Startseite > Embedded > Hardware > Pragmatischer Ansatz für mehr Effizienz

CPCI- u. PXIe-Baugruppen in einem System

Pragmatischer Ansatz für mehr Effizienz

27. Februar 2024, 9:00 Uhr | Von Manuel Murer, Business Development Manager bei EKF Elektronik

Das 19-Zoll-Rack »SRS-8442-Seril« von EKF Elektronik verbindet die beiden Formfaktoren PXIe und CompactPCI Serial. Die CPU-Baugruppe wird deshalb mittig gesteckt.

PXIe-Performance ist ein wesentlicher Beschleuniger für Messtechnik-Prozesse. Wer keine Premiumpreise für Prozessorboard und Peripherie zahlen will, kann neben PXIe- und PXI-Karten CPCI-Serial-Baugruppen nutzen. Hiermit lassen sich Vision- und KI-Applikationen effizient umsetzen.

▶ Diesen Artikel anhören

Der Standard »PXIe« – kurz für PCI Extensions for Instrumentation – ist in zahlreichen Branchen für das Entwickeln dedizierter Test- und Messsysteme State of the Art. So ermöglicht der modulare Aufbau der Systeme, Baugruppen ohne Hardware-Entwicklungsaufwand bedarfsgerecht zusammenzustellen, um Systeme für eine spezifische Aufgabe auszulegen. Fundament des Standards ist der Peripheral-Component-Interconnect-Express(PCIe)-Bus und seine stetig steigende Leistungsfähigkeit. Hiermit lässt sich entsprechend für zum Einsatz kommende Applikationen kontinuierlich der Durchsatz steigern.

Und das ist zwingend erforderlich, denn immer komplexere und höher integrierte Produkte erfordern beim Entwickeln und Produzieren immer leistungsfähigere Test- und Messsysteme. Zudem beschleunigen sich die Entwicklungszyklen. Die kontinuierlichen Leistungsverbesserungen sind lediglich mit neuestem Equipment möglich.

Aufgrund des bei modularen Test- und Messsystemen konsolidierten Marktes mit wenigen dominierenden PXIe-Anbietern hat sich jedoch ein hohes Preisniveau bei den Komponenten herausgebildet. Es gibt zwar Anbieter, die ihre PXIe-Baugruppen günstiger anbieten als die Platzhirsche, bei den Prozessorbaugruppen ist das Angebot jedoch weiterhin hochpreisig. Aus diesem Grund wünschen sich viele Anwender Alternativen, um neuste Test- und Messsysteme kostengünstig zu entwickeln. Das betrifft sowohl die Prozessorbaugruppe als zentrale Steuerungsinstanz als auch die allgemeinen Peripheriebaugruppen. Zudem verschärft sich das Thema, da PXIe-Systeme mit Baugruppen für Vision und künstliche Intelligenz (KI) ausgestattet werden sollen, um einen noch höheren Automatisierungsgrad zu erreichen und die Qualität zu steigern.

Reunion beider Formfaktoren

Diese Alternativen gab es bereits, als PXI noch auf PCI basierte, denn die Spezifikation wurde lediglich vom CompactPCI(CPCI)-Standard abgeleitet. Im Zuge des Wandels hin zu schnelleren seriellen PCI-Express(PCIe)-Schnittstellen ging die Option jedoch verloren. Das PCIe unterstützende PXIe baut nicht mehr auf CompactPCI Serial auf. In der Folge können Entwickler den Vorteil, beide Welten in einem System zu verbinden, nun nicht mehr bei PXIe-basierten Systemen umsetzen. Entwickler von PXI-basierter Mess- und Prüftechnik würden die beiden Welten jedoch sehr gerne wieder zusammenbringen. Schließlich sind in Test-, Mess- und Prüfsystemen – die bei OEMs vom Validieren erster Prototypen bis zur End-of-Line-Prüfung zum Einsatz kommen – neben schnellen PXIe-Baugruppen zum Erhöhen der Prüfgenauigkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit weiterhin allgemeine Peripheriebausteine nötig. Schnelle PCIe-Baugruppen sind zudem für die Datenakquisition und Verarbeitung im Einsatz, beispielsweise um Kameradaten bei visuellen Inspektionssystemen zu verarbeiten. Hier werden immer höher aufgelöste Bilddaten verarbeitet, für deren Verarbeitung man im CompactPCI-Serial-Formfaktor attraktive Applikationen findet.

Jobangebote+ passend zum Thema

MACNICA ATD EUROPE - Ihre berufliche Zukunft

MACNICA ATD Europe GmbH, Ingolstadt

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Auch würde bei einer Reunion der beiden Formfaktoren wieder ein größeres Ökosystem und hiermit eine höhere Flexibilität entstehen, Komponenten unterschiedlicher Hersteller parallel nutzen zu können. Zudem steigen die Möglichkeiten der Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit. Hervorzuheben ist außerdem, dass CompactPCI Serial nicht nur PCIe, sondern über die Backplane ebenso nativ Gigabit-Ethernet(GbE)-, SATA- und USB-Konnektivität unterstützt, was entsprechend mehr Flexibilität für Peripheriebaugruppen bietet.

