Messtechnik-Power für das Internet of Things Erneut zeigte National Instruments im texanischen Austin heuer zum 20. Mal in jährlicher Folge während der Kongressveranstaltung NI Week interessante Trends aus der mess-, steuerungs- und regelungstechnischen Hard- und Software-Welt sowie dem Systemdesign Den Auftakt der NI Week bildete die Keynote von Dr. James Truchard (Bild 1), dem Mitbegründer von National Instruments: Big Data und Hochleistungs-Analog/Mixed- Signal-Mess- und Prüfverfahren sowie das Nutzen neuester HF-Wireless-Technologien zählen zu den wesentlichen Anforderungen der heutigen Zeit. Auch das industrielle Internet of Things (IoT) und das IoT für Verbraucherzwecke stellte Truchard ebenso als besondere technische Herausforderungen dar wie die Industrie 4.0 und die Smart - Technologien in allen Bereichen der Elektronik und damit in allen Bereichen des täglichen Lebens. Die große Frage sei aber, wie man all diese Entwicklungen optimal nutzen und in Synergie- Effekten optimal vereinigen könne. und der Embedded-Technik allgemein. Von Wolfgang Hascher Bild 1. Dr James Truchard, der Mitbegründer von National Instruments und CEO, sieht in den großen Datenmengen der künftigen Datenerfassungssysteme in den Cyber-Physical Systems und im Internet of Things eine große Herausforderung. (Bild: Elektronik) Big Data und die Nanosekunden- Timing-Herausforderungen Auch Timing- und Synchronisierungs- Aspekte im niedrigen Mikrosekunden- Bereich und darunter zählen in diesem Zusammenhang zu Anforderungen, die gelöst werden müssen. Ein Blick in die nähere Zukunft eröffnet dabei, so Truchard, zwei Aspekte: verteilte Sensor/ Aktor-Systeme aller Art, die im Nanosekunden-Takt synchronisiert werden müssen, und High-Speed-Multicore- Parallel-Rechnerarchitekturen, die mit Big Data, also riesigen analogen und letztlich digitalen Datenmengen arbeiten. Hard- und Software müssen hierbei optimal zusammenspielen. Mike Santori, Vice President für Produktmarketing, hob einige Applikationen hervor, die diesen Herausforderungen begegnen können: High-Speed- FPGAs und die Möglichkeiten durch grafische Programmiertechniken seien dabei Grundelemente. Er erwähnte auch das neue LabVIEW 2014 als Programmierumgebung. Automatisch-intelligent hergestellte Verbindungen zwischen den Funktionsblöcken (Bild 2) würden dabei ebenso zu den Arbeitserleichterungen zählen wie mehrere 44 Elektronik messen+testen Oktober 2014
Software spiele dies eine wesentliche Rolle. Und ein Einblick in Echtzeit-Timing-Beziehungen stelle sich ebenfalls von enormer Wichtigkeit dar. Interessant in Bezug auf das neue LabVIEW 2014 war die Einführung der LabVIEW Suites. Diese sind für die Bereiche automatisiertes Testen, Embedded-Steuerung, -Regelung und -Überwachung sowie Hardware-in-the-Loop und Echtzeittests verfügbar. Sie umfassen für das jeweilige Anwendungsgebiet essenzielle LabVIEW-Zusatzpakete sowie weitere Software, wie z.b. alle benötigten Treiber. Weitere Neuerungen: NI-DataFinder-Federation-Technolo- gie: Anwender können verteilte Messdaten intuitiv über mehrere Arbeitsgruppen oder standortübergreifend suchen und indizieren lassen. Neue Einsatzmöglichkeiten für Algorithmen:.m-Files können nun direkt auf Linux-Real-Time-Systemen und Bildverarbeitungsfunktionen auf FPGAs eingesetzt werden. Data Dashboard for LabVIEW (Bild 3): Anwender können einfach und sicher mobile Benutzeroberflächen zur Vi- Bild 2. Das neue LabVIEW 2014 kann mit zahlreichen zeitsparenden Automatik-Routinen aufwarten. (Bild: National Instruments) neue Toolkits und weitere arbeitserleichternde und zeitsparende Verbesserungen. LabVIEW 