Schwerpunkte

16 Kanäle für die Testautomatisierung

Von der PCIe-Karte zum LXI-Gerät

04. November 2019, 10:00 Uhr   |  Von Oliver Rovini

Von der PCIe-Karte zum LXI-Gerät
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Die neue Arbiträr-Gerätegeneration mit LXI-Standard und mehr Kanälen vereinfacht den Aufbau mit komplexen Testabläufen im Standard-Ethernet.

Arbiträrgeneratoren sind meist mit vier Kanälen verfügbar. Eine neue Gerätegeneration mit 16 synchronen Kanälen und LXI-Standard vereinfacht den Aufbau von komplexen Testabläufen und die Orchestrierung über Standard-Ethernet.

Der Arbiträrgenerator (Arbitrary Waveform Generator, AWG) ist sozusagen der große und universelle Bruder des klassischen Signalgenerators. Signalgeneratoren können in erster Linie einen festen Satz von Signalformen ausgeben. Im Gegensatz dazu bietet ein AWG vollen Zugriff auf den Speicher und erlaubt das Ausgeben von beliebigen Signalformen. Sie können entweder selbst erstellt oder vorher aufgezeichnet worden sein. Dabei können Sequenzen programmiert und externe Triggersignale zur Steuerung genutzt werden. Bis zu vier synchrone Kanäle sind marktüblich. Eine höhere Kanalanzahl bieten einige wenige Hersteller.

Mehr als vier Kanäle werden in automatisierten Testverfahren benötigt, wo viele Signale wiedergegeben werden müssen, aber auch in der Simulationstechnik, Quantenphysik, Medizintechnik, bei industriellem Ultraschall, Radar und Sonar. Um Messkarten und Testaufbauten über Ethernet zu orchestrieren, wurde der LXI-Standard vor mehr als einer Dekade eingeführt und seitdem mehrfach weiterentwickelt. Mit der DN2.65x-Serie von Spectrum Instrumentation sind LXI-AWGs nun auch mit deutlich mehr als vier synchronen Kanälen verfügbar. Sie wurden für komplexe automatisierte Testverfahren konzipiert.

LXI-AWG mit 16 Kanälen

Die DN2.65x-Serie besteht aus 16-Bit-AWG-Geräten im Metallgehäuse mit maximal 16 synchronen Kanälen, einer Ausgaberate bis zu 125 MS/s und einer Signalbandbreite von 60 MHz. Es sind außerdem deutlich schnellere Modelle mit gleichem Aufbau und einer Ausgaberate von bis zu 1,25 GS/s erhältlich. In der DN2.65x Serie sind zwei PCIe-Karten verbaut. Jede dieser Karten hat bis zu acht Kanälen. Jeder Kanal hat einen eigenen programmierbaren Verstärker, der bis zu ±6 V an hochohmiger Last treiben kann (±3 V an 50 Ω). Zusätzlich zu den analogen Ausgängen sind noch vier frei programmierbare synchrone Digitalausgänge (Marker) vorhanden. Am Frontpanel sind Triggereingang und -ausgang sowie Takteingang und -ausgang zu finden. Als Takt kann ein externer Referenztakt oder ein direkter Ausgabetakt angeschlossen werden.

 Das maximal ausgebaute Modell DN2.656-16 bietet 16 synchrone AWG-Ausgänge, die Signale mit bis zu 80 MS/s parallel ausgeben. Bei Nutzung von nur acht Kanälen steigt die Ausgaberate auf 125 MS/s
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Bild 1. Das maximal ausgebaute Modell DN2.656-16 bietet 16 synchrone AWG-Ausgänge, die Signale mit bis zu 80 MS/s parallel ausgeben. Bei Nutzung von nur acht Kanälen steigt die Ausgaberate auf 125 MS/s.

Von der PCIe-Karte zum LXI-Gerät

Der klassische Weg zu einem LXI-Gerät – Gerät bezeichnet hier immer den AWG als eigenständiges Gerät im Gehäuse – ist in der Regel die Erweiterung eines Stand-alone-Geräts mit vorhandener Ethernet-Schnittstelle um zusätzliche LXI-Funktionen. Es kann aber auch eine PCIe-Karte als Basis verwendet werden: Eine oder mehrere PCIe-Karten werden zusammen mit einem kompakten eingebetteten PC und einiger weiterer Komponenten in einem Gehäuse verbaut.

Das Zusammenspiel mehrerer interner Karten regelt dabei ein proprietäres Steuermodul. Bei Spectrum Instrumentation heißt dieses Modul »Star-Hub«. Dieses Zusatzmodul verteilt zwischen mehreren Karten Taktreferenz, Triggersignale sowie verschiedene Steuersignale. Hiermit ist sichergestellt, dass alle Karten synchron arbeiten. Der Star-Hub ist auch als Zusatzmodul für die PCIe-Karten erhältlich, sodass damit ebenso vielkanalige Lösungen aufgebaut werden können.

Ein eingebetteter PC in Industriequalität mit Langzeitverfügbarkeit bildet die zentrale Steuereinheit. Gebootet wird ein auf die notwendigen Funktionen beschränktes Linux von einer kleinen M.2-SATA. Durch den Verzicht auf grafische Oberflächen und unnötige Pakete geschieht der Bootvorgang in etwa 30 Sekunden. Der auf Linux basierende, selbst entwickelte Instrumentenserver steuert die PCIe-Karten, das Frontpanel, überwacht die Temperatursensoren, regelt die Ethernet-Kommunikation und generiert den Webserver.

Um ausreichend mechanische Stabilität und Robustheit bei mobilem Einsatz zu garantieren, stecken die PCIe-Karten nicht in Slots, sondern sind über Flex-Kabel angeschlossen und stabil mit dem Gehäuse verschraubt. Die internen Anschlüsse der PCIe-Karten sind ebenfalls belastungsfrei mit kurzen Koaxialkabeln auf die Frontblende geführt. Der deutliche Mehrplatz auf der LXI-Frontblende erlaubt den Einsatz von Standard-BNC-Anschlüssen für alle nach außen geführten Leitungen. Als internes Netzteil wird ein Standard-Flex-ATX-Netzteil benutzt. Optional kann es gegen eine kundenspezifische Stromversorgung ausgetauscht werden. Dieser Umbau muss allerdings im Werk durchgeführt werden, da die kompakte Bauform des LXI-Geräts die Demontage einiger Komponenten erforderlich macht.

Leistungsfähige Messkarten – und speziell die 16 AWG-Kanäle mit einer Peak-to-Peak Leistung von 6 V bei 50 Ω – erzeugen stets auch Abwärme. Dafür sind mehrere Lüfter im Gehäuse montiert, die für einen konstanten Luftstrom auf den Ausgangsverstärkern sorgen. Umschlossen wird die Elektronik mit einem individuell entwickelten Stahlblechgehäuse. Zusammen mit einem Federsystem minimiert das Gehäuse EM-Abstrahlung und -Einstrahlung. Der LXI-konforme Webserver kann über jeden Browser über die IP-Adresse aufgerufen werden und erlaubt Zugriff auf alle Ethernet-Einstellungen. Er gibt Informationen zum Gerät, regelt den Zugang und erlaubt ein Update der integrierten Software und Firmware-Komponenten.

Zugriff über Host-Gerät

Zwei Messkarten sind intern über PCIe an den embedded PC angebunden. Der Star-Hub regelt die Synchronisation von Takt und Trigger
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Bild 2. Zwei Messkarten sind intern über PCIe an den embedded PC angebunden. Der Star-Hub regelt die Synchronisation von Takt und Trigger.

Teil der integrierten Instrumenten-Software ist eine Funktion, die das VXI-11-Discovery-Protokoll unterstützt. Mit dieser Funktion kann das Host-Gerät im Netzwerk nach LXI-kompatiblen Geräten suchen. Die eigentliche Discovery-Funktion wird von einigen großen Software-Paketen unterstützt, am einfachsten ist allerdings die Nutzung von Spectrum Instrumentations eigenem Control Center, da dort die direkte Anzeige aller Daten integriert ist und die gefundenen Geräte zwischengespeichert und für Spectrum-Software zur Verfügung gestellt werden.

Zugriff auf das LXI-Gerät ist mit vielen verschiedenen Methoden möglich. Neben dem IVI-Interface (siehe Absatz »LXI-Geräte im Verbund betreiben«), stehen sämtliche Software-Komponenten von Spectrum Instrumentation zur Verfügung. Durch die einheitliche Schnittstelle unterscheidet sich die Programmierung des LXI-Geräts von einer lokal installierten PCIe-Karte nur in der Initialisierung. Im Gegensatz zum PCIe-Gerät, das über seinen Geräte-index angesprochen wird, ist das LXI-Gerät über seinen VISA-String (z.B. »TCPIP::192.168.169.14::INSTR«) adressierbar. Zu den frei verfügbaren Software-Entwicklungsumgebungen gehören u.a. C/C++, C#, VB.NET, Java, Python, Matlab oder LabVIEW.

Um dem Instrumenten-Gedanken Rechnung zu tragen, enthält die »generatorNETBOX« (Produktname für die gesamte Gruppe der LXI-AWGs) eine Professional-Lizenz von Spectrum Instrumentations eigner Software SBench 6. Hiermit ist die komplette Steuerung des Geräts mit fast allen Funktionen aus einer grafischen Oberfläche unter Windows und Linux möglich.

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2. LXI-Geräte im Verbund betreiben

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