LXI ermöglicht einheitliche Schnittstelle für Synthetic Instruments

Autor / Redakteur: David Poole, Bob Rennard* / Sabine Grothe

Als „Synthetic Instruments“ (SI) bezeichnet man im Allgemeinen Messgeräte, die sich aus Standardmodulen zusammensetzen, die ihrerseits individuell ausgewählt werden, um bestimmte Prüffähigkeiten und -spezifikationen zu ermöglichen. Eines der Probleme synthetischer Architekturen ist das Fehlen eines einheitlichen Designstandards. PXI und VXI kämen durchaus in Frage, erlegen dem SI-Entwickler jedoch zu viele Einschränkungen auf, die ihrerseits zu Hybridsystemen mit herstellerspezifischen Schnittstellen und Modulzusammenstellungen führen. Einen Lösungsansatz bietet der aktuelle Messtechnikstandard LXI. Diese Interoperabilitätsnorm kann eine Plattform sein, damit synthetische Messgeräte nahtlos zusammenarbeiten.

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SI-Architekturen eröffnen die Möglichkeit, Messgeräte aus Standardmodulen zusammenzustellen, die individuell ausgewählt werden, um bestimmten Prüffähigkeiten und -spezifikationen zu genügen. Bild 1 zeigt die Hauptkomponenten eines typischen SI-Stimulus-Response-Systems. Dieses System trägt jedoch nicht dazu bei, die eigentlichen Charakteristika der Module selbst zu verstehen. Systemintegratoren, die SI-Architekturen einsetzen, müssen daher Module auswählen, die die gewünschte Systemspezifkation unterstützen. Außerdem müssen sie sie zu einer Architektur mit geeignetem Daten- und Triggerbus-Verhalten zusammenstellen.

Eine solche modulare Architektur bietet viele Vorteile im Hinblick auf Kompromisse zwischen Leistung und Kosten. Beispielsweise würde man keinen teuren, extrem schnell schaltenden lokalen Oszillator wählen, wenn das Zielsystem nur für die Messung einer einzelnen Frequenz gedacht ist. Mit SI könnten Systemintegratoren beim Design von Prüfanlagen im Idealfall aus einer Reihe von Systemkomponenten mit einheitlichen Schnittstellen, jedoch unterschiedlichen Fähigkeiten und Preispunkten auswählen. Die SI-Hersteller stehen jetzt vor der Aufgabe, einen einheitlichen Standard zu definieren und zu akzeptieren, der diese Art von Modulzusammenstellung möglich macht, ohne dass man zu Kompilator und Säge greifen muss.

Die Geschichte von LXI

1972 wurde der „Hewlett-Packard Interface Bus“ (HP-IB) als offener Busstandard (IEEE-488) für die Kommunikation zwischen Messgerät und Computer eingeführt. Der später in GPIB (General-Purpose Interface Bus) umbenannte Bus war in den letzten 30 Jahren an fast allen Messgeräten zu finden und definierte die Prüfsystemarchitekturen. Seine Popularität verdiente er durch Langlebigkeit und Stabilität. Es war eine Schnittstellennorm, auf die sich die Entwickler von Prüfgeräten verlassen konnten. 1985 stellten Hewlett-Packard (jetzt Agilent Technologies), Tektronix, Wavetek, Racal-Dana und Colorado Data Systems den VXI-Standard (VME eXtensions for Instruments) vor – eine modulare Messgerätenorm für das US-Militär. Diese modular aufgebauten Messgeräte („instruments-on-a-card“) wurden in der Luft- und Raumfahrt und für Fertigungstests populär.

Anders als in den frühen Tagen des GPIB, als einfache Kommunikation zwischen Computer und Messgerät das Ziel war und man nur wenige Alternativen hatte, gibt es heute billige serielle Kommunikationsbusse mit hoher Geschwindigkeit. Diese modernen Switched-Fabric-Techniken (Infiniband, Rocket I/O PCI Express, Gigabit-Ethernet und andere) haben das Gesicht der Computerkommunikationsarchitekturen verändert. Konventionelle Parallelbusse sind für die Kommunikation zwischen Knoten in einem Netzwerk zu teuren Engpässen geworden.

In dieser verwandelten Umgebung erkannten Prüf- und Messgerätehersteller die Vorteile preiswerter Highspeed-Busse für die Messgerätekommunikationen, mit denen man diese von den Einschränkungen durch die Parallelbus-Architektur befreien konnte: Das Ethernet – einen allgegenwärtigen, schnellen Connectivity-Standard mit der für prüf- und messtechnische Zwecke erforderlichen langfristigen Stabilität, vielseitigen Netzwerkmanagement-Fähigkeiten und Medienunabhängigkeit.

Ethernet hat GPIB überholt

In den letzten zwei Jahrzehnten entwickelte sich Ethernet weitaus schneller als die aus der Prüf- und Messtechnik hervorgegangenen Standards wie GPIB und MXI, wahrte dabei aber entsprechende Rückwärtskompatibilität und -stabilität. In seiner jüngsten Gigabit-Ausprägung erfüllt der Standard nun auch im Hinblick auf Geschwindigkeit die Voraussetzung dafür, zur Basis für jene schnittstellenorientierten Architektur zu werden, die die SI-Community benötigt.