2014: schnellere Entscheidungsprozesse Visualisierung durch optisch optimale und vom menschlichen Gehirn leicht aufnehmbare Darstellung sei in jedem Design-Prozess, wie Jeff Kodosky, der Erfinder von LabVIEW, ausführte, ein extrem wichtiger Punkt. Man müsse eine interaktive Entwicklungsumgebung haben auch beim Design von Bild 3. Mit Data Dashboard for LabVIEW können Anwender einfach und sicher mobile Benutzeroberflächen zur Visualisierung erfasster Daten erstellen unabhängig von Zeit und Ort auf ihrem Tablet. (Bld: National Instruments) Bild 4. CompactRIO-Systeme im Einsatz beim Condition Monitoring einer Disziplin, die immer häufiger im Rahmen von Predictive Maintenance eingesetzt wird: Man kann damit mechanische Maschinenschäden anhand typischer Frequenz- und Resonanzmuster schon sehr frühzeitig erkennen. (Bild: National Instruments) Elektronik messen+testen Oktober 2014 45
sualisierung erfasster Daten erstellen und unabhängig von Zeit und Ort fundierte Entscheidungen treffen, ohne dass die Fachkenntnisse eines Webentwicklers erforderlich sind. Höchstfrequenz-Messtechnik: Rekordwerte erzielt Der Systembus-Standard PXI mit momentan über 1500 verschiedenen Einschubmodulen auf dem Markt erweist sich derzeit als sehr gute Hardware-Basis in Verbindung mit der Software-Umgebung des neuen LabVIEW. In diesem Zusammenhang stellen nach Meinung von Fachleuten bei National Instruments die Software-designten Instrumente, deren erster Vertreter der vor zwei Jahren vorgestellte PXI-Vektorsignal-Transceiver VST bis 6 GHz oberer Frequenzgrenze war, ebenfalls wesentliche Elemente der Messtechnik der Zukunft dar. Weitere Neuerung: Jetzt wurde der Frequenzbereich des Vector Signal Analyzer VSA auf über 26 GHz erhöht, die Analysebandbreite kann nun 765 MHz betragen ein Rekordwert in diesem Sektor der Höchstfrequenz- Messtechnik. Zwei Mio. FFTs pro Sekunde sind damit realisierbar. Die Messgeschwindigkeit sei mit dem neuen VSA rund 15 Mal höher als mit herkömmlichen Standard-HF-Analysatoren, wie Versuche ergeben hätten. Testkosten drastisch niedriger In diesem Zusammenhang wurde auch ein neues IC-Testsystem (ATE, Automated Test System) auf PXI-Systembus- Basis vorgestellt. Ein sehr hoher Testdurchsatz aufgrund der großen Messgeschwindigkeiten der Tester-PXI-Hardware charakterisiert dieses Prüfsystem, Völlig neu: das rekonfigurierbare Oszilloskop Das erste rekonfigurierbare Oszilloskop im PXI-Systembus-Formfaktor mit acht Kanälen wurde unlängst von National Instruments vorgestellt (Typenbezeichnung NI PXIe-5171R, Bild A). Dabei wird der Datenstrom gleich nach dem A/D-Umsetzer kontinuierlich in High Speed verarbeitet. Gezeigt wurde, wie mit einem grafisch programmierbaren Waveform Trigger z.b. aus einem langen Datenstrom ganz bestimmte individuelle Kurvenformen völlig beliebiger Ausformung herausgefunden werden können. Wir fragten zu den Details dieses neuen und auf modernen High- Speed-FPGAs basierenden Oszilloskop-Modells den Senior Product Manager für Oszilloskope bei National Instruments, Christian Gindorf. In welcher Messaufbau- Konfiguration haben Sie das neue, Software-definierte Oszilloskop gezeigt? Christian Gindorf: Für die Demo der Untersuchung von NFC-Signalen wurden verwendet ein PXIe- 8133-Controller in einem PXIe-1082-Chassis, das Oszilloskop PXIe- 5171R, ein PXIe-7976 FlexRIO für das Persistence Display des Real-Time Spectrum Analyzer sowie zwei Signalgeneratoren, PXIe-5154 und PXI-5421, für die NFC- und Rechtecksignale. Kann man das Scope auch stand-alone betreiben in einem PXI-Chassis? Gindorf: Das funktioniert schon, denn es ist ja ein PXI-Express-Modul. Es dürfte aber in vielen Fällen doch eine Kombination mit anderen PXI-Modulen in Form eines umfangreicheren Messplatzes angebracht sein. Letztlich kann aber in einer Minimalkonfiguration das rekonfigurierbare Oszilloskop allein in einem PXIe-1073-Chassis mit integriertem Controller arbeiten. Warum wurde das Scope als Softwaredefiniert vorgestellt? Wegen des FPGA-Einsatzes? Gindorf: National Instruments hat 2012 mit dem Vektorsignal-Transceiver VST die Software-designten Messgeräte ins Leben gerufen und dieses Jahr fünf neue Geräte dieser Klasse vorgestellt. Auch wenn der vom Anwender programmierbare FPGA-Baustein eine zentrale Rolle spielt, gehört zu einem solchen Messgerät mehr, vor allem die Software. Alleinstellungsmerkmal dieser Geräteklasse ist die durchgängige Offenheit der Software von der Programmierschnittstelle (API) auf dem Host-PC bis hinunter zum FPGA, also direkt bis zu den Signalen der A/D- und D/A- Wandler und digitalen I/O- Leitungen. Dies bedeutet für den Anwender die Flexibilität, die Funktion seines Messgerätes genau auf seine Anwendung anpassen, es eben designen zu können, um sehr spezielle Aufgaben zu lösen oder Testzeiten dramatisch zu reduzieren. Christian Gindorf, National Instruments: Der wesentliche Unterschied zu traditionellen Oszilloskop-Konzepten ist, dass mit dem anwenderprogrammierbaren FPGA des Software-definierten Oszilloskops alle erfassten Samples ohne Unterbrechung (Dead Time) analysiert werden können. War also der Vektorsignal-Transceiver VST das Vorbild? Gindorf: Auf jeden Fall! Der Vektorsignal- Transceiver ist ein sehr erfolgreiches Produkt, mit dem viele Aufgaben gelöst wurden. Beispielweise hat die Firma Qualcomm Atheros die benötigte Zeit für die Charakterisierung von WLAN-Transceivern um den Faktor 200 reduziert, was bei der Entwicklung dieser Halbleiterprodukte einen großen Vorteil bedeutet. Diese Möglichkeiten wollen wir den Anwendern auch bei anderen Geräten bieten, also Oszilloskopen, HF-Analysatoren, seriellen High-Speed-Instrumenten und mehr. Welche technischen Daten kann das neue rekonfigurierbare Oszilloskop eigentlich vorweisen? Gindorf: Das Oszilloskop hat acht unabhängige Kanäle mit einer Abtastrate von 250 MS/s und einer Auflösung von 14 bit, eine analoge Bandbreite von 250 MHz mit einem 100-MHz-Aliasing-Filter, darüber hinaus 1,5 GB RAM. Es ist ein PXI-Express- Gen2-x8-Modul mit 3,2 GB/s zur Übertragung Bild A. Das neue rekonfigurierbare Oszilloskop NI PXIe-5171R arbeitet in einem PXI-Systembus-Chassis, bedient sich eines High-Speed-FPGA und kann vor allem mit seinen völlig frei definierbaren Triggervarianten im Zeit-, Frequenz- und Datenbereich punkten. (Bilder: National Instruments) der Daten auf den Host-PC, ein Speichermedium oder ein weiteres FPGA-Modul. Zusätzlich verfügbar sind acht programmierbare digitale I/O-Leitungen, die direkt mit dem FPGA verbunden sind und z.b. zur Kommuni- 46 Elektronik messen+testen Oktober 2014
das auch schnelle Parallel-Hochfrequenz-Tests mit dem Vektorsignal- Transceiver VST zu günstigen Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Testsystemen realisieren kann. Ein solches System kostet laut NI rund ein Zehntel im Vergleich zu einem ähnlichen traditionellen Testsystem; die Testkosten pro Prüfling lassen sich so massiv reduzieren. Big Analog Data: Herausforderung an Rechenkapazität Im Bereich des Condition Monitoring, also des permanenten Überwachens kation mit einem Prüfling über SPI oder andere Bussysteme oder zur Synchronisation mit anderen Geräten genutzt werden können. Welche besonderen Auswerte-/Erfassungs-Arten