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PC-Messtechnik in der Praxis Mit PXI-Technik hohe Ausgangsleistungen steuern

Autor / Redakteur: Markus Weingart * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Testsysteme auf Basis der Schnittstellen PCI- und PXI-Express sind in der Lage, Ausgangsleistungen im Kilowatt-Bereich zu steuern. Wir zeigen Ihnen die Vorteile.

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Source Measurement Unit: Ein Testsystem auf Basis von PCI bietet einen schnellen Datentransfer und automatische Adressraum-Verteilung. Per Kabelbindung können auch große Source Measurement Units die Vorteile des PCI-Express-Bussystems nutzen.
Source Measurement Unit: Ein Testsystem auf Basis von PCI bietet einen schnellen Datentransfer und automatische Adressraum-Verteilung. Per Kabelbindung können auch große Source Measurement Units die Vorteile des PCI-Express-Bussystems nutzen.
(Bild: VX-Instruments)

Die PXI-Architektur basiert auf dem PCI- bzw. PCI-Express-Bus. Damit besitzt dieser Bus Vorteile wie den extrem schnellen Datentransfer (speziell bei DMA) und die automatische Adressraum-Verteilung. Für die Anforderungen schneller automatischer Testsysteme wurden der PCI- und der PCI-Express-Bus mit schnellen Trigger- und Synchronisationsleitungen erweitert und bilden so die Grundlage für schnelle Messtechnik in Form von 3HE-PXI-Einschubkarten.

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Dank der direkten Anbindung an den PCI-Bus des Steuerrechners ist eine schnelle Kommunikation bei gleichzeitiger Synchronisierung über die Trigger-Leitungen möglich. Die Messtechnik-Karten können sich so sehr präzise gegenseitig triggern, um die Messaufgaben zu synchronisieren. Die Einschubkarten werden in entsprechenden PXI-Chassis betrieben. PXI Systeme sind häufig im automatisierten, schnellen Produktionstest zu finden, bei denen mit hoher Geschwindigkeit Messdaten bei gleichzeitig kleinen Stimulus-Leistungen erfasst werden müssen.

Seit einiger Zeit existiert für Karten mit sehr hohem Datendurchsatz der vom PCI-Express-Bus (PCIe) abgeleitete PXI-Express-Bus (PXIe). PXI- und PXI-Express-Karten verwenden unterschiedliche Stecksysteme. Daher können die Karten nur in den jeweils dafür vorgesehenen Rahmen oder aber in PXI/PXIe-Hybrid-Rahmen eingesetzt werden. Beide Systeme verbindet die schnelle Anbindung der Messtechnik an den PCI- beziehungsweise PCIe-Bus des Steuerrechners. Dadurch sind hohe bis sehr hohe Datenraten bei gleichzeitig sehr niedrigen Latenzzeiten möglich.

Allerdings können aufgrund der Spezifikation der PXI-Architektur nur Geräte mit einer maximalen Verlust-Leistung von ungefähr 20 W pro Slot eingesetzt werden. Wollte man in der Vergangenheit Geräte mit größerer Verlustleistung einsetzten, so musste man auf andere Bus-Systeme, wie beispielsweise IEEE-488/GPIB, USB oder Ethernet ausweichen. VX Instruments hat für diese Aufgabe ein Interface entwickelt, mit dem sich Geräte mit Leistungen von mehreren Kilowatt direkt über den PCIe- bzw. PXIe-Bus ansteuern lassen.

Die Geschwindigkeiten unterschiedlicher Bussysteme

Der PCIe-Bus basiert auf einer seriellen Hochgeschwindigkeits-Datenverbindung ähnlich wie GBit-Ethernet oder USB. Dem USB2.0-Bus steht allerdings nur ein Datenkanal für beide Richtungen zur Verfügung. Bei einem Wechsel der Übertragungsrichtung muss die USB-Hardware die Richtung des Datenkanals umschalten. So ein Richtungswechsel findet bei einer Testaufgabe sehr häufig statt. Erfasst beispielsweise ein Messgerät einen Wert, so sendet der PC dazu dem Messgerät per USB das Kommando zum Messen, die USB-Datenrichtung wird auf Output gestellt. Anschließend will der PC den Messwert abholen und muss die Datenrichtung auf Input setzen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test II erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Beim nächsten Kommando muss die Datenrichtung wieder auf Output gestellt werden. Zusammen mit der Tatsache, dass der USB-Bus seine Daten in Frames von 1 ms oder bestenfalls 125 µs für USB-HighSpeed überträgt, ergeben sich Verzögerungszeiten, die deutlich über den eigentlichen Datenübertragungszeiten liegen und die Systemgeschwindigkeit damit drastisch reduzieren. Anders beim Ethernet. Das Übertragungsverfahren hat für jede Datenrichtung einen eigenen Kanal zur Verfügung und leidet deshalb nicht unter Umschaltzeiten wie der USB-Bus. Auf Ethernet-Basis können zur Datenübertragung verschiedene Protokolle eingesetzt werden, zu deren Abarbeitung meistens Mikrocontroller benötigt werden. Die vom Mikrocontroller empfangenen Daten müssen interpretiert und an die Messhardware weitergeleitet werden. Auch das verursacht deutliche Verzögerungen, deren Dauer von der Leistungsfähigkeit des eingesetzten Controllers und vom benutzten Protokoll bestimmt wird.

Die Vorteile von PCI-Express im Überblick

Die folgende Auflistung zeigt die Vorteile von PCI-Express:

  • Per PCIe kann im Messgerät jedes Register und jede Speicherstelle direkt geschrieben oder gelesen werden, ohne dass dazu auf der Messgeräteseite ein Mikrocontroller notwendig wäre. Die bei Ethernet anfallenden Verzögerungen treten damit nicht auf.
  • Dem PCIe-Bus stehen in der einfachsten Ausführung für jede Datenrichtung ein eigener Datenkanal zur Verfügung. Die beim USB-Bus anfallenden Umschaltzeiten entfallen für den PCI-Express.
  • Eine Datenübertragungseinheit aus je einem Datenkanal für beide Datenrichtungen wird beim PCIe-Bus als Lane bezeichnet. Der PCIe-Bus hat die Möglichkeit, bis zu 16 dieser Lanes parallel zu schalten. Damit kann mit PCIe in der Version 2 der Datendurchsatz auf bis zu 64 GBit/s (4 GBit/s pro Lane) steigern.

Die Latenzzeiten, also die Zeit zwischen dem Anfordern einer Reaktion und dem Eintreten der Reaktion, liegen bei PCIe/PXIe im Bereich von wenigen Mikrosekunden und ist damit um Größenordnungen kleiner als bei USB oder Ethernet. Ein einfaches Steuerkommando kann daher bis zu 1000-mal schneller abgesetzt werden, als bei einem vergleichbaren USB oder IEEE-488/GPIB-Gerät. Selbst im Vergleich zu einer Gigabit-LAN-Anbindung per LXI oder einem ähnlichen Protokoll kann die Kommunikationsgeschwindigkeit um den Faktor 100 gesteigert werden.

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