PCI-Express-Karte Eine Messkarte als hochaufgelöster Datensammler

Die Messkarten der aktuellen M4i-Plattform bieten eine Auflösung von 16 Bit. Es fallen pro Sekunde 2 GByte an Daten an. Mit der entsprechenden Software lässt sich die Datenflut bearbeiten.

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IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Spectrum Instrumentation GmbH

Ende des Jahres hat Spectrum Systementwicklung Microelectronic die ersten ultra-schnellen 16-Bit-Digitizer auf der neuen modularen M4i-Plattform auf den Markt gebraucht. Nachdem Mitte 2013 Spectrum die Modelle mit einer Auflösung von 14 Bit und einer Abtastrate von 500 MS/s veröffentlicht hat, folgen jetzt die etwas langsameren und dafür noch höher auflösenden Modelle. Die Spectrum 16-Bit-Digitizer gehören mit 250 MS/s zu den schnellsten verfügbaren 16-Bit-Aufzeichnungskarten auf dem Markt, die noch ohne qualitätsverschlechterndes AD-Interlacing auskommen. Nutzt man die Abtastrate des Digitizers mit 16 Bit voll aus, so ergibt das pro Sekunde 2 GByte an Daten. Der standardmäßige 4-GByte-Speicher reicht für eine Aufnahme von 2 Sekunden.

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Wenn eine große Menge Daten gespeichert werden soll

Für längere Aufzeichnungen bis hin zum Dauerbetrieb mit Online-Datenanalyse bietet die verwendete Busanbindung mit PCI-Express x8 Gen2 genug Bandbreite, um die Daten kontinuierlich in den PC zu streamen. Hier kann der PC-Speicher zur längeren Datenspeicherung genutzt werden. Auch eine Langzeit-Aufzeichnung auf andere Speichermedien ist möglich, allerdings ist hier der Aufwand nicht zu unterschätzen. Da aktuelle Festplatten bei etwa 100 bis 150 MByte/s im Dauerschreibbetrieb liegen, bräuchte man hier bereits ein RAID-Array aus etwa 16 Festplatten. Einfacher geht es mit schnellen SSDs doch auch hier sind für eine konstante Datenspeicherung mindestens 4 bis 6 Stück im RAID-Verbund einzuplanen.

Wenn die Schnittstelle komplett ausgereizt werden soll

Die Steckkarten mit ¾-Baulänge sind zu Gen 1 und Gen 3 kompatibel und benötigen einen PCI-Express-Steckplatz mit 8 oder 16 physikalischen Lanes. Zum Glück geht der Trend, gerade bei Server oder Industriemotherboards dazu, die Slots physikalisch mit 8 Lanes anzuschließen unabhängig von der Anzahl der elektrisch verbundenen Lanes. Natürlich hat ein elektrisch nur mit 4 Lanes angeschlossener Steckplatz dann entsprechend nur einen halb so hohen Datendurchsatz. Will man die Schnittstelle komplett ausreizen so empfiehlt es sich, entweder ein Komplettsystem beim Hersteller anzufragen und somit die Konfigurationsproblematik an die Fachleute abzugeben. Alternativ kommt man nicht um das Studium des Motherboard-Handbuch herum und sollte auf die folgenden Details achten:

• Sind die Slots physikalisch mit 8 oder 16 Lanes angeschlossen?

• Welche PCI Express Generation wird unterstützt? Gen1 Slots erreichen nur die halbe Übertragungsrate eines Gen2 Slots.

• Wie viele Lanes sind elektrisch angeschlossen? Es gibt durchaus auch Slots mit 8 physikalischen Lanes bei denen dann elektrisch nur 1 Lane angeschlossen ist.

• Gibt es dynamische Lane-Verteilung? Es kann vorkommen, dass zwei Nachbarslots mit 8 Lanes angebunden sind. Sind beide Slots belegt, erhält jeder nur noch eine Anbindung von 4 Lanes.

Verfügbar sind vier verschiedene Modelle mit entweder zwei oder vier synchronen Kanälen und einer maximalen Abtastrate von 130 MS/s bei einer Bandbreite von 65 MHz oder 250 MS/s bei einer Bandbreite von 125 MHz. Um den Speicher und das Interface optimal auzunutzen, können wiederkehrende Triggerereignisse im Multiple-Recording-Modus in einzelne Segmente geschrieben und parallel ausgelesen werden.