Typische Anwendungen von PXI-basierten Systemen sind:

Test- und Mess-Equipment mit Oszilloskopen
Signalgeneratoren und -analysatoren
Netzwerkanalysatoren
digitale Multimeter
Quellenmessgeräte (Source-Measurement-Units, SMUs)
parametrische Messgeräte (Parametric Measurement-Units, PMUs)

Sie können in Kombination mit Prozessorbaugruppen sowie digitalen I/Os und Switches realisiert werden, die man bereits im CompactPCI-Umfeld günstig beziehen kann. Hinzu kommen Karten für Speicherung, Grafik oder UART sowie bei Bedarf Wireless-Konnektivität, um PXIe-Systeme mittels Fernzugriff zu administrieren und in IoT-Anwendungen einzubinden. All das ist bei CompactPCI in zahlreichen Auslegungen verfügbar, die aufgrund der hohen Stückzahlen günstiger angeboten werden.

Zusammenbringen, was zusammengehört

Für die erneute Verbindung beider Welten ist es nötig, die Kompatibilität der beiden Formfaktor-Zwillinge wieder herzustellen. So sind mit PXI- und CPCI-Baugruppen, die auf PCI und PCIe basieren, zahlreiche hybride Systemkonfigurationen möglich. Um eine solche Applikation zu schaffen, reicht es jedoch nicht aus, das mechanische Design so auszulegen, dass Baugruppen beider Formfaktoren in ein System passen. Wichtig ist vielmehr, dass die CPU-Baugruppe beide Welten als zentrale Instanz verbinden kann. Standard-CPU-Baugruppen für CompactPCI Serial kann man hierzu um eine Mezzanine-Karte erweitern, die ebenfalls den PXIe-CPU-Slot anbindet und spezifikationskonform mit der PXIe-Backplane kommuniziert.

Darüber hinaus ist hardwarenahe Low-Level-Supportsoftware erforderlich, um es der Konfigurations-, Überwachungs- und Verwaltungssoftware für PXIe-basierte Systeme begreiflich zu machen, mit welchen CompactPCI-Baugruppen sie es zu tun hat und wo genau diese gesteckt sind. Lediglich so ist es möglich, jedwede CompactPCI-Serial-Baugruppe nahtlos in Projekte oder Applikationen von Drittanbietern einzubinden, beispielsweise in »NI Max« (ehemals »LabView«) von National Instruments, »Visual Studio« von Microsoft oder Applikationen von Drittanbietern wie Chroma, Keysight oder Agilent.

Verbinder beider Welten

Mit dem von EKF Elektronik in Kooperation mit Schroff entwickelten 19-Zoll-Rack »SRS-8442-Serial« wurde eine Plattform geschaffen, die beide Welten wieder verbinden kann. Für die Plattform hat EKF zahlreiche PXIe- als auch CPCI-Serial-CPU-Baugruppen auf Basis von Intel-Core-Prozessoren der 7. und 11. Generation entwickelt. Hierfür wurde Schroffs Software-Suite für NI Max um den Support der EKF-CPU-Baugruppen erweitert. So sind sie im NI Max »Hardware-Ressource Manager« ansprechbar und die Topologie des CompactPCI-Serial-Segments des Systems ist sichtbar.

Das EKF-System ist mit zwei Backplanes ausgestattet, links für sechs CompactPCI-Serial-Karten, rechts für sieben PXI-Express- oder CompactPCI-Express-Baugruppen – schließlich fußt die PXIe- auf der CPCIe-Spezifikation. Sie hat sich im CPCI-Ökosystem jedoch gegenüber CPCI Serial nicht durchgesetzt. Um also beide State-of-the Art-Backplane-Welten anzubinden, sind die CPU-Baugruppen in 10TE Breite ausgelegt. Das Rack ist zudem mit zwei herausnehmbaren AC-Netzteilen ausgestattet – eines für jede Backplane –, um die unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsversorgung zu erfüllen. Drei 120-mm-Lüfter, die in einer Schublade unter den Kartensteckplätzen montiert sind, gewährleisten eine optimale Kühlung.

Robuste Auslegung für industrielle Einsatzzwecke

Bei der Auswahl aller Komponenten der Systemplattform wurde auf eine hohe Zuverlässigkeit geachtet, um sie für den Einsatz im rauen industriellen Umfeld zu qualifizieren. OEMs können die Systeme folglich nicht nur in Entwicklungs- und Test-Labors oder beim Fertigen von Halbleiter- und Elektronikbaugruppen einsetzen, sondern ebenfalls in den zunehmend vollautomatisierten Fertigungsstraßen der Automobilindustrie und in zahlreichen weiteren Branchen. Testfahrten auf Straßen und Schienen bewältigen die Systeme anstandslos – auch hier ist die Verbindung beider Welten ein Vorteil. Schließlich sind hier vermehrt Kamera-, Lidar- und Radardaten zu akquirieren, vorzuverarbeiten und mittels KI zu analysieren.

Eine Plattform für beide Anwendungsbereiche einzusetzen erleichtert den Systemaufbau hierbei deutlich. Für noch robustere Auslegungen im Militär- und Luftfahrt-Segment ist es zudem möglich, das bestehende Konzept auf Applikationen von Schroff zu portieren. Anwenden lassen sich die hybriden PXIe/CPCI-Serial-Systeme folglich überall, wo Karten des PXIe-Ökosystems einen Nutzen versprechen.