Die (R)evolution der Datenerfassungskarte
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die (R)evolution der Datenerfassungskarte
National Instruments nutzt zur Programmierung der FPGAs mit den Daten der Anwendungsentwicklung LabVIEW, was vom Anwender keine Detailkenntnisse in Hardware-Beschreibungssprachen wie z.B. VHDL verlangt. Als FPGA-basierte Ausführungsplattform dienen Baugruppen, die auch als „RIO-Zielgeräte“ (Reconfigurable I/O) oder als „Intelligent DAQ Boards“ bezeichnet werden. Mit Lab-VIEW können Anwender in gewohnter grafischer Programmierweise Code hierfür in Form von virtuellen Instrumenten (VI) entwickeln, das Verhalten synthetisieren und auf dem FPGA-Zielgerät ausführen. Zur Signalanbindung gibt es eine große Auswahl: vom einfachen FPGA-Modul mit vordefinierten, integrierten Frontends über FPGA-Systeme mit austauschbarem Frontend bis hin zu Konzepten mit frei definierbarem Frontend in Form von Adaptermodulen.
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Frontends für FPGA-basierte Module
Auf einem typischen RIO-Modul für PXI befindet sich neben dem FPGA – etwa dem NI-7852R der R-Serie mit Xilinx Virtex-5 – auch die komplette analoge bzw. digitale Schaltungstechnik (A/D- und D/A-Wandler, Buffer, Timer usw.) inklusive integrierter Anschlusstechnik. Dem Anwender stehen somit acht analoge Ein- bzw. Ausgänge mit jeweils 16 bit und einer Abtastrate von bis zu 1 MS/s simultan, sowie bis zu 96 digitale I/Os zur Verfügung. Den Zugriff auf die I/Os erledigen I/O-Knoten in einem synthetisierten FPGA-VI, die Steuerung erfolgt durch ein virtuelles Instrument auf dem Host-PC. Durch die separate, parallel abgearbeitete Board- und PXI-Bus-IP stehen die Eigenschaften von PXI-Karten in gewohntem Umfang zur Verfügung. Dazu zählen Datentransfer zum Host per DMA und Interrupt sowie Trigger- und Synchronisationsleitungen.
Mit dem „FlexRIO“ wird im Gegensatz zu den klassischen RIO-Modulen für PXI ein modularer Ansatz verfolgt. Das System besteht aus zwei Hauptkomponenten – einem FlexRIO-FPGA-Modul für PXI und einem aufsteckbaren FlexRIO-Adaptermodul (Bild 1).
Während das FlexRIO-FPGA-Modul (zum Beispiel NI-7954, mit Virtex-5 und 128 Mbyte DRAM) als Basis dient und nur General-Purpose-I/O (GPIO) und Steuerleitungen bereitstellt, werden Adaptermodule zur Festlegung der physikalischen I/O eines FlexRIO-Systems eingesetzt. Sie sind austauschbar (Bild 2), können benutzerdefiniert konfiguriert werden und ermöglichen ein breiteres Anwendungsspektrum durch ein spezifiziertes Interface zwischen beiden Komponenten. Die Programmierung erfolgt wie gewohnt mit LabVIEW und I/O-Knoten, die in Abhängigkeit vom verwendeten Adaptermodul zur Verfügung stehen. Für FlexRIO sind verschiedene Adaptermodule sowohl von National Instruments als auch von Drittanbietern erhältlich.
Für Anwender, die ihre eigenen FlexRIO-Adaptermodule entwickeln und benutzerdefinierte elektronische Schaltungen integrieren wollen, wurde das FlexRIO „Adapter Module Development Kit“ (FlexRIO MDK) entwickelt. Es bietet für die Umsetzung eine vollständige Dokumentation elektrischer und mechanischer Designdetails, einschließlich CAD-Dateien für Leiterplatten und Modulgehäuse.
Da für die Programmierung in Lab-VIEW keine vorgefertigten Bibliotheken für die I/O des benutzerdefinierten Moduls zur Verfügung stehen, erfolgt die Integration über Socketed-CLIP (Component Level IP). Dabei handelt es sich um FPGA-Code, der parallel zum FPGA-VI läuft, auf Komponentenebene über die GPIO des FPGA Zugriff auf die I/O des benutzerdefinierten Adaptermoduls erhält und mit diesem Daten austauscht.
Die Definition der I/O-Knoten in LabVIEW erfolgt dann u.a. über eine XML-Datei, die den Zusammenhang zum CLIP beschreibt. Somit sind bei der Entwicklung von benutzerdefinierten FlexRIO-Adaptermodulen Kenntnisse in der Entwicklung elektronischer Schaltungen mit FPGAs und VHDL erforderlich.
Damit sind Anwendungen möglich, die mit kommerziellen Datenerfassungskarten bisher – wenn überhaupt – nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden konnten. Zu nennen sind insbesondere protokollbasierte Tests von Halbleitern oder „Hardware in the Loop“-Anwendungen, wie sie etwa bei Design und Test komplexer Geräte erforderlich sind. So wird dieses Konzept beispielsweise bei der Firma Konrad Technologies umgesetzt; der Fokus dieses Unternehmens liegt auf der Entwicklung, der Fertigung und der Integration von kundenspezifischen Testsystemen für die Elektronikfertigung (Bild 3). ha
Literatur:
[1] Lechner, A.; Konrad, M.: Protokollbasierter Halbleitertest. In: Virtuelle Instrumente in der Praxis (Begleitband zum Kongress VIP 2008), Hüthig-Verlag, 2008.
Siehe auch:
Überblick: Neues aus der PC-Messtechnik
Messen mit USB-Datenerfassungsmodulen
- Die (R)evolution der Datenerfassungskarte
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