Automatisierte Prüftechnik

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1 WIE DIE TESTAUTOMATION DANK PXI MIT DER HALBLEITERENTWICKLUNG SCHRITT HALTEN KANN Prüftechnik auf den Spuren Gordon Moores Automatisierte Prüfsysteme, die mit klassischen Messboxen arbeiten, können dem Entwicklungstempo der Halbleiterindustrie nur schwerlich folgen. Bei Schlüsselkriterien wie Kosten, Größe und Flexibilität haben sie gegenüber modularen Plattformen wie PXI das Nachsehen. PXI-Anwender sind dagegen in der Lage, die neuesten Halbleiterentwicklungen nahtlos in ihre Testsysteme einzubeziehen. RAHMAN JAMAL ANDREAS SCHOLZ Die Voraussage von Intel-Mitbegründer Gordon Moore, dass sich die Anzahl der Komponenten in einem integrierten Schaltkreis etwa alle 18 Monate verdoppeln werde, hat trotz aller technischen Herausforderungen seit 1965 ihre Gültigkeit behalten. Das mooresche Gesetz ist Synonym für exponentielle Leistungssteigerungen und Kosteneinsparungen, nicht nur in der Halbleiterfertigung, sondern bei fast allen Produkten der Elektronik. Allerdings können automatisierte Prüfsysteme, die auf klassischen Messgeräten basieren, mit diesem Entwicklungstempo kaum Schritt halten. Sie haben damit zu kämpfen, Applikationsanforderungen bezüglich der Kosten, Leistung, Größe und Modularität zu erfüllen. Anders verhält es sich, wenn man von vornherein auf eine modulare Plattform baut. Denn damit hätte 54 EL-info Elektronik Informationen

2 MESSEN & TESTEN Modulare Messgeräte für PXI-Systeme e e KONTAKT National Instruments Germany GmbH, München, Tel , Fax , (PCIe) in den PXI-Standard ist man nun in der Lage, die Anforderungen von noch mehr Anwendungsgebieten abzudecken. Denn PCI-Express-Technologie in der Backplane erhöht den möglichen Datendurchsatz um mehr als das 45-Fache von 132 MByte/s auf 6 GByte/s. Die Hard- und Softwarekompatibilität mit PXI-Modulen bleibt dabei erhalten. DIE AUTOREN Dipl.-Ing. RAHMAN JAMAL ist Technical and Marketing Director Europe bei National Instruments in München. Dipl.-Ing. ANDREAS SCHOLZ ist bei NI als Field Sales Engineer tätig. man sogar die Möglichkeit, die neuesten Halbleiterentwicklungen wie Multicore- Prozessoren, A/D-Wandler, FPGAs und moderne Speicherarchitekturen nahtlos in seine Testautomatisierungsstrategie zu integrieren. Hierfür ist aber die richtige modulare Infrastruktur eine Grundvoraussetzung. Ein Beispiel dafür ist die 1997 von National Instruments initiierte PXI-Plattform (PXI steht für PCI extension for Instrumentation), eine Kombination aus offener, modularer, PC-basierter Hardware und Software. Heute obliegt PXI der PXI Systems Alliance (PXISA), einem Konsortium von 1 Bild 1. Standard-PXIe-Chassis mit neun Steckplätzen, Embedded-System-Controller und acht Peripheriemodulen mehr als 70 Mitgliedsunternehmen, die dafür sorgen, dass die PXI-Spezifikation gepflegt, Interoperabilität gewährleistet und der Standard vorangetrieben wird. Mittlerweile bekennen sich auch die hartnäckigsten Verfechter der Boxgeräte zu PXI. Es reicht jedoch bei weitem nicht aus, Messgeräte lediglich auf den PXI- Formfaktor zu bringen: Die Bedeutung der Software als integraler Bestandteil dieses Standards wird von klassischen Messgeräteherstellern immer noch unterschätzt. Die Architektur der PXI-Hardware PXI kombiniert die Leistungsmerkmale des elektrischen Datenbusses PCI (Peripheral Component Interconnect) mit dem mechanisch solide konstruierten, modularen CompactPCI-Chassis im Eurokartenformat sowie mit für die Synchronisation konzipierten Bussen und speziellen Softwaremerkmalen. Ferner bietet PXI mechanische, elektrische