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Hintergrund: Schnelle CompactPCI-Serial und PXI-Express-Baugruppen in einem System

PXIexpress LogoSchnelle PCI-Express basierte PXIe-Performance ist ein wesentlicher Beschleuniger für Messtechnik-Prozesse. Wer hierfür keine Premiumpreise für das Prozessorboard und allgemeine Peripherie zahlen will, findet in hybriden Lösungen eine effizientere Lösung. Sie integrieren neben PXIe- und PXI-Karten auch günstige CPCI und CPCI-Serial Baugruppen. Aber auch konsolidierte Test- und Messsysteme mit integrierter visueller Inspektion sind ein Zielmarkt.

In einem Schachzug hat die PXI System Alliance unter Führung von National Instruments bereits 1997 den herstellerunabhängigen CompactPCI Standard leicht modifiziert und erweitert, um ihn unter dem Formfaktor PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) zur Entwicklung modularer Prüf- und Laborgeräte zu nutzen. Eigentlich wäre dies technisch nicht zwingend notwendig gewesen. Es wurden damals die Spezifikation von CompactPCI-Systemen gespiegelt, sodass man die zentrale CPU-Baugruppe bei PXI-basierten Systemen links einbaut anstelle von rechts. Zudem wurden Timing- und Synchronisationsfunktionen mittels 10 oder 100 MHz Clocksignalen zwischen den Baugruppen integriert. Ansonsten gleichen sich beide Formfaktor-Spezifikationen im Grunde wie Zwillinge und man kann in PXI-Systemen auch CompactPCI-Peripheriebaugruppen einsetzen, die in der Regel günstiger bepreist sind als PXI-Peripherie.

PCIe trennte beide Standards

Im Zuge des Wandels hin zu schnelleren seriellen PCI-Express-Schnittstellen ging diese Option jedoch verloren. Das PCIe unterstützende PXIe baut nicht mehr auf CompactPCI-Serial auf. Infolge 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 werden in Test-, Mess- und Prüfsystemen – die bei fertigenden OEM von der Validierung erster Prototypen bis zur End-of-Line-Prüfung zum Einsatz kommen – neben schnellen PXIe-Baugruppen zur Steigerung der Prüfgenauigkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit auch weiterhin allgemeine Peripherie benötigt. Schnelle PCIe-Baugruppen werden zudem auch für die Datenakquisition und Verarbeitung gebraucht. Beispielsweise für Kameradaten bei visuellen Inspektionssystemen. Immer höher aufgelöste Bilddaten werden hier verarbeitet, für deren Verarbeitung man im CompactPCI-Serial attraktive Lösungen findet.

Auch würde bei einer Reunion dieser beiden Formfaktoren wieder ein größeres Ecosystem entstehen und dadurch mehr Flexibilität, Komponenten unterschiedlicher Hersteller parallel nutzen zu können. Die Möglichkeiten der Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit werden somit größer. Hervorzuheben ist dabei auch, dass das CompactPCI-Serial nicht nur PCIe, sondern auch nativ GbE, SATA und USB Konnektivität über die Backplane unterstützt, was entsprechend mehr Flexibilität zur Auslegung von Peripheriebaugruppen bietet.

Typische Anwendungen von PXI-basierten Systemen sind übrigens Test- und Messequipment mit Oszilloskopen, Signalgeneratoren und -analysatoren, Netzwerkanalysatoren, digitalen Multimetern, Quellenmessgeräten (SMUs / Source Measurement Units) und parametrischen Messgeräten (PMUs / Parametric Measurement Units) in Kombination mit Prozessorbaugruppen, digitalen I/Os und Switches, die man bereits im CompactPCI-Umfeld günstiger beziehen kann. Hinzu kommen Karten für Storage, GPGPU/Grafik, UARTs und bei Bedarf auch Wireless-Konnektivität, um PXIe-Systeme mittels Fernzugriff zu administrieren und in IoT Anwendungen einbinden zu können. All das ist bei CompactPCI in zahlreichen Auslegungen verfügbar, die aufgrund der höheren Stückzahlen auch günstiger angeboten werden können.

