Test of 1 GBit/s Fiber optical communication

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1 Test of 1 GBit/s Fiber optical communication interfaces based on FlexRIO R-Series Lösungen von IRS für den Test von schnellen Kommunikationsschnittstellen im Bereich von 1 Gbit/s Michael Rost Dipl. Ing. FH

2 Agenda IRS eine Übersicht Anforderung: Test von Glasfaserkommunikation Lösung von IRS Kurzbeschreibung Komponenten: System, Modul, FPGA, Programmierung Funktionalität: Senden, Empfangen, Reagieren Weitere FlexRIO-Lösungen Analoge Überwachung SSV Ethernet-Analyse Ausblick

3 IRS Eine Übersicht Gründung: 1991 Firmensitz: Brennberg, 25km nordöstlich von Regensburg Mitarbeiter: 50 mehr als die Hälfte sind Entwicklungsingenieure für Hard- u. Software eigene Elektronikabteilung für Fertigung und Aufbau Lösungen: Mess- und Prüfsysteme, Fertigungstester, Lebensdauersimulationsanlagen, Kalibrierlabor

4 Anforderung: Test von Glasfaserkommunikation Prüfling optisch elektrisch ? Taktrückgewinnung seriell parallel Reaktion XXXXXXX Prüfen loggen optisch elektrisch seriell parallel XXXXXXX Daten erzeugen PC oder PXI basierte Testsysteme sind am Markt nicht vorhanden Testen von proprietären Protokollen und konfigurierbaren Reaktionen mit existierenden Standardgeräten nicht realisierbar Paralleler Test von mehreren Kanälen nötig

5 Lösung von IRS FlexRIO von NI als ideale Basis Für die Entwicklung Eines FlexRIO Adaptermoduls, Des Protokolls unter LabView FPGA, LabView-VI s für einfachen Zugriff 0,1 2,5 GBit / s Datenrate 16 Sendekanäle 16 Empfangskanäle

6 Lösung von IRS: Funktionalität Aufzeichnen der Empfangsdaten 50 MByte/s kontinuierlich im Dauerbetrieb 100 MByte/s kurzzeitig Senden von Nachrichten Zyklisch und als Antwort auf Empfangsdaten mit einer Verzögerung von max.100µs Schnelle Reaktion auf Nachrichtenempfang Kundenspezifisches Protokoll Möglichkeit, externe Trigger-Signale zu erzeugen und auszuwerten

7 Komponenten: Gesamtsystem IRS adapter module PXI-7952R PXI chassis und Controller 4x Sendefaser 4x Empfangsfaser 4x Sendefaser 4x Empfangsfaser 4x Sendefaser 4x Empfangsfaser 4x Sendefaser Event Signalisierung Event Signalisierung Event Signalisierung DMA Data Streaming DMA Data Streaming DMA Data Streaming DMA Data Streaming 4x Empfangsfaser

8 Komponenten: Adaptermodul 4x optischer Transceiver Xilinx Virtex 5 LXT FPGA FlexRIO Interface Externer Trigger Empfangsdaten: 32 Bit parallel 200 MByte / s Sendedaten: 32 Bit parallel 200 MByte / s 4x Sendefaser 4x Empfangsfaser Spannungsversorgung FlexRIO PXI-7952R

9 Komponenten: Warum ein zweites FPGA? Xilinx Virtex 5 LXT- Bausteine Integrieren RocketIO Gigabit Transceiver High speed serializer, deserializer für bis zu 3,75 GBit/s PLL zur Synchronisation der Empfangenen Bitmuster CRC Blöcke, 8B/10B Encoder, Treiber und Empfangsstufen mit Equalization, Pre-emphasis, comma alignment, clock correction, channel bonding,

10 Komponenten: Programmierung VHDL LabView FPGA LabView

11 Funktionalität: Senden von Nachrichten Elektrisch / Optische Umsetzung -Buffer -CRC-Berechnung -Serializer -8B/10B codierung -Vorkonfigurierte Nachrichten werden -zyklisch oder -Ereignis-getriggert gesendet Sendedaten: 32 Bit parallel 200 MByte / s Zu sendende Nachrichten werden vorkonfiguriert DRAM Transmit Data 1 Transmit Data 2 0,1 2,5 Gbit / s