2004 gründeten Agilent Technologies und VXI Technology das LXI-Consortium (LAN-based eXtensions for Instrumentation), eine Non-Profit-Organisation zur Entwicklung und Förderung eines offenen Industriestandards, der Interoperabilität zwischen LAN-basierten prüf- und messtechnischen Geräten sicherstellt. LXI ist in erster Linie eine funktionelle Schnittstellenspezifikation, die Implementationspraktiken für Schnittstellentechnologie auf der Basis von Ethernet 802.3 definiert. Enthalten ist ein IEEE1588-Protokoll, das für die erforderlichen Synchronisationsfunktionen sorgt. Außerdem wird ein zugehöriger fest verdrahteter Triggerbus spezifiziert, der die Synchronisation für kritische Applikationen verbessert.

Es gibt drei LXI-Konformitätsklassen (A, B und C), deren Unterschiede hauptsächlich in den mechanischen Abmessungen und den Anforderungen für Triggerung und Synchronisation liegen. Die LXI-Klasse A mit deterministischem Timing durch das IEEE1588-Synchronisationsprotokoll und einem fest verdrahteten Highspeed-LVDS-Triggerbus ist für SI-Module die interessanteste. Da die meisten Module weder Vorderplatte noch Display aufweisen, ist die Benutzeroberfläche über eine Web-Schnittstelle definiert. Ein IVI-API sorgt für die Kommunikation zwischen Computern und Modulen. Die mechanischen Spezifikationen von LXI gewährleisten, dass die Module sich als gute Systemnachbarn verhalten.

Für Stern-, Ketten- oder Hybridarchitekturen

Der Triggerbus arbeitet mit 100 MHz bei einer Genauigkeit von 1 ns mit installierter erreichbarer Leistung von ca. 2 ns. Er kann in Stern-, Ketten- oder Hybridarchitekturen konfiguriert werden. Das IEEE1588-Protokoll arbeitet mit Echtzeit-Taktgebern für deterministische Netzwerk-Zeitgabe unabhängig von der eigentlichen LAN-Geschwindigkeit. Es gewährleistet eine Timing-Synchronisation von ca. 50 ns mit einer Zwei-Sigma-Verteilung über den LXI-Ethernet-Bus.

Datendurchsatz und Latenzzeit des LXI-Busses hängen weitgehend von den Prozessoren und der Schnittstellenhardware ab. Die Größenordnung dieser Latenzzeiten sollte im Kontext typischer SI-Designanforderungen gesehen werden. Aktuelle SI-Architekturen bewegten sich in Richtung auf gemeinsames Tests oder Statusmaschinen-Scheduling mit Verteilung auf die verschiedenen aktiven Module im System, wobei die Ablaufsynchronisation über das IEEE1588-Protokoll erfolgt. Dadurch lassen sich weit verteilte Komponenten und Ereignisse auf ca. 100 ns genau zu synchronisieren. Eine genauere Synchronisation der planmäßigen Ereignisse lässt sich über den fest verdrahteten Triggerbus erzielen.

Die Latenzzeiten des LXI-Busses spielen erst dann eine signifikante Rolle, wenn verfahrenstechnische Ereignisse in einer Skript-orientierten Umgebung ausgeführt werden. In diesem Fall verlangen die typischen Programmiertechniken von der Host-CPU bei der Befehlsausführung eine Kontext-Umschaltung; außerdem können bei der Skript-Interpretation noch andere Latenzzeiten anfallen. Häufig liegt sie über 30 ?s. Dies in Verbindung mit sonstigen zusätzlichen Interpreter-Latenzzeiten ist der maßgebliche Faktor im End-to-End-Transport von Daten und Ereignissen zwischen Modulen.

SI-Systeme lassen sich leicht mit Teilen der Basisband-Architektur in einem VXI- oder PXI-Cage aufbauen, aber es ist schwierig, die gesamte HF-Architektur in dieselbe mechanische und elektrische Umgebung aufzunehmen, besonders bei Mikrowellen-Hochleistungssystemen. Viele Hersteller haben daher Hybridsysteme konzipiert, die aus einer Kombination von Card-Cage-Basisbandkomponenten bestehen, die an größere HF-Komponenten angeschlossen sind. Da solche Lösungen zur Verfügung stehen, müssen wir uns fragen, warum LXI dennoch ein attraktiver neuer Standard für diese Applikationen ist.