kann man damit realisieren, die mit einem herkömmlichen Scope nicht möglich sind? Bild B. Beispiel für die völlig frei definierbaren Triggervarianten: Hier wird auf einen abnormalen, treppenförmigen Übergang von der ansteigenden Flanke in den High-Pegel getriggert. Gindorf: Mit dem anwenderprogrammierbaren FPGA können alle erfassten Samples ohne Unterbrechung (Dead Time) analysiert werden. Dies unterscheidet das neue rekonfigurierbare Oszilloskop von herkömmlichen Oszilloskopen. Damit sind z.b. kontinuierliche und auch überlappende FFTs hoher Bandbreite möglich oder das Decodieren von HF-Signalen oder seriellen Bussen ohne Unterbrechung.Weiterhin können die erfassten Daten lückenlos über einen PXI-Express-Bus z.b. auf ein Speichermedium wie ein RAID Array gespeichert werden. Nicht zuletzt können Standard- Triggerfunktionen beliebig kombiniert (AND, OR, A-then-B, XOR usw.) und durch vom Anwender definierte Trigger ergänzt werden, wie beispielsweise der bei von Maschinenzuständen, um sich ankündigende Fehler zu erkennen, liegt eine weitere Herausforderung für moderne Mess- und Analysetechnik, wie deutlich wurde. Bei allen diesen Monitoring-Verfahren fallen große Mengen von Analogdaten der verschiedenen Sensoren in Hochgeschwindigkeit an, die in Echtzeit ausgewertet werden müssen, um beispielsweise rechtzeitig Alarme zu generieren: Alles im Sinne von vorbeugender Wartung, dem Predictive Maintenance -Konzept. Big Data fallen aber auch rund um die Entwicklungen für das Internet der der Neuvorstellung gezeigte Waveform- Trigger (Bild B) oder Funktionen zum Erkennen von Bitmustern in Bussystemen. Was sind letztlich die besonderen Alleinstellungsmerkmale des Oszilloskops? Gindorf: Alleinstellungsmerkmale sind die hohe Anzahl von acht Eingangskanälen und vor allem der FPGA- Baustein, der eine kontinuierliche, unterbrechungsfreie Analyse von Signalen und das Erkennen von Triggerbedingungen ohne Dead Time ermöglicht. Neben Standard-Triggern kann der FPGA-Baustein auch für anwenderdefinierte Triggerbedingungen programmiert werden. Hier sind die Möglichkeiten grenzenlos: Es können Trigger im Zeitbereich, z.b. Pulslängen, Anstiegszeiten, Masken, im Frequenzbereich, z.b. das Überschreiten von Limits je nach Frequenz und auch im Datenbereich gesetzt werden. Hier kann man praktisch alle beliebigen Daten-Ereignisse als Triggerbedingungen nutzen. Natürlich kann man alle diese Möglichkeiten auch kombinieren. Welche Software ist dafür nötig? Lab- VIEW? Gindorf: Aktuell ist das rekonfigurierbare Oszilloskop mit LabVIEW FPGA und den Instrument Design Libraries IDL programmierbar. An der Unterstützung von Standard-Messgerätetreibern wie NI- Scope und IVI zur Verwendung des Oszilloskops ohne FPGA-Programmierung wird gerade gearbeitet. Dinge an, das hohe Anforderungen an die Halbleiter, an Sensorik, Software- Rechenkapazität und Wireless-Übertragungswege stelle. Für all das sei eine hochkarätige, rechnergestützte und FPGA-flexible Mess- und Auswertetechnik nötig. Ähnliches gilt für die Factory of the Future, die sich der Technologien des Internet der Dinge natürlich bedienen wird. Das universelle I/O- und Multifunktions-Erfassungs-/Auswertesystem CompactRIO wurde vor zehn Jahren erstmals vorgestellt, jetzt wurden neue Typvarianten dieser Systemfamilie auf Basis eines Intel-Atom-Prozessors und eines Xilinx-Kintex-7-FPGA präsentiert. Zusätzlich werden sie von LabVIEW 2014 und NI Linux Real-Time unterstützt. Sie eignen sich für anspruchsvolle Steuer- und Regelanwendungen in rauen Industrieumgebungen durch die Integration von High-Speed-Prozessoren, benutzerdefiniertem