Software als Messgerät

Mit dem Einzug des PC in die Mess- und Prüftechnik vor rund 20 Jahren hat sich ein schneller Wandel in der Messgeräte-Technologie vollzogen. Dabei haben sich im Laufe der Zeit unterschiedlichste Ausführungsformen softwarebasierter Ansätze herauskristallisiert. Im Folgenden ein Blick auf die neuesten Trends und Realisierungs-Varianten auf dem Weg zu „Instrumentation 2.0“.

Mit dem Einzug des PC in die Mess- und Prüftechnik vor rund 20 Jahren hat sich ein schneller Wandel in der Messgeräte-Technologie vollzogen. Dabei haben sich im Laufe der Zeit unterschiedlichste Ausführungsformen softwarebasierter Ansätze herauskristallisiert. Im Folgenden ein Blick auf die neuesten Trends und Realisierungs-Varianten auf dem Weg zu „Instrumentation 2.0“.

INHALT:
Der Trend zu den vom Benutzer durch Software definierten Produkten
Der Weg zu „Instrumentation 2.0“
„Der Wandel muss stattfinden“
Technologie als Trendsetter
Bussysteme für die Datenübertragung
Mehr speed durch Multicore- Verarbeitung
Entwicklung individueller Instrumente mit FPGAs
Beispiel: „Software-Defined Radio“
Literatur
Autoren

Einen echten „Mehrwert“ bietet ein softwarebasiertes Messsystem dann, wenn es zum einen benutzerdefinierte Messfunktionen, Datenübertragung in Echtzeit und anwenderspezifische Benutzeroberflächen ermöglicht, zum anderen aber auch modulare Hardware und die Anbindung an den PC bietet, was kurzum mit dem Begriff „Instrumentation 2.0“ charakterisiert und in diesem Beitrag vertieft wird.

Der Trend zu den vom Benutzer durch Software definierten Produkten

Das Internet hat sich während der letzten Jahre erheblich verändert. Es wurde immer mehr ein Teil des alltäglichen Lebens, und bei vielen Nutzern kam der Wunsch auf, das Internet an die eigenen Bedürfnisse anzupassen, was für Betreiber von Websites natürlich bei den vielen unterschiedlichen Interessen der Nutzer sehr aufwendig oder gar unmöglich ist. Benutzerdefinierte Websites wie Blogs, Wiki-Pages und auch Spiele erfreuen sich daher wachsender Beliebtheit. Die Betreiber dieser Seiten stellen neben eigenem Inhalt ein Framework und Werkzeuge bereit, die die Anwender nutzen, um eigenen Inhalt und Funktionen zu erstellen. Das populärste Beispiel ist sicherlich die freie Enzyklopädie „Wikipedia“.

Dieser Ansatz wird oft Web 2.0 genannt, denn er unterscheidet sich grundsätzlich von den Anfängen des Internet, als der Inhalt von Websites nur von den Betreibern und meist auch nur in Form statischer Seiten bereitgestellt wurde. Web 2.0 ermöglicht es den Nutzern, eigene Inhalte zu schaffen und nach eigenen Wünschen zu verknüpfen. So ist es möglich, dass selbst für sehr spezielle Nischen-Interessen wie exotische Sprachen oder ausgefallene Sportarten entsprechende Inhalte im Web zu finden sind.

Software bestimmt aber nicht nur die Funktion von PCs und den Aufbau von Webseiten, auch bei vielen Geräten der Unterhaltungselektronik ist ein Trend zu softwaredefinierten Geräten zu beobachten. Zum Beispiel sind Home-Entertainment-Systeme oft als Software realisiert, die auf einer universellen, PC-basierten Plattform ausgeführt wird.

Sie wird über einen Bildschirm bedient und verknüpft die einzelnen Komponenten wie DVD-Player, Internet, Spielkonsole bis hin zur Hausautomatisierung mit Beleuchtungssteuerung passend zum Start des Films. Bei modernen Systemen kann der Benutzer wie im Web 2.0 Funktionen anpassen oder eigene hinzufügen.

Ein Beispiel ist das viel diskutierte Apple „iPhone“: Das Interessanteste an diesem Produkt ist die Tatsache, dass sich je nach verwendeter Funktion die gesamte Benutzeroberfläche verändert. Wird das Gerät als Telefon genutzt, steht eine Anzahl von Tasten zur Verfügung. Wird eine SMS erstellt, ist stattdessen eine komplette QWERTYTastatur vorhanden. Und noch eine weitere Oberfläche steht bereit, wenn die Hardware als MP3-Player genutzt wird. Aufgabenspezifische Software- Anwendungen nutzen also die grundlegenden Hardware-Komponenten (Lautsprecher, Touchscreen, Prozessor usw.), um je nach Anwendung ein neues, virtuelles Gerät zu erstellen. Durch Software ist der Anwender also in der Lage, die universelle Hardware je nach Anwendung für eine bestimmte Funktion zu definieren. Durch diesen softwarebasierten Ansatz wird das iPhone eine Plattform wie ein PC, die durch den Hersteller Apple und theoretisch auch durch andere Anbieter und die Nutzer selbst mit Hilfe eigener Software für neue Anwendungen erweitert werden kann.

Beispiel: „Software-Defined Radio“

Als Beispielanwendung dient im Folgenden ein System zum Erzeugen und Analysieren von Hochfrequenzsignalen bis 2,7 GHz. Es nutzt den schnellen PXI-Bus, um Daten zwischen HFGenerator bzw. -Analysator und Host- Rechner zu übertragen. Im Host-Rechner werden in einer benutzerdefinierten Software die auszugebenden Signale erzeugt und die erfassten Signale analysiert. Durch den Ansatz in Software ist das Anpassen der verwendeten Analysealgorithmen und Modulationsverfahren an neue Aufgabenstellungen sehr einfach.

Auf diese Weise kann mit dem System auch ein „Software-Defined Radio“ realisiert werden, mit dem z.B. Kommunikationssysteme (als Software- Implementation vor der Realisierung in Hardware) getestet werden können. Das Blockdiagramm eines solchen Systems (Bild 4) zeigt die benötigten Hardware-Module, Bild 5 eine Software-Oberfläche und Bild 6 ein System in der Praxis.

In diesem System verschiebt ein HF-Abwärtswandler das zu erfassende Spektrum mit bis zu 20 MHz Bandbreite in einen Zwischenfrequenz-Bereich, passend zum Frequenzbereich eines Digitizers, der dieses ZF-Spektrum digitalisiert und über einen in Hardware (FPGA für Filterung und Dezimierung der Daten) realisierten Abwärtswandler vom ZF-Bereich ins Basisband verschiebt. Die Daten gelangen dann über den PXI-Bus in den Host-Controller, auf dem ein benutzerdefiniertes LabVIEW-Programm, „programmiert“ in einer Block-Diagramm- Syntax, ausgeführt wird. Dieser Ansatz ist ideal zum Realisieren von datenflussorientierten Konzepten wie einem HF-System. Außerdem kann der Anwender das Programm leicht verändern, um z.B. mit den in Lab-VIEW-Toolkits vorhandenen Funktionen für Signalanalyse und Modulationsverfahren einen Echtzeit-Spektrumanalysator zu erstellen, verschiedene Demodulationen oder Messungen von Modulationsfehlerraten und Bitfehlerraten durchzuführen.

Durch Anpassen der verwendeten Modulationsverfahren kann mit diesem System jedes Standard- und Nicht- Standard-Signal innerhalb der Bandbreite und des Frequenzbereichs des HF-Analysators getestet werden. Der umgekehrte Weg, also das Erzeugen eines ZF-Signals und die Upconversion, funktioniert sehr ähnlich. Auch hier kommt der softwaredefinierte Ansatz zum Tragen, denn beliebige Signalformen können in einem LabVIEWProgramm erzeugt und über die Hardware ausgegeben werden.

Letztlich ist festzustellen, dass virtuelle Instrumente alle Aspekte der softwarebasierten Mess- und Testsysteme abdecken. Dabei stehen einige Schlüsseltechnologien wie Busse (z.B. PCI Express), Multicore-Prozessoren und FPGAs derzeit im Mittelpunkt. Diese erlauben eine höchstmögliche Flexibilität, anwenderseitige Anpassbarkeit und letztlich die Integration von Mess- und Prüftechnik in die unterschiedlichen Phasen des Designs, des Prototypings und der Serienfertigung. Wolfgang Hascher