12 Funktionalität: Empfangen, Stream to Disc Optisch / Elektrische Umsetzung -Deserializer -8B/10B coding -CRC Prüfung -Buffer Raid System Emfpangsdaten: 32 Bit parallel 200 MByte / s DMA Transfer 100 MByte / s kurzzeitig 50 MByte / s kontinuierlich ,1 2,5 Gbit / s -Timestamp der empfangenen Nachricht merken

13 Funktionalität: Fast Response, Datenvergleich Nutzung der zweiten FlexRIO DRAM Bank zum schnellen Vergleich mit vordefinierten Mustern Bitmask 1 Bitmask 2 : : : : Bitmask N Expected Data 1 Expected Data 2 : : : : : Expected Data N DRAM Datensatz ID wählen Yes -> next ID Empfangsdaten No Erzeuge Event ID Ungleich? No Vollständig? Yes ,1 2,5 Gbit / s

14 Funktionalität: Fast Response, Antwort senden : : : Event 2 Event 1 DMA Transfer Log Sendedaten Event ID anliegend DRAM Transmit Data 1 Transmit Data 2 : : : : : Transmit Data N

15 Funktionalität: Fast Response, Zeitverhalten 10µs / kbyte 5µs / kbyte (min. 1µs 3,4µs/kByte) * N µs 3,4µs/kByte Nachricht empfangen Nachricht übertragen Vergleich 1 Vergleich 2 Vergleich.. Vergleich X Vergleich.. Vergleich N Pattern Match 10µs / kbyte Nachricht senden 5µs / kbyte Nachricht für ID X übertragen Event ID X erzeugen Senden initieren Weniger als 15µs Reaktionszeit für den Vergleich und das Senden von Nachrichten mit je 1kByte

16 Zusammenfassung, Reflexion, Erfahrungen FlexRIO ideal für Verarbeitung großer Datenmengen In Echtzeit im µs-bereich Ohne Belastung des PXI-Hosts Hervorragende Verbindung von FPGA und PC Mit schlüssiger Integration in das LabView-Konzept Nutzung von FlexRIO Wird von IRS weiter ausgebaut v.a. Adaptermodulentwicklung

17 FlexRIO-Lösungen: Signalüberwachung SSV Kontinuierliche Signalüberwachung mit analogem Frontend: Ermittlung und Konfiguration des Signalverlaufs über Zeit-Spannungs-Fenster mit graphischer Bedienoberfläche Auswertung zwischen Samples ohne Belastung des PXI-Hosts Speicherung der Kurvenformen im Fehlerfall bis zu 1MSample Prüfung der Zündreihenfolge Anwendung: typ. Automotive Screening-Prozess bei Fertigung Parallele Messung an HV-Batterie Test von Applikationssoftware

18 FlexRIO-Lösungen: Signalüberwachung SSV Technische Daten der SSV-Adaptermodule: Signalkonditionierung mit Eingangsspannung ±50V (optional ±10V oder ±100V ) Auflösung 14 Bit Genauigkeit 0,5% / ±10mV Galvanische Trennung aller Kanäle gegen PXI-GND SSV16: 16 Kanäle differentiell Abtastfrequenz 1MS/s simultan Galvanische Trennung 4x 4er-Gruppen gegeneinander getrennt SSV48: 48Kanäle single ended Abtastfrequenz 125kS/s (6 Kanäle simultan im Multiplex x8)

19 FlexRIO-Lösungen: Ethernet-Analyse Aufzeichnung und Analyse von Ethernet-Daten Zum Nachweis von Funktion, exaktem Zeitverhalten, Echtzeitfähigkeit Timestamps mit 20ns Auflösung Zusätzlich Logging digitaler Signale Flankenerkennung positiv und negativ Timestamp mit 20ns Auflösung Analyse-tool zur Auswertung der Rohdaten und des Zeitverhaltens in Relation zu diskreten Signalen

20 FlexRIO-Lösungen: Ausblick FlexRIO ist ideale Basis für weitere Adaptermodule: Kommunikationsschnittstellen im Gbit/s-Bereich Verschiedene Automotive Standards wie MOST, PSI5, Schnelles Timing im ns-bereich Signalverarbeitung mit analogem Frontend Galvanisch getrennte Signalkonditionierung Kundenspezifische Lösungen

21 Weiterführende Informationen IRS Kontakt: IRS Systementwicklung GmbH Pfaffenthanner Weg 5 D Brennberg Tel.: +49 (0) 9484/ Fax: +49 (0) 9484/ Weitere Informationen zu diesem Thema: irs-systeme.de ni.com/flexrio/d

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