und Softwareeigenschaften, mit denen sich komplette Prüf-, Mess-, Datenerfassungs- und Produktionsanwendungen aufbauen lassen. Die Verwendung des PCI-Busses in der Kommunikations-Backplane war einer der Gründe dafür, dass sich die PXI-Plattform so schnell in sehr unterschiedlichen Anwendungsfeldern verbreiten konnte. Dank der Integration von PCI Express Ein PXI-System (Bild 1) besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten einem PXI-Controller, einem PXI-Chassis und den PXI-Modulen. Das Chassis dient primär als solides und modulares Gehäuse für das Mess- beziehungsweise Automatisierungssystem und ist in Größen mit 4 bis 18 Steckplätzen verfügbar. Zudem besitzen diese PXI- Chassis eine hochleistungsfähige PXI- Backplane, die als Stromversorgung für alle Komponenten dient und den Backplane-Bus (PCI/PCIe) mit zusätzlichen Timing- und Triggerleitungen versieht. Mithilfe dieser Leitungen lassen sich Anwendungen realisieren, die eine präzise Steuerung von zeitlichen Abläufen erfordern. Die Ansteuerung des Chassis kann entweder per Remote-Verbindung über einen Standard-Desktop- oder -Laptop- Rechner erfolgen oder als leistungsfähiger PXI-Embedded-Controller ausgeführt sein, auf dem ein Microsoft- Betriebssystem, wie Windows XP, Windows Vista oder Windows 7, Linux oder ein Echtzeitbetriebssystem, wie Labview Real-Time/Pharlap ETS, eingesetzt wird. Der PXI-Controller verfügt über alle gängigen Schnittstellen aus der Mess- und Automatisierungstechnik, wie Gigabit LAN, GPIB und RS-232 sowie über Anschlüsse für USB 2.0 und ExpressCard. EL-info Elektronik Informationen

3 2 TIMING & TRIGGER Bild 2. PXI-Timing- und -Trigger-Busse. Links: PXI kombiniert PC-Komponenten nach Industrie standards, wie den PCI-Bus, mit fortschrittlichen Trigger- und Synchronisationserweiterungen auf der Backplane; rechts: Auf der Backplane stehen zusätzlich ein differenzieller Systemtakt, differenzielle Signalisierung und Star-Trigger zur Verfügung Robust und Modular: das PXI-Chassis Das Chassis dient als solides und modulares Gehäuse für das System. Die Gehäuse gibt es gewöhnlich in den Größen 3 HE und 6 HE mit 4, 6, 8, 14 und 18 Steckplätzen. Zudem sind alle Chassis sowohl mit PXI als auch mit CompactPCI kompatibel. Dank der Integration des PCI- Express-Busses in den PXI-Standard sind heute viele PXI-Express-Chassis neben den PXI-Express-Steckplätzen zusätzlich mit PXI-Steckplätzen versehen, um bereits bestehende PXI-Module um die neue PXI-Express-Technik erweitern zu können. Einige Chassis verfügen zudem über Hybrid- und PXI-Express-Peripheriesteckplätze, sodass PXI-Express- und hybridkompatible PXI-Peripheriemodule verwendet werden können. 3 FAZIT Das X in PXI steht für Extension (Erweiterung). Diese zeigt sich unter anderem in der leistungsfähigen PXI-Backplane. Sie beherbergt neben dem PCI-Bus zusätzliche Timing- und Trigger-Busse (Bild 2, siehe Online-Service am Artikelende). So verfügt das modulare PXI-System über einen dedizierten 10-MHz-Systemreferenztakt, einen PXI-Trigger-Bus, einen Star-Trigger-Bus und einen lokalen Bus zwischen den einzelnen Steckplätzen. Letztere ermöglichen einerseits hoch entwickelte Timing- und Synchronisationsfunktionen und andererseits anspruchsvollen Datenaustausch auf Modulebene. Der Funktionsumfang des PCI-Busses wird damit stark erweitert. Ausgehend von den PXI-Funktionen bietet PXI Express zusätzliche Timing- und Synchronisationsmöglichkeiten: einen differenziellen 100-MHz-Systemtakt sowie differenzielle Signalisierung und Star-Trigger. Aufgrund der differenziellen Taktung und Synchronisation ziehen