Timing und Triggern sowie die Datenerfassung von mehr als 100 I/O-Modulen der C-Serie. Neu sind auch die 4-Slot-Controller CompactDAQ und CompactRIO, wobei der CompactRIO (Bild 4) auch mit einem Kintex-7-FPGA von Xilinx ausgestattet ist. Als Prozessor kommt ein Atom-Baustein von Intel zum Einsatz, auf dem der NI Linux Real-Time Kernel läuft. Mit Embedded UI lässt sich ein lokales HMI (Human Machine Interface) implementieren und das Steuer- und Regelsystem zur Handhabung von HMI- Aufgaben einsetzen. Darüber hinaus wurde die Bildverarbeitung optimiert. Es lassen sich jetzt USB-3- oder GigE- Vision-Kameras hinzufügen, Bilderfassungen direkt in eine Anwendung integrieren und mit dem neuem Bildverarbeitungs-IP kann das FPGA als leistungsstarker Koprozessor Bildverarbeitungsaufgaben übernehmen. Die neuen 4-Slot-CompactDAQ-Controller arbeiten mit einem Atom-Dualcore- Prozessor, der Windows Embedded Standard 7 sowie NI Linux Real-Time ausführen kann. Durch den Einsatz von LabVIEW in Verbindung mit den verschiedenen Optionen der Betriebssysteme können Anwender den LabVIEW-Code aus bestehenden Messsystemen einfach auf diese neuen CompactDAQ-Controller übertragen. Für CompactDAQ stehen übrigens mehr als 60 sensorspezifische I/O-Module zur Verfügung. Wei- Elektronik messen+testen Oktober 2014 47
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Hardware-Basis ist ein Xilinx Zynq All Programmable System-on-a-Chip (SoC) mit einigen Peripheriekomponenten. Ein Linux-Betriebssystem ist bereits implementiert. (Bild: National Instruments) tere Funktionen sind ein SD-Kartenslot zum Austausch von Speichermedien, ein integrierter CAN/LIN-Port und vier Steckplatze für Module der C-Serie. Embedded-Systeme im Kompaktformat unterstützt Eine weitere Neuvorstellung war das NI SOM (System on Module NI sbrio-9651). Dabei handelt es sich um eine Entwicklungsplattform auf einem Board (Bild 5), mit dem man Embedded-Systeme unkompliziert entwickeln und aufbauen kann. Hardware-Basis ist ein Xilinx Zynq All Programmable System-on-a-Chip (SoC) mit einigen Peripheriekomponenten. Ein Linux-Betriebssystem ist bereits implementiert, und der Anwender kann mit LabVIEW ein Embedded-System auf dieser kompakten Plattform unkompliziert und rasch entwickeln und testen. Spektraleffizienz in Wireless-Kommunikationsnetzen, so wurde auch deutlich, ist eine wesentliche Voraussetzung, um den rund um den Faktor 1000 in den nächsten zehn Jahren steigenden Datendurchsatz in Mobilfunknetzen zu bewältigen. Dazu sind neue Small Cells -Netzarchitekturen nötig, die kleinere Bereiche mit hohen Geschwindigkeiten versorgen können. Mit dem neuen Vektorsignalanalysator und seiner Bandbreite von 765 MHz lassen sich, wie gezeigt wurde, alle Parameter solcher Basisstations-Konfigurationen extrem rasch überprüfen. Rasch muss es auch gehen in den neuen Mobilfunknetzen. Und wie sich die Forschung in den kommenden Mobilfunknetzen der sogenannten 5G -Ära entwickelt das zeigt sich, so Fachleute, ebenfalls als ein großes Thema. Einige Eckdaten solcher 5G-Netze offenbaren sich heute bereits: 10 Gbit/s Übertragungsrate, die Nutzung von mm-wellen und eine Latenzzeit unter 1 ms stellen sich als Forderungen dar. Große Möglichkeiten sollen sich in den 70- und 80-GHz-Bändern ergeben, wie deutlich wurde. Aber auch die niedrigen GHz- Bänder sind nach wie vor interessant letztlich auch das neben den Big Data eine enorme Herausforderung für die Messtechnik. Und im Internet of Things wachsen dann alle Disziplinen zusammen: Die Messtechnik wird auch das möglich machen. ha 48 Elektronik messen+testen Oktober 2014