Deshalb ist LXI attraktiv

Die Antwort liegt in den Kompromissen und Einschränkungen von Card-Cage-Lösungen und von Hybrid-Architekturen, die eben diese Einschränkungen vermeiden sollen. Basisband- und andere Module für niedrige Frequenzen eignen sich gut für VXI und PXI. Es erweist sich aber als schwierig, HF- und Mikrowellensysteme in der von diesen Standards vorgegebenen mechanischen und elektrischen Umgebung aufzubauen. HF- und Mikrowellenkomponenten lassen sich normalerweise nicht in Card-Dimensionen unterbringen; die Abschirmung ist höchst problematisch und außerdem führen HF-Komponenten mit ihrem hohen Stromverbrauch Netzteile oft an deren Grenzen. So sind HF- und Mikrowellenprodukte mit hoher Leistungsfähigkeit in diesen Formaten nicht möglich.

Systemintegratoren sehen sich daher gezwungen, Hybridsysteme zu entwickeln, bei denen Basisbandmodule in einem marktüblichen Cage mit maßgeschneiderten HF-Modulen kombiniert werden, die über hauseigene Daten- und Steuerbusse angesteuert werden. Es liegt weder im Interesse der Hersteller noch der Käufer, mit proprietären Systemarchitekturen und Modulen zu tun zu haben, denn viele Vorteile des SI-Designs in puncto Modulaustauschbarkeit und Systemkonfiguration gehen dann wieder verloren.

Ein auf Standards beruhendes System mit Ethernet als Hauptsystembus bietet viele Vorteile: Moderne Netzwerkmerkmale wie Peer-to-Peer-Kommunikation stehen mit traditionellen prüf- und messtechnischen Schnittstellen nicht zur Verfügung. Ethernet-Kabel und -Karten sind dagegen Standard, überall erhältlich und kosten praktisch nichts. Power-over-Ethernet (PoE) und das IEEE1588-Protokoll vereinfachen verteilte Messaufbauten, bei denen viele Sensoren um ein großes Prüfobjekt (DUT, Devise under Test) herum angeordnet oder sogar geografisch verteilt sind. Die IEEE1588-Zeitkennzeichnung erleichtert das Daten- und Kanalmanagement sowie die Datenanalyse nach der Erfassung.

Kaum mechanische Vorgaben

Da LXI in erster Linie eine Schnittstellennorm ist, erlegt es den Prüfgeräten nur wenige mechanische Vorgaben auf. Für SI-Module und entsprechende Applikationen, bei denen die Abmessungen Priorität haben, definiert die mechanische LXI-Spezifikation ein „1HE-1/2-Rack“-breites Modul, das für eine enge Integration zu einem Paket ähnlicher Module konzipiert ist.

Kühlungs- und Verkabelungsschnittstellen sind ebenfalls für diese Einsatzart konzipiert. Auf der Rückseite der Module befinden sich die LXI- und Triggerbus-Anschlüsse. Zulässig sind Wechsel- oder Gleichstromversorgung. Vorne befinden sich Statusleuchten und Reset-Tasten. Außerdem lassen sich die Geräte über Flansche untereinander und mit dem Gestellrahmen in ein 19?-Rack montieren. Zwar werden die Hersteller ihre eigenen Geräte auf thermische Stabilität hin qualifizieren, doch erste Untersuchungen des LXI-Consortium zeigten, dass jede 1HE-Einheit ohne sonderliche Designprobleme ohne weiteres etwa 100 W bewältigen kann. 2HE-Geräte kommen auf ähnlicher Basis mit ca. 400 W zurecht.

Bild 2 zeigt diese Konfiguration für kompakte Anwendungen. Hier werden 1HE- und 2HE-Module zu einem Paket kombiniert, das sich für die Montage in einen 19?-Gestellrahmen eignet. In Bild 3 sind 14 Module und einen marktgängiger 2HE-Prozessor im physikalischen Format eines VXI-Card-Cage dargestellt. Ohne Card-Cage lässt sich der Standard LXI natürlich parallel zum Systembedarf skalieren und ist nicht auf Card-Cage-Formate begrenzt.

Starkes Team: LXI und Ethernet

In realen Systemszenarien von Synthetic Instruments (SI) ist der Messtechnikstandard LXI im Gegensatz zu herkömmlichen Standards eine attraktive Alternative auf Basis offener Ethernet-Standards. Letztere sind frei von den Abmessungseinschränkungen bisheriger Bus-spezifischer Normen und ermöglichen eine ausreichende Stromversorgung für HF-Schalter und -Verstärker sowie die entsprechende Abschirmung vor störungsintensiven digitalen Backplanes. LXI bietet eine komponentenorientierte Architektur, die den Wünschen von Systemintegratoren nach niedrigen Kosten und hoher Leistung entspricht und die mit einer Digitalbus-Schnittstelle arbeitet, die aus der Entwicklung von Telekommunikationshardware kommt. Durch den Einsatz von Ethernet kann LXI von modernen Hochleistungsprozessoren und -servern sowie von einer Entwicklungs-Community profitieren, die jene der Prüf- und Messtechnikbranche künftig in den Schatten stellen könnte.

*David Poole arbeitet in der System Division von Aeroflex in Wichita, Kansas, USA, und ist Vorsitzender der LXI Physical Specifications Working Group; Bob Rennard ist Programmmanager und President des LXI Consortium bei Agilent Technologies in Santa Clara, Kalifornien, USA.

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