PXI-Express-Systeme einen Vorteil aus erhöhtem Signal- Rausch-Abstand und der Möglichkeit, auf höheren Frequenzen zu übertragen. Mithilfe dieser Timing- und Trigger-Busse lassen sich Anwendungen realisieren, die präzise Synchronisation erfordern. Embedded oder dezentral: der PXI-Controller Die meisten PXI-Chassis besitzen einen Steckplatz für einen Systemcontroller, für den mehrere Optionen zur Verfügung stehen, wie die dezentrale Steuerung des Systems über einen Desktop-PC, eine Workstation, einen Server oder einen Laptop sowie leistungsfähige Embedded- Controller mit Windows-Betriebssystem oder einem Echtzeitbetriebssystem wie Labview Real-Time. PXI-Embedded-Controller wie die von National Instruments (Bild 3) sind eine leistungsstarke und gleichzeitig kompakte Embedded-PC-Lösung für PXI-Messsys- Bild 3. Die Steuereinheit PXI-8133 besitzt einen Embedded-Controller mit Intels Quad- Core Core i7-820qm -Prozessor (1,73 GHz; maximal 3,06 GHz im Single-Core Turbo Boost Mode) Mess- und Testsysteme nach Maß. Die Spezifikation für die modularen Messgeräte auf PXI-Basis definiert eine robuste Plattform für Industrie-PCs in der Mess- und Automatisierungstechnik. Diese macht sich die Vorteile der technologischen Fortschritte in der Standard-PC-Industrie zunutze. Da der Standard-Bus PCI in allen modularen PXI-Systemen zu finden ist, können diese mit gängigen Hardund Softwarekomponenten kombiniert werden. Die auf PXI-Systemen lauffähigen Anwendungen und Betriebssysteme sind exakt dieselben wie diejenigen, die auf ganz normalen Desktop-Rechnern zu finden sind, weshalb der Anwender bestens damit vertraut ist und seine existierenden Anwendungen verwenden kann. Dank eines soliden, für Industrieumgebungen geeigneten Gehäuses, einer Vielzahl an I/O-Steckplätzen sowie Funktionen, die anspruchsvolles Timing und Triggern erlauben, kann PXI auf die unterschiedlichsten Bedürfnisse zugeschnitten werden. 56 EL-info Elektronik Informationen

4 MESSEN & TESTEN 4 Bild 4. Links: MXI-Express- Anbindung eines Industrie-PC an ein PXI-System; rechts: MXI-Express-Anbindung eines Desktop-PC an PXI-Systeme im Daisy-Chain-Modus teme. Sie besitzen Standardmerkmale wie eine integrierte CPU, eine Fest platte, einen RAM, Ethernet- und Videoanschlüsse, serielle und USB-Anschlüsse sowie weitere Peripheriekomponenten. Microsoft Windows und erforderliche Gerätetreiber sind bereits vorinstalliert. Mit dezentralen PXI-Controllern lassen sich PXI-Systeme vom PC oder Laptop aus kostengünstig über eine softwaretransparente Verbindung steuern. Dies ermöglicht MXI (Measurement extension for Instrumentation, Bild 4). Beim Booten eines PC werden die Peripheriemodule im PXI-System erkannt, als lokale PCI-Komponenten im System gelistet und können so verwendet werden. Mit einem PXI- Network-Systemcontroller können PXI- Systeme sogar über Ethernet ge steuert werden. Nachdem man sich für einen PXI-Systemaufbau mit Embedded- oder dezentralem PXI-Controller entschieden hat, muss das System mit den benötigten Komponenten bestückt werden. Je nach Anforderungen sind dabei unterschiedlichste Einschübe notwendig. Da es sich bei PXI um einen offenen Industriestandard handelt, gibt es inzwischen über 1600 Module von mehr als 70 Anbietern von einfachen Schnittstellenkarten wie RS-232 bis hin zu komplexen HF-Signalgeneratoren, FPGA- Karten oder Motorsteuerungsgeräten. NIWEEK 2012: PRODUKTNEUHEITEN Modulare Messgeräte. Bei modularen Messgeräten für PXI-Systeme handelt es sich um eine Kombination aus kompakter, leistungsstarker Hardware, flexibler Software sowie integrierten Timing- und