Meilensteine der Elektronik The Software is the Instrument – National Instruments

Redakteur: Franz Graser

Das in einer Garage gegründete Unternehmen National Instruments hat die Messtechnik revolutioniert und bahnt heute den Weg für das Internet der Dinge. Ein Rückblick auf 40 erfolgreiche Jahre.

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Virtuelle Instrumente im Einsatz: Die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW erlaubt es, Funktionsblöcke auf einer Arbeitsoberfläche zu verbinden.
Virtuelle Instrumente im Einsatz: Die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW erlaubt es, Funktionsblöcke auf einer Arbeitsoberfläche zu verbinden.
(Bilder: National Instruments)

Wir schreiben das Jahr 1976. In einer Garage, einer Küche und in einem Schuppen beginnt eine typische amerikanische Erfolgsgeschichte. Drei junge Ingenieure – James Truchard, Jeff Kodosky und Bill Nowlin –, die bei den Applied Research Laboratories (ARL) der University of Texas in Austin angestellt sind, entwickeln zusammen ein Produkt, das die Arbeit von Wissenschaftlern und Messtechnikern erleichtern soll. Denn aufwendige Messreihen bringen es mit sich, dass es immer komplexer wird, die Einstellungen der Instrumente stets korrekt vorzunehmen.

Die drei überlegen sich eine Lösung, die es erlaubt, die Einstellung der Geräte zu automatisieren und die Testergebnisse auf Computern zu speichern. Das Produkt ist eine Interface-Karte mit dem Namen GPIB (General Purpose Interface Bus). Sie soll als Schnittstelle zwischen wissenschaftlichen Instrumenten und Computern wie dem damals sehr populären PDP-11 von Digital Equipment dienen.

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Und wie viele Revolutionen beginnt auch diese ganz unauffällig: James Truchards Garage avanciert zum Entwicklungslabor, ebenso der Schuppen Bill Nowlin. Jeff Kodoskys Küche wird zum Test-Center. Die drei leihen sich 10.000 Dollar Startkapital und kaufen sich eine PDP-11, um das gemeinsam entwickelte Design zu testen. Das Layout der Interface-Karte ist im April 1977 fertig. Kurz darauf erzielt James Truchard den ersten Verkauf: Während eines Familienurlaubs in San Antonio ruft er bei der Kelly Air Force Base an und überzeugt die Militärs von den Vorteilen des Geräts.

Zu diesem Zeitpunkt ist auch die Frage längst gelöst, wie das junge Unternehmen heißen sollte. Das Trio diskutierte Vorschläge wie Texas Digital, Longhorn Instruments oder eine Kombination ihrer Initialen. Schließlich stellte sich heraus, dass der Name National Instruments verfügbar war. Der Name hatte den richtigen Klang, ein erstes Logo mit den Initialen NI war schnell skizziert, und so blieb es dabei.

Die PC-Revolution macht sich bemerkbar

Bis zum Jahresende 1977 sind zwar erst drei GPIB-Boards verkauft, aber das Erfolgspotenzial ist riesig. Eine Mailing-Aktion an 15.000 Anwender des PDP-11-Computers zeigt Wirkung. Wie familiär es dabei zugeht, zeigt sich dadurch, dass Jeff Kodoskys Eltern beim Adressieren der Briefe helfen und die Kinder von James Truchard die Briefumschläge zukleben. 1977 wird ein erstes Büro gemietet, ein größeres folgt im Jahr darauf. Mit Kim Harrison-Hosen stößt der erste angestellte Mitarbeiter zum Team: Kim kümmert sich um die Bestellungen, die Rechnungsstellung und beantwortet Kundenanfragen.

Schon 1979 verzeichnet NI Bestellungen im Wert von 400.000 US-Dollar und erzielt einen Profit in Höhe von 60.000 Dollar. James Truchard gibt seine Tätigkeit beim ARL auf, um ganz für National Instruments zu arbeiten. Die beiden Mitbegründer Kodosky und Nowlin folgen im Frühjahr 1980. Im Folgejahr wird zum ersten Mal eine Million Dollar Umsatz eingefahren.

1983 macht sich schließlich die PC-Revolution bemerkbar: National Instruments bietet ein GPIB-Interface an, das Messinstrumente mit dem IBM PC verbindet.