Die kompakte Karte ist bereits von Haus aus mit vielen Aufzeichnungsoptionen wie Einzelschuss (Single shot), Streaming (FIFO), segmentiert (Multiple Recording), torgesteuert (Gated Sampling) oder die Kombination aus segmentiertem sowie langsamem Schreiberbetrieb (ABA Modus) ausgestattet. Alle Triggerereignisse können dabei mit einem Zeitstempel (Timestamp) versehen werden, der entweder komplett aus der internen Zeitbasis gewonnen wird oder extern mit einem hoch genauen Zeitsignal zugeführt

Takt- und Triggerinformationen verteilen

Die vier oder optional zwei Eingangskanäle sind dediziert aufgebaut und bieten pro Kanal einen eigenen A/D-Wandler sowie einen eigenen, hoch genauen Vorverstärker. Per Software ist jeder Kanal vielfältig einstellbar. So kann zwischen einer Eingangsimpedanz von 50 Ohm und 1 MOhm, zwischen sechs verschiedenen Eingangsbereichen von ±200 mV bis ±10 V sowie AC- oder DC-Koppelung gewählt werden. Zusätzlich kann ein Bandbreitenfilter aktiviert werden, um hochfrequente Störsignale auszufiltern. Die M4i-Karten bieten eine umfangreiche Triggerengine, die zwei externe Triggerquellen und die Kanaltrigger jedes Eingangs verknüpfen kann. Als Kanaltrigger kann eine Flanke, Level, Fenster oder Pulsbreite gewählt werden.

Bis zu acht M4i-Karten können in einem System synchron betrieben werden. Das spezielle Star-Hub-Modul verteilt Takt- und Triggerinformationen zwischen den Karten. Hierbei kann jede Triggerquelle jeder Karte als Auslöser für den gesamten Kartensatz genutzt werden. In einem System können so bis zu 32 Kanäle mit 16 Bit Auflösung und 250 MS/s synchron aufgezeichnet werden. Die M4i.44xx-x8-Serie mit ihren 14-Bit- und 16-Bit-Auflösungen ist die erste Serie einer komplett neuen Produktfamilie von schnellen Digitizern.

Die M4i-Plattform bietet eine 16-fach höhere Geschwindigkeit als die bisherigen Plattformen M2i und M3i, die mit PCI-Express x1 Gen1 ausgestattet sind. Vom Taktkonzept und der Rechenleistung der verwendeten FPGAs ist diese Plattform für die nächste Generation von Karten ausgelegt und wird als Basis für neue, schnelle und hochauflösende Produkte der nächsten Generation genutzt.

Durch die interne Modulstruktur sind neue Produkte mit anderen Geschwindigkeiten und anderen A/D-Wandlern deutlich schneller bis zur Marktreife entwickelt. Dabei ist die M4i-Basis nicht nur auf A/D-Module beschränkt, sondern kann auch dazu genutzt werden, digitale Signale zu erfassen sowie für Arbitrary Generatoren.

Schlüsselfertige Messtechnik-Software

Gesteuert werden die Messkarten mit der SBench 6. Die Software ist in der Lage, mehrere GByte großen Datenmengen zu bearbeiten und läuft nativ unter Windows und Linux mit jeweils 32 und 64 Bit. Nach eingenen Angaben ist die Messsoftware erste schlüsselfertige Messtechnik-Software, die volle Linux-Unterstützung aufweist.

Dem Anwender helfen die komfortablen Eingabedialoge, um alle Betriebsmodi und Einstellungen der M4i-Serie auszuwählen. Mit der Software sind sowohl ein Oszilloskop-Betrieb als auch Transientenrekorder-Aufzeichnungen im Streaming-Modus möglich.

Eine Besonderheit ist dabei die Darstellung segmentierter Signale, die diese zusammen mit Daten einer zweiten langsameren Zeitbasis und den hochpräzisen Timestamps in einem Fenster darstellen kann. Darüber hinaus bietet die Software viele Features zur Datenanalyse und Dokumentation. Dazu gehören: FFT-Analyse, X-Y-Darstellung, ein Funktionsinterpreter, viele eingebaute Analysefunktionen, Export in ASCII, WAVE, MATLAB, Kommentarfunktionen im Display und im Signal sowie eine komfortable Druckfunktion.

Die M4i-Kartenserien basieren, wie auch die Vorgänger-Modelle der M2i- und M3i-Serien sowie die Ethernet-Produkte der digitizerNETBOX-Serie, auf den SPCM-Treibern. Damit ist eine gemeinsame Softwareschnittstelle für alle aktuellen Produkte aus dem Hause Spectrum realisiert worden. Ein für die M3i.4861-exp (2 Kanal 16 Bit 180 MS/s Digitizer) entwickeltes Programm benötigt nur wenige geänderte Codezeilen, um mit der neuen M4i.4420-x8 (2 Kanal 16 Bit 250 MS/s Digitizer) zu laufen.

Software-Beispiele helfen bei der Arbeit

Für den Selbstprogrammierer gehören die SPCM-Treiber für Windows und Linux zum Lieferumfang. Zusammen mit den Treibern werden eine Reihe von Beispielen zur Verfügung gestellt, die verschiedene Aufzeichnungsfunktionen zeigen. Die mitgelieferten Beispiele sind in Visual C++, Borland C++, Gnu C++, Visual Basic, VB.NET, Delphi, C#, J# und Python geschrieben. Auf diese Spectrum Hardware wird durch den Hersteller eine 2-jährige Garantie gewährt. Treiber-, Software- und Firmwareupdates sind kostenlos verfügbar, genauso wie der Support direkt durch die Entwickler.

* Oliver Rovini ist technischer Leiter bei Spectrum Systementwicklung Microelectronic in Großhansdorf.

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