Synchronisationsfunktionen. Der Einsatz neuester Standardtechnologien wie neuartiger A/D-, D/A-Wandler, FPGAs und PC-Busse in der Hardware von modularen Messgeräten ermöglicht hohe Auflösungsund Durchsatzraten für Messungen, die von der Erfassung von Gleichstrom mit 7-Digit-Genauigkeit bis hin zur Erfassung von Signalen mit 6,6 GHz reichen. Ein brandneues Beispiel hochleistungsfähiger und äußerst flexibler PXI-Geräte ist der Vektorsignaltransceiver (VST) PXIe-5644R, den NI anlässlich der jährlichen Hauskonferenz NIWeek vorgestellt hat. Der VST ist eine Kombination aus Vektorsignalgenerator und -analysator mit digitalen I/Os und einem FPGA. Er eignet sich für das Prüfen von Wireless- und Mobilfunkstandards wie ac und LTE. Das Messgerät beherrscht einen Frequenzbereich von 65 MHz bis 6,0 GHz, und die HF-Echtzeitbandbreite beträgt 80 MHz. Es soll Messungen im Vergleich zu etablierten Lösungen um mehr als das Zehn fache beschleunigen. Dank der softwarezentrierten Architektur mit FPGA können Anwender mithilfe von Labview individuelle Algorithmen direkt in die VST-Hardware implementieren und diese somit auf ihre spezifische Problemstellung hin anpassen. Dieser Ansatz ist insofern neu, als nicht mehr nur Auswertealgorithmen, sondern jetzt auch die Geräte- Firmware vom Benutzer programmiert werden können es sich also um komplett anwenderkonfigurierbare Messgeräte handelt. VST-Anwendungsbeispiele sind die Leistungspegelregulierung für Verstärkertests oder Funkkanalemulatoren für MIMO-HF-Signale. Labview Ebenfalls auf der NIWeek hat National Instru ments die aktuelle Version seiner Systemdesign- Software Labview vorgestellt. Neu sind darin einsatzfertige Anwendungsvorlagen und Beispielprojekte nebst ausführlicher Dokumentation, spezifische Werkzeuge für Analyse und Bildverarbeitung sowie Apps zum Steuern und Visualisieren auf Tablet-Computern. Eine nennenswerte Neuerung ist beispielsweise der FPGA IP Builder, eine Zusatz-Software, mit deren Hilfe sich Algorithmen effizient und komfortabel in programmierbare Logikbausteine implementieren lassen sollen. Die Anwender FPGA-basierter NI-Hardware können damit eigene, spezifische IP auf diese übertragen und dafür ein abstraktes High-Level-Programmierwerkzeug wie Labview verwenden. Außerdem hat NI das Nutzer-Feedback aus seinem Labview-Idea-Exchange -Forum verwendet, um die Stabilität der Entwicklungsumgebung und ihre Produktivität zu verbessern. Anwendern stehen jetzt Selbstlernkurse im Internet zur Verfügung, die ebenfalls auf mehr Produktivität bei der Nutzung von NI-Produkten abzielen und die Qualität der damit erzeugten Applikationen erhöhen sollen. Eine Auflistung aller Funktionen und weitere Links gibt es online auf EL-info.de, Webcode Offener geht nicht: Der Vektorsignaltransceiver PXIe-5644R kombi niert Vektorsignalanalysator und -generator, digitale I/Os sowie einen FPGA. Mithilfe von Labview können Benutzer selbst die Firmware des Geräts auf ihre eigenen Bedürfnisse hin maßschneidern EL-info Elektronik Informationen

5 Bei Bedarf in Echtzeit: PXI-Softwarearchitektur Laut PXI-Spezifikation müssen die in diesen Systemen eingesetzten Softwareplattformen auf Windows-Betriebssystemen basieren. Somit kann der Anwender in einer vertrauten Umgebung arbeiten unabhängig davon, ob er einen Embedded- oder einen dezentralen Controller verwendet. Er kann somit auch weit verbreitete Entwicklungsumgebungen wie Visual Basic, Visual C/C++ oder Labview nutzen, die sich bereits als Industriestandard etabliert haben. Alternativ zu Windows-gestützten Systemen kann für zeitkritische Anwendungen, bei denen deterministische