Im selben Jahr beginnt ein kleines Team unter Leitung von Jeff Kodosky mit der Entwicklung des grafischen Entwicklungswerkzeugs LabVIEW. Das Tool, dessen Name für „Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench“ steht, erlaubt die Programmierung von Applikationen im Bereich des Messens, Steuerns und Regelns, indem Funktionsblöcke auf einer grafisch dargestellten Arbeitsoberfläche miteinander quasi verdrahtet werden. Durch die Verbindung der Funktionsblöcke, die als „Virtuelle Instrumente“ bezeichnet werden, wird der Datenfluss abgebildet.

In gewisser Weise war LabVIEW nach der Einführung des GPIB der nächste logische Schritt. Jeff Kodosky, der oft als der Vater von LabVIEW bezeichnet wird, sagte 2013 in einem Interview mit dem amerikanischen Magazin PACE: „Als wir als GPIB-Anbieter etabliert waren, dachten wir darüber nach, was wir als nächstes tun konnten, um die Automatisierung von Messsystemen zu vereinfachen. Wir überlegten uns: Wie wäre es mit einem Software-Werkzeug, das diese Dinge vereinfachen könnte? Wir sahen uns verschiedene Dinge an und bauten auch Programmbibliotheken für C und BASIC und Ähnliches.“

Grafische Programmierung für komplexe Aufgaben

Allerdings strebte Kodosky eine bessere und weiter reichende Lösung an. Das entscheidende Erlebnis war die Begegnung mit dem Apple Macintosh, dem ersten weit verbreiteten PC mit grafischer Benutzeroberfläche: „Als ich diese Grafiken sah, merkte ich: Das ist die Zukunft der Interaktion zwischen Mensch und Computer. Ich sagte: Das muss ein Teil unserer Lösung sein. Wir müssen in der Lage sein, virtuelle Instrumente auf einem Computer zu bauen und sie mit echten Instrumenten oder was auch immer zu verbinden. Diese Instrumente müssen wie die Frontblenden echter Instrumente aussehen, denn dann können die Leute sie benutzen, ohne in einem dicken Handbuch nachzulesen. Sie können einfach experimentieren.“

Folgerichtig erschien die erste Version von LabVIEW im Jahr 1986 für den Apple Macintosh. Der Weg dorthin erwies sich jedoch mitunter als tückisch. Ingenieure waren zwar damit vertraut, Programme zu schreiben, die Instrumente automatisieren und Daten einsammeln konnten, aber das Ganze auf einer interaktiven grafischen Oberfläche zu tun, sprengte für viele die Grenzen des damals Vorstellbaren. Die einhellige Meinung war, das so etwas eigentlich unmöglich sei.

Der NI-Mitbegründer ließ sich jedoch davon nicht beirren: „Ich tüftelte herum und dachte mir verschiedene Möglichkeiten aus, wie wir die Grafik nutzen könnten“, erläuterte Kodosky in dem PACE-Interview.

Datenfluss + Strukturierte Programmierung = LabVIEW

Kodosky experimentierte mit dem Datenfluss-Konzept, fand es aber sehr komplex, sobald Schleifen ins Spiel kamen. Flussdiagramme schienen eine gute Idee zu sein, ließen sich aber nicht flexibel genug nutzen. „Irgendwann kam ich dann auf die Idee, dass wir Kontrollstrukturen aus der Strukturierten Programmierung nutzen konnten. Wenn wir sie in den Datenfluss einfügten, dann ließen sich Schleifen und Fallstrukturen vereinfachen. Wir hätten also die Einfachheit des Datenflusses und die Zusammenfügbarkeit der Strukturierten Programmierung. Als wir das merkten, starteten wir das LabVIEW-Projekt - und der Rest ist Geschichte.“

1990 erscheint die zweite Version des Systems, seit 1992 ist LabVIEW auch für Windows-PCs und Unix-Workstations erhältlich. Seit 2003 können FPGAs (Field Progammable Gate Array) in LabVIEW programmiert werden. 2007 folgt die Multicore-Optimierung und 2008 wird die Entwicklungsumgebung um sogenannte Webservices ergänzt. 2012 erhält die Webservice-Implementierung in LabVIEW eine grundlegende Überarbeitung, denn ab jetzt lassen sich die Webservices einfacher konfigurieren und debuggen.