Zusammenbringen, was zusammen gehört

Für die erneute Verbindung beider Welten ist es notwendig, die Kompatibilität der beiden Formfaktor-Zwillinge wieder herzustellen, um mit PCI und PCIe basiertes PXI- und CPCI-Baugruppen zahlreiche hybride Systemkonfigurationen zu ermöglichen. Um eine solche Lösung 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 auch den PXIe-CPU-Slot anbindet und spezifikationskonform mit der PXIe-Backplane kommuniziert. Darüber hinaus ist auch hardwarenahe Low-Level-Supportsoftware erforderlich, um es der Konfigurations-, Überwachungs- und Verwaltungssoftware für PXIe-basierte Systeme auch begreiflich zu machen, mit welchen CompactPCI-Baugruppen sie es den nun zu tun hat und wo sie genau gesteckt sind. Nur so ist es schließlich möglich, jedwede CompactPCI-Serial Baugruppe nahtlos beispielsweise in NI Max (ehedem NI LabVIEW) und Visual Studio Projekte einzubinden oder auch in Lösungen von Drittanbietern wie die von Chroma, Keysight oder Agilent.

Verbinder beider Welten

Mit dem von EKF in Kooperation mit Schroff entwickelten 19-Zoll System-Rack SRS-8442-SERIAL wurde nun eine Lösungsplattform geschaffen, die beide Welten wieder verbinden kann und für die EKF zahlreiche sowohl PXIe als auch CPCI-Serial unterstützende CPU-Baugruppen auf Basis von Intel Core Prozessoren der 7. und 11. Generation (aka Kaby Lake und Tiger Lake) anbietet. Hierfür wurde Schroffs Software-Suite für NI Max um den Support der EKF CPU-Baugruppen erweitert, sodass sie im NI Max Hardware-Ressource Manager ansprechbar werden und auch die Topologie des CompactPCI-Serial Segments des Systems sichtbar wird.

 

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Bild 1: Das 19-Zoll System-Rack SRS-8442-SERIAL von EKF verbindet PXIe und CompactPCI-Serial. Die CPU-Baugruppe wird deshalb weder rechts noch links, sondern mittig gesteckt.

Das EKF-System ist mit zwei Backplanes ausgestattet, links für sechs CompactPCI Serial-Karten, rechts für sieben PXI Express oder auch CompactPCI Express – schließlich fußt die PXIe auf der CPCIe-Spezifikation (Bild 1). Dieser hat sich im CPCI-Ecosystem 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 den unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsversorgung zu erfüllen. Drei 120-mm-Lüfter, die in einer Schublade unter den Kartensteckplätzen montiert sind, sorgen für eine optimale Kühlung.

 

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Bild 2: Schroff kann hybride 19-Zoll 3HE Systeme für PXIe und CompactPCI-Serial in unterschiedlichen Standardkonfigurationen mit zahlreichen Chassis- und Backplane-Optionen zur kundenspezifischen Auslegung entwickeln.

Robuste Auslegung für industrielle Einsatzzwecke

Bei der Auswahl aller Komponenten der Systemplattform wurde auf hohe Zuverlässigkeit geachtet, um sie auch für den Einsatz im rauen industriellen Umfeld zu qualifizieren. OEM können diese Systeme folglich nicht nur in Entwicklungs- und Test-Labors und der Fertigung von Halbleiter- und Elektronikbaugruppen einsetzen, sondern auch in den zunehmend vollautomatisierten Fertigungsstraßen der Automobilindustrie und zahlreichen weiteren Branchen (Bild 2). Testfahrten auf Straßen und Schienen bewältigen die Systeme anstandslos und auch hier ist die Verbindung beider Welten ein echter Vorteil. Schließlich müssen hier vermehrt Kamera-, Lidar- und Radardaten akquiriert und vorverarbeitet und mittels KI analysiert werden. Eine Plattform für beide Anwendungsbereiche einzusetzen, erleichtert den Systemaufbau dabei deutlich. Für noch robustere Auslegungen im Mil-/Aero-Segment ist es zudem möglich, das bestehende Konzept auf Lösungen von Schroff mit beispielsweise dem sehr robusten AirMax-Konnektor zu portieren, die auch Offroad-tauglich sind.

 

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Bild 3: Für CompactPCI-Serial Baugruppen bietet EKF zahlreiche Peripheriebaugruppen an, sodass Entwickler viele Komponenten für ihr SRS-8442-SERIAL Rack aus einer Hand beziehen können.

Anwenden kann man die hybriden PXIe/CPCI-Serial Systeme folglich überall, wo Karten des PXIe-Ecosystems nutzen versprechen (Bild 3). Das EKF-Board kann Peripheriebaugruppen nicht eigenständig über die Triggerleitungen von PXI triggern, die Weitergabe von externen Triggern ist jedoch möglich. Das Feature, dass CPU-Boards Peripheriebraugruppen selbst triggern, wird jedoch eher selten benötigt. Zumeist triggern sich die Peripheriebaugruppen selbst.

Autor: Manuel Murer ist Business Development Manager bei EKF Elektronik GmbH

www.ekf.de/



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