren
( Archiv: Vogel Business Media )

Spezielle Messgeräte oder „Messboxen“ werden immer komplexer – ihr Funktionsumfang nimmt stetig zu. Die Messgeräte werden zwar kleiner und leichter, doch ob es sich um ein Oszilloskop oder einen seiner Kollegen handelt: sie sind komplex und in ihren Anwendungen sehr speziell.

National Instruments beschreitet seit langem einen eher anwenderorientierten Weg, vergleichbar mit dem Trend von Web 2.0, der bereits ein Synonym für die Verschmelzung verschiedener Funktionen im Internet geworden ist. Der Anwender kontrolliert die gewünschten Daten und filtert aus den vielen Informationen heraus, was gewünscht ist. Kurz, er steuert seine Daten.

Dem entspricht die Idee von National Instruments, die mit dem Begriff „Instrumentation 2.0“ umschrieben wird. Der Benutzer stellt sich anhand der gegebenen Software und einer einheitlichen Hardwarebasis die erforderlichen Funktionen zusammen und kann über einen definierten Bus seine Rohdaten aus der Messapplikation beziehen. Wesentliches Merkmal von Instrumentation 2.0: Software steuert Hardware.

Rahman Jamal, Technical und Marketing Director bei National Instruments, ist sich sicher: „Zukünftig können nur solche Unternehmen wachsen, die Nischenmärkte bedienen.“ Er bezieht sich auf eine Aussage von Chris Anderson, einem US-amerikanischen Journalisten, der 2004 die Long-Tail-Theorie vorstellte. Eine starke Softwareplattform konfiguriert die Hardware.

Als Beispiel nennt Jamal das iPhone: „Das iPhone zeigt die starke Rolle der Software in der heutigen Hardwarewelt: unterschiedliche Funktionen oder Geräte auf einer Hardwarebasis. Je nach Bedienung verwandelt sich das iPhone in ein anderes Gerät: Telefon, MP3-Player, PDA, Navigationssystem etc.“ Würde man Prüf- und Messanwendungen auf der Basis von einzelnen aneinandergereihten speziellen Messgeräten realisieren, würde dies in einer sehr hohen Hardware-Redundanz resultieren. Die Lösung liegt daher in einem softwarebasierten Ansatz.

Trend geht zum softwarebasierten Design

Zu einem ähnlichen Ergebnis kam das US-Verteidigungsministerium, das den Kunstbegriff „Synthetic Instruments“ einführte. Auch die kürzlich veröffentlichte Studie von Frost and Sullivan aus dem Jahre 2006 „World Synthetic Instrumentation Test Equipment Report“ bestätigt diesen Trend in Richtung softwarebasierte Systeme.

Das aktuelle traditionelle Bild lässt sich als Pyramide darstellen: Die Basis bildet die Hardware, gefolgt von Treibersoftware und an der Spitze schließlich die Anwendersoftware. Dieses Bild ist auch als Instrumentation 1.0 bekannt. Da die Grundlage bei 1.0 die Hardware ist, wird salopp auch vom „In-the-Box“-Ansatz gesprochen. Änderungen sind schwer oder gar nicht möglich. Bei synthetischen Instrumenten handelt es sich um frontpanellose Einschübe oder „Boxen“, die über die Software angesprochen werden.

Ganz anders der Ansatz von National Instruments: Hier ist die Anwendungssoftware die Grundlage der Pyramide. Fünf entscheidende Kriterien stellen die Eckpfeiler des Instrumentation-2.0-Ansatzes dar:

  • benutzerdefinierte Messungen,
  • Rohdatenübertragung in Echtzeit,
  • maßgeschneiderte Oberfläche,
  • modulare Hardware und
  • PC-Anbindung.

Der Anwender kann – je nach Applikation – selbst entscheiden, wie er die gewonnenen Rohdaten nutzt. Sollen die Werte grafisch dargestellt oder numerisch ausgegeben werden, so wird die Leistungsfähigkeit der Software und der darunter liegenden PC-Hardware genutzt.

Diese Vorgehensweise, die seit mehr als 20 Jahren auf dem Markt mit dem Begriff „virtuelle Instrumente“ bezeichnet wird, ist in unzähligen Applikationen wiederzufinden. Zukünftig werden maßgeschneiderte Messgeräte nur noch für spezielle Anwendungen nötig sein. Für viele Anwendungen wird der Ruf nach einer flexibleren Lösung immer lauter werden.

Auf den Datenbus kommt es an

Instrumentation 2.0 setzt einen leistungsfähigen Datenbus voraus. Für die flexible Datenverarbeitung sind Rohdaten notwendig. Damit die Daten 1:1 in das virtuelle System gelangen können, ist eine hohe Bandbreite unabdingbar. Hierfür ist der PCI-Express-Bus prädestiniert: Mit einer 45-mal schnelleren Datenübertragung als beim herkömmlichen PCI-Bus lassen sich High-Speed-Anwendungen, aber auch speziellere HF-Anwendungen optimal umsetzen.

Mit dem Aufkommen von Multi-Core-Systemen ergeben sich ganz neue Möglichkeiten der Verarbeitung von Rohdaten. Ein paralleles Arbeiten mit mehreren Kernen sorgt für höhere Leistungsfähigkeit. Würde man dies jedoch über eine textbasierte Programmiersprache wie C oder C++ realisieren, wäre der Quellcodeumfang vom Endanwender nicht mehr zu bewältigen. Die grafische Programmiersprache LabVIEW, die einen inhärenten Parallelismus aufweist, ermöglicht eine sehr anwendernahe Umsetzung wie beispielsweise die unabhängige Abarbeitung zweier Schleifen auf zwei Prozessorkernen.

Für den nächsten Schritt lässt sich der 2-Kern-Prozessor durch einen beliebigen Multi-Core-Prozessor ersetzen. Nicht nur das − auch FPGA-Bausteine können auf grafischer Basis vom Anwender transparent genutzt werden. Hier muss der Anwender sich nicht mit hardwarelastigen Programmiersprachen wie VHDL herumschlagen.

PCI Express vereint Messaufnehmer und Software

Für Jamal ist eine „sinnvolle Koexistenz“ der beiden Ansätze entscheidend. Je nach Anwendung eignen sich sowohl komplexe Messgeräte mit speziellen Funktionen, als auch individuelle softwarebasierte Systeme als Lösungsansatz. Der Anwender ist daran interessiert, mit der bestehenden Hard- und Software schnell entsprechende Lösungen zu realisieren.

Die gegenwärtige Messtechnik führt oft zu Hardware-Redundanzen, die letztlich zu höherem Kostenaufwand der Applikation führen. Daher sieht National Instruments die Zukunft der Messtechnik in einem softwarebasierten Ansatz, der letztendlich die schnellere Erstellung qualitativ hochwertigerer Produkte ermöglicht.

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