Im Lauf der Zeit entsteht eine lebendige Community um das Werkzeug, das 2016 sein 30-jähriges Jubiläum feiert. Mit dem LabVIEW Tools Network gibt es eine Art App-Store für Messtechniker, in dem getestete und geprüfte Tools zum Download verfügbar sind, zum Teil sogar kostenfrei.

Da LabVIEW immer öfter für Embedded-Softwareentwicklungsprojekte herangezogen wird, lässt sich das Werkzeug auch mit Softwaremanagement-Tools verknüpfen. Damit ist es nicht nur möglich, Programmcode zu erzeugen, sondern ihn auch zu verwalten und zu warten. Darüber hinaus sind Projektmanagement-Funktionen mit LabVIEW verzahnbar.

Parallel zum Erfolg von LabVIEW entwickelt sich National Instruments zum globalen Unternehmen. 1986 zählt NI rund 100 Mitarbeiter. Im Jahr darauf wird das erste Auslandsbüro in Japan eröffnet.

1988 entstehen die ersten europäischen Niederlassungen in Großbritannien und Frankreich, zwei Jahre später folgt Deutschland. Ab 1993 entstehen weitere asiatische Niederlassungen in Taiwan, Südkorea, Singapur und Hong Kong. 1995 erfolgt der Börsengang an der New Yorker NASDAQ. Im selben Jahr beschäftigt National Instruments 1.000 Mitarbeiter weltweit.

Der PXI-Bus ermöglicht modulare Testsysteme

1997 erfolgt die Markteinführung des PXI-Busstandards (PCI eXtensions for Instrumentation). Der PXI-Bus basiert auf Intels bewährter und millionenfach getesteter CompactPCI-Architektur, verfügt aber noch über zusätzliche Timing- und Trigger-Funktionen mit einem 10-MHz-Referenztakt. Dadurch ist ein sehr geringer Laufzeitunterschied von unter einer Nanosekunde möglich. PXI erlaubt es, modulare Mess- und Testinstrumente auf PC-Basis zusammenzustellen.

Das bedeutet, dass Mess- und Analyseinstrumente, die auf diesem Schnittstellenstandard basieren, in ein und demselben Gehäuse betrieben werden können. Der Vorteil: Anstelle von Messinstrumenten, die einen vom Hersteller vorgegebenen, fest definierten Funktionsumfang haben, können modulare Testsysteme betrieben werden. Reichte zum Beispiel der Frequenzumfang eines Oszilloskops für ein bestimmtes Projekt nicht mehr aus, dann musste bis dato in der Regel ein neues beschafft werden. In einem PXI-System muss nur eine geeignete Scope-Karte eingeschoben werden und kann Seite an Seite mit der alten betrieben werden.

Seit 1998 ist PXI ein offener Industriestandard, den die PXI System Alliance verwaltet und weiterentwickelt. Der Allianz gehören heute mehr als 70 Unternehmen an, die insgesamt über 1500 unterschiedliche PXI-Module auf den Markt gebracht haben. Nach einer Schätzung von Frost & Sullivan soll der Markt für PXI-basierte Produkte im Jahr 2017 ein Volumen von über einer Milliarde Dollar überschreiten.

1998 ist auch das Jahr, in dem der North-Mopac-Firmencampus im Norden von Austin fertiggestellt wird. Das NI-Hauptquartier verfügt über viele Annehmlichkeiten, die es den Angestellten ermöglichen, kurzzeitig zu entspannen – etwa Spazierwege, Volleyballfelder oder Sonnenterrassen und Gemeinschaftsräume.

Mit der CompactRIO-Plattform bringt National Instruments im Jahr 2004 eine sehr kompakte Lösung für das Steuern und Regeln im industriellen Umfeld auf den Markt. Das Kürzel RIO steht für „Reconfigurable Input/Output“.

Die Geräte bestehen aus einem Chassis, einem Controller und austauschbaren Ein- und Ausgabemodulen. Der Controller ist die Steuerungseinheit, die über einen Mikroprozessor und RAM-Speicher für die Ausführung von Programmen verfügt. Das Chassis enthält einen FPGA und die Backplane für die Verdrahtung sowie Steckplätze für die austauschbaren Ein- und Ausgabemodule.

CompactRIO wird dort eingesetzt, wo eine kleine Baugröße nötig ist und Robustheit in Bezug auf Hitze und Kälte sowie Schock- und Schwingungsbeständigkeit gefordert sind. Der integrierte FPGA wird mit LabVIEW programmiert und erlaubt höchste Performance bei der Ein-und Ausgabe, der Datenverwaltung oder bei Steuerungen und Regelungen.

Eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes bildet das Single-Board-RIO, ein rekonfigurierbarer Einplatinencomputer für die Datenerfassung sowie für Steuerungs- und Regelungsaufgaben. Jeder Controller wird mit Echtzeit-Linux, Treibern und Unterstützung für diverse Programmiersprachen geliefert. Das System-on-Module (SOM) stellt das Single-Board-RIO mit dem kleinsten Formfaktor dar. Das SOM wurde im Hinblick auf das industrielle Internet der Dinge entwickelt.

Zum Beispiel setzt der Flugzeughersteller Airbus auf das SOM, um die Werkzeuge für die Flugzeugfabrik der Zukunft zu entwickeln. Eine bestimmte Teilbaugruppe eines Flugzeugs besitzt 400.000 Stellen, die festgezogen werden müssen. Dazu sind gegenwärtig über 1100 Spannwerkzeuge nötig. Der Bediener muss eine Liste mit Schritten genau befolgen und die passenden Drehmomenteinstellungen für jede Stelle mithilfe des korrekten Werkzeugs sicherstellen.

Die manuelle Vorgehensweise bedeutet ein hohes Risiko bei der Produktion: Selbst eine einzige Stelle, die falsch festgezogen wurde, könnte langfristig Kosten von hunderttausenden Dollar verursachen. Ein intelligentes Spannwerkzeug begreift dagegen, welche Aufgabe der Bediener ausführen will, indem Bilderfassung und -verarbeitung zum Einsatz kommen, anhand derer das Werkzeug automatisch das Drehmoment festlegt.

Hochfrequenztechnik als Zukunftsfeld

Ebenfalls im Hinblick auf das Internet der Dinge hat NI in den vergangenen Jahren in den Bereich der Hochfrequenztechnik investiert. Unter anderem wurden mit den Firmen PhaseMatrix, AWR und Signalion drei Unternehmen aus dem HF-Bereich akquiriert. Die HF-Technik ist von besonderer Bedeutung, da die drahtlose Vernetzung ein zentrales Merkmal künftiger Cyber-physischer Systeme ist. Aber auch im Automobil ist abzusehen, dass durch Radar oder Abstandswarnsysteme sowie die Anbindung des Fahrzeugs an das Internet immer mehr HF-basierte Techniken Einzug halten.

Seit 2012 forscht NI in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden an Drahtlos-Systemen der fünften Generation, kurz 5G genannt. „Mit Hilfe der Entwicklungsplattform von NI können wir Funk-Prototypensysteme in einem einzigen Softwaredesignprozess entwickeln“, teilte der Dresdner Professor Gerhard Fettweis anlässlich der Aufnahme der Kooperation mit.

Durch seine ganze Geschichte hindurch hat National Instruments einen familiären Charakter behalten. Die Unternehmenskultur liegt Firmengründer James Truchard, der mittlerweile nur noch „Dr. T“ genannt wird, sehr am Herzen.

Mit dem sogenannten 100-Jahresplan hat Truchard die kurzfristigen Erfolgsziele und die langfristigen Entwicklungsziele für das Unternehmen zueinander in Beziehung gesetzt. Ohne eine Vision für die langfristige Entwicklung sind kurzfristige Erfolge nicht möglich und umgekehrt.

Positive Unternehmenskultur – ein Erfolgsgeheimnis

Ein Schwerpunkt des 100-Jahresplans ist der Umgang mit der Belegschaft: Nur eine positive Firmenkultur erlaubt es, gute Mitarbeiter zu finden und langfristig an das Unternehmen zu binden – eine Voraussetzung, damit die Firma kontinuierlich innovativ bleibt. Diese Kultur der Toleranz, des gegenseitigen Respekts und der Verlässlichkeit erstreckt sich auch auf externe Partner.

Dieses Leitbild steht nicht nur auf dem Papier, sondern wird konkret gelebt. Beispielsweise hat National Instruments im Zuge der Banken- und Finanzkrise 2008 keine Mitarbeiter entlassen.

Sicher ist, dass National Instruments dem selbstgewählten Motto „The software is the instrument“ treu bleiben wird. Das Messen ist schließlich eine Kernkompetenz im Internet der Dinge. Und diese Zukunft hat erst begonnen.

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