Zykluszeiten und die Durchführung von Aufgaben ohne Tastatur, Maus und Monitor (im so genannten Headless-Betrieb) erforderlich sind, Echtzeit-Software eingesetzt werden. Ein Echtzeitbetriebssystem bietet die Möglichkeit zur Priorisierung von Aufgaben, sodass die kritischste Aufgabe im Bedarfsfall immer zuerst bearbeitet wird. Dank dieser Funktion lassen sich Anwendungen mit vorhersagbaren Er gebnissen und geringerem Jitter programmieren. (ml) ONLINE-SERVICE Details zu Timing- und Synchronisat ionskonzepten bietet das Tutorium Introduction to Distributed Clock Synchronization and the IEEE 1588 Precision Time Protocol Bleifrei löten Die 90-W- Lötstation eignet sich für Temperaturen bis 520 C Für die manuelle Fertigung und Instandsetzung elektronischer Baugruppen bietet Reichelt die digitale Lötstation Xytronic LF-3000 an, die sich mit 90 W Leistung und einem Temperaturbereich von 100 bis 520 C für RoHS-konformes, bleifreies Löten eignet. Durch eine galvanisch vom Netz getrennte Nullspannungs-Regelschaltung lassen sich elektrostatisch empfindliche Bauteile sicher löten. Eine Potentialausgleichsbuchse ermöglicht darüber hinaus ESD-gerechtes Arbeiten. Der Lötkolben arbeitet mit 36 V und ist mit einer innenbeheizten Lötspitze mit integriertem Temperatursensor ausgestattet. Soll- und Ist-Temperatur der Löt spitze werden an der Lötstation auf einer Digitalanzeige dargestellt. Eine Standby-Funktion regelt die Temperatur nach 20 Minuten ohne Benutzung auf 100 C herab. Wird der Lötkolben 40 Minuten lang nicht benutzt, schaltet sich das System vollständig ab. (dar) Webcode: TEMPERATUREN aufzeichnen Peripheriemodule für zügiges Prototyping Maxim hat eine Sammlung von 15 Peripheriemodulen vorgestellt, die für den direkten Anschluss an FPGA/CPU- Erweiterungsports nach dem Pmod-Standard von Digilent konzipiert sind und ein zügiges Prototyping sowie eine rasche Migration vom Konzept bis zum funktionsfähigen Design ermöglichen sollen. Die Module umfassen Funktionen für die Datenwandlung, ein Digitalpotentio meter, eine Echtzeituhr, einen Lichtsensor, einen Taktoszillator, ein Thermo-Interface, Schnitt stellen-transceiver, digitale Die Pmod-kompatiblen Module unterstützen Isolatoren, GPIOs, ein LED-Interface und häufig verwendete Analog- und Mixed-Signal- Relaistreiber. Zum Lieferumfang gehören Funktionen außerdem Softwarebeispiele und FPGA- Konfigurationsdateien. (dar) Webcode: Entwicklung und Analyse von Avionik-Netzwerken Vector Informatik erweitert den Anwendungsbereich der Entwicklungsund Analyse-Tools CANoe und CANalyzer auf moderne Avionik-Netzwerke. Mit der neuen Option.AFDX steht eine Lösung zur Verfügung, die den detaillierten Zugriff auf die ausgetauschten Daten liefert. Als Multibuswerkzeug analysieren die beiden Tools die AFDX-Kommunikation in zeitlicher Relation zu anderen Schnittstellen wie ARINC 825. Liegt die Beschreibung des Netzwerks als ICD-Datei vor, steht diese Information auch innerhalb des Werkzeugs zur Verfügung. Damit werden zum Beispiel die Virtual Links als Zahlenwert und über den vorgegebenen Namen angezeigt. Signale werden komfortabel in Daten- oder Graphikfenstern dargestellt. Mit der Programmiersprache CAPL lassen sich komplexe Analyse-Szenarien CANoe.AFDX bietet Entwicklern von vernetzten Steuergeräten im Flugzeug einen detaillierten Zugriff auf die ausgetauschten Daten realisieren. Dabei übernimmt CANoe das Scheduling der Nachricht und sorgt für den Transfer über die entsprechenden PC-Schnittstellen. Aufgezeichnete Log-Dateien können ebenfalls abgespielt werden. (dar) Webcode: EL-info Elektronik Informationen