Fünf Punkte, um den passenden Bus für ein Messsystem auszuwählen

Tipps für den PC-Bus Fünf Punkte, um den passenden Bus für ein Messsystem auszuwählen

20.02.2013Autor / Redakteur: Nach Unterlagen von National Instruments / Franz Graser

Welcher PC-Bus eignet sich für welche Messanwendung? In unserem Beitrag geben wir Ihnen fünf Punkte, um für Ihre Anwendung den geeigneten Bus zu finden.

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Bild 1: Multifunktionsdatenerfassung der M-Serie für PCI
(National Instruments)

Bei einer Auswahlmöglichkeit aus hunderten Datenerfassungsgeräten, die auf ganz unterschiedlichen Bussystemen basieren, kann sich die Entscheidung für den geeigneten Bus schwierig gestalten. Jeder Bus wartet mit unterschiedlichen Vorteilen auf und wurde für Durchsatz, Latenz, Übertragbarkeit oder Entfernung von einem Host optimiert. Wir stellen PC-Busoptionen und technische Eigenschaften vor, die der Anwender bei der Auswahl des geeigneten Bussystems für eine Messanwendung zur Verfügung hat.

1. Die Größe der Datenmenge über den Bus

Bei allen PC-Bussen gibt es eine Begrenzung der Datenmenge (Volumen an Daten), die innerhalb eines bestimmten Zeitraumes übertragen werden kann. Das wird als Busbandbreite bezeichnet und meist in Megabytes pro Sekunde (MB/s) angegeben.

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Falls für eine Anwendung beispielsweise dynamische Signalmessungen wichtig sind, sollte ein Bus mit ausreichender Bandbreite eingesetzt werden. Je nach eingesetztem Bussystem kann die Gesamtbandbreite auf mehrere Geräte aufgeteilt oder nur bestimmten Geräten zugewiesen werden.

Der PCI-Bus beispielsweise besitzt eine theoretische Bandbreite von 132 MByte/s, die auf alle PCI-Karten des Computers aufgeteilt wird. Gigabit Ethernet bietet 125 MByte/s über mehrere Geräte in einem Subnetz oder Netzwerk. Busse, die eine dedizierte Bandbreite bieten, wie etwa PCI-Express und PXI-Express, stellen den maximalen Datendurchsatz pro Gerät bereit.

Bei Signalmessungen müssen eine bestimmte Abtastrate und Auflösung erzielt werden, abhängig davon, wie schnell sich das Signal ändert. Die erforderliche Mindestbandbreite kann ermittelt werden, indem die Anzahl der Bytes pro Abtastwert (aufgerundet auf das nächste Byte) mit der Abtastgeschwindigkeit und anschließender mit der Anzahl der Kanäle multipliziert wird.

Die Busbandbreite muss die Geschwindigkeit, mit der Daten erfasst werden, unterstützen. Es ist wichtig zu beachten, dass die eigentliche Systembandbreite niedriger ist als die theoretische Bandbreite des Bussystems. Die maximal verfügbare reale Bandbreite hängt von der Anzahl der Geräte in einem System und der zusätzlichen Busauslastung durch andere Ressourcen ab. Müssen viele Daten über eine große Anzahl an Kanälen übertragen werden, ist die Bandbreite möglicherweise die wichtigste Überlegung bei der Auswahl des Datenerfassungsbusses.

2. Welche Einzelpunkt-I/O-Anforderungen bestehen?

Anwendungen mit Einzelpunkt-Operationen setzen voraus, dass I/O-Werte sofort und konsistent aktualisiert werden. Abhängig davon, wie Busarchitekturen in Hard- und Software implementiert werden, können die Einzelpunkt-I/O-Anforderungen der bestimmende Faktor für die Busauswahl sein. Buslatenz beschreibt die Reaktionszeit der I/O. Es handelt sich dabei also um die Zeitverzögerung zwischen dem Aufrufen einer Softwaretreiberfunktion und der Aktualisierung des eigentlichen Hardwarewerts der I/O. Je nach gewähltem Bussystem kann diese Verzögerung bei unter einer Mikrosekunde bis zu einigen Millisekunden liegen. Bei einem PID-Regler beispielsweise kann diese Buslatenz die maximale Geschwindigkeit der Regelschleife direkt beeinflussen.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei Einzelpunkt-I/O-Anwendungen ist der Determinismus. Dabei handelt es sich um ein Maß dafür, wie konsistent die Ausführung der I/O ist. Bussysteme, die immer dieselbe Latenz aufweisen, wenn sie mit I/O kommunizieren, sind deterministischer als Busse, die ihre Reaktionszeit ändern können. Determinismus ist für Regelanwendungen wichtig, da er die Zuverlässigkeit der Regelschleife direkt beeinflusst. Viele Regelalgorithmen etwa werden mit der Erwartung erstellt, dass die Regelschleife immer einer konstanten Zykluszeit folgt. Jede Abweichung von der erwarteten Rate verringert den Determinismus des gesamten Systems. Aufgrund dessen sollten bei der Implementierung von Regelanwendungen Busse wie WLAN, Ethernet oder USB gemieden werden, die eine hohe Latenz bei geringem Determinismus aufweisen.

Die softwareseitige Integration des Kommunikationsbusses spielt eine wichtige Rolle bei Buslatenz und Determinismus. Bussysteme und Softwaretreiber, die Unterstützung für Echtzeitbetriebssysteme bieten, liefern den besten Determinismus und daher auch die beste Leistung. Im Allgemeinen sind interne Busse wie beispielsweise PCI-Express und PXI-Express besser für Einzelpunkt-I/O-Anwendungen mit geringer Latenz geeignet als externe Busse wie USB oder Wireless.

3. Müssen mehrere Geräte synchronisiert werden?

Viele Messsysteme stellen komplexe Synchronisationsanforderungen, unabhängig davon, ob hunderte Eingangskanäle oder mehrere Arten von Messgeräten synchronisiert werden sollen. Ein Stimulus-Antwort-System beispielsweise verlangt, dass sich die Ausgangskanäle sowohl Abtasttakte als auch Start-Trigger mit den Eingangskanälen teilen, um so die I/O zu korrelieren. Datenerfassungsgeräte, die an unterschiedliche Busse angeschlossen sind, bieten verschiedene Möglichkeiten für die Umsetzung. Der einfachste Weg, unterschiedliche Geräte eines Messsystems zu synchronisieren, besteht darin, einen gemeinsamen Takt und Trigger zu nutzen.

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Verschiedene Bussysteme im Überblick

Der PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect) gehört zu den am häufigsten in Computern eingesetzten internen Bussen. Dank einer gemeinsam genutzten Bandbreite von 132 MBit/s bietet PCI-Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und deterministischen Datentransfer für Einzelpunkt-Steuer- und -Regelanwendungen. Für PCI gibt es zahlreiche unterschiedliche Hardwareoptionen für die Datenerfassung, Multifunktions-I/O-Karten mit bis zu 10 MS/s und einer Auflösung von bis zu 18 Bit.

PCI Express, eine Weiterentwicklung von PCI, bietet ein neues Innovationsniveau in der PC-Industrie. Der größte Vorteil der PCI-Express-Architektur ist die dedizierte Busbandbreite, die durch unabhängige Datenübertragungskanäle geboten wird. Im Gegensatz zum PCI-Standard, bei dem die Bandbreite von 132 MB/s auf alle Geräte aufgeteilt wird, nutzt PCI Express unabhängige Datenleitungen, von denen jede einzelne Datenmengen bis zu 250 MB/s übertragen kann.

Der PCI-Express-Bus kann zudem von einer einzelnen x1-Lane (Datenