Labormesstechnik
Dezentral und fehlerfrei messen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
LAN-Synchronisation
Die LAN-Synchronisation unter Verwendung des Precision Time Protocol (PTP, Netzwerkprotokoll zur präzisen Zeitsynchronisation) gemäß IEEE 1588 stellt einen grundlegenden Vorteil von LXI-Geräten mit den erweiterten Klassen „Uhrensynchronisation“ (LXI Clock Synchronization) bzw. „Zeitstempel“ (LXI Timestamped Data) dar und ist ideal für dezentrale Messanordnungen. Der Ansatz, vollständig auf die Netzwerkleitung zu setzen, ist eine optimale Möglichkeit zur Synchronisation mehrerer Messgeräte, die hunderte oder tausende Meter voneinander entfernt sein können.
PTP definiert ein Protokoll zur präzisen Uhrensynchronisation für vernetzte Mess- und Steuerungssysteme. Das Protokoll ist zur Synchronisation von Geräten mit Uhren unterschiedlicher Genauigkeit, Auflösung und Stabilität konzipiert. Der Anwender kann eine Genauigkeit von unter einer Mikrosekunde mit minimalen Netzwerk- und Prozessorressourcen sowie geringem Adminstrationsaufwand realisieren.
Das PTP lässt sich auf unterschiedliche Weise implementieren. Die Spanne reicht von der Auslagerung in die Anwendungsschicht über Kernel-seitige Treiber-Modifikationen bis hin zu Hardware-Lösungen mit FPGA-Koprozessoren. Die größte Genauigkeit wird erreicht, wenn eine Hardware-Schaltung das Anbringen von Zeitstempeln an empfangene oder gesendete Netzwerk-Pakete oder -Frames unterstützt. So lassen sich Schwankungen der Verzögerungszeiten durch das Verarbeiten der Zeitstempel im Nanosekundenbereich realisieren.
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Beispiele für PTP-Impementierungen
Das PTP sorgt für die Synchronisation mehrerer Geräte, ohne dass zusätzliche Kabelverbindungen zwischen den Geräten benötigt werden. Obwohl die Nutzung dieses Konzeptes weniger genau ist als eine Hardware-Triggerung, sind mit Gigabit-Ethernet Synchronisationszeiten im Bereich von einigen hundert ns möglich, die für geringere Datenerfassungsraten, wie sie bei Thermoelement-Messungen üblich sind, bereits ausreichen können.
In den Bildern 1 bis 3 folgen Beispiele für PTP-Implementierungen und in der Tabelle eine Gegenüberstellung der relativen Synchronisationsgenauigkeit verschiedener Verfahren.
| IEEE-1588-Betriebsart | Zeitversatz Master/Slave-Übertragung |
|---|---|
| Hardware Snoop | 10...20 ns |
| Nur Software | 10...100 ms |
| Software mit Hardware-Unterstützung | 10 µs |
Synchronisationsgenauigkeit verschiedener IEEE-1588-Implementierungen
Hardware-Synchronisation
Obwohl die Norm IEEE 1588 bei der Zeitsynchronisierung über die Netzwerkleitung beeindruckende Vorteile bietet, wird es immer Fälle geben, in denen noch mehr Genauigkeit benötigt wird. Der Weg zur deterministischen Synchronisation mehrerer Geräte mit größtmöglicher Genauigkeit besteht in der Verwendung einer Hardware-Trigger-Schnittstelle. Aufgrund dieser Anforderung definiert der LXI-Standard eine besonders leistungsfähige Trigger-Schnittstelle, den Trigger-Bus. Der LXI-Trigger-Bus wird in LXI-Geräte als erweiterte Klasse „Hardware Trigger Bus“ (LXI Wired Trigger Bus) eingeführt und dient als Verbindungsmedium zur Triggerung und Verteilung des Systemtakts.
Die deterministische Auslösung und Übertragung von Triggern zwischen mehreren Geräten wird mit einer Achtkanal-Schnittstelle umgesetzt, die auf mehrfachen, differenziellen Niederspannungen (Multipoint-LVDS, Low Voltage Differential Signaling) basiert. Dies erlaubt es, jede Leitung getrennt als Sender und/oder Empfänger zu konfigurieren. Sie unterstützt externe, zeitbasierte oder per Software generierte Trigger sowie die Verteilung eines Systemtakts. Die Unterstützung gängiger Topologien wie Stern, Reihenschaltung oder Mischformen sorgt für die nötige Auswahl, um die Trigger nach den Anforderungen der Anwendung zu verteilen. Zusätzliche Möglichkeiten bieten sich durch Hinzufügen eines Sternverteilers (Star Hub), mit dem sich sehr enge Triggertoleranzen erzielen lassen (Bild 4). Häufig ist es zur Datenerfassung erforderlich, eine große Zahl paralleler Kanäle verteilt über viele Messgeräte mit einem gemeinsamen Systemtakt oder Triggerpuls zu synchronisieren. Darüber hinaus sind die Systemtakte oft auf eine Systemuhr wie z.B. IRIG-B oder DCF77/GPS bezogen. Hier vereinfacht der Trigger-Bus die Verteilung einheitlicher Signale und gewährleistet einen geringen Zeitversatz über alle Kanäle, sofern geeignete Kabel und Steckverbinder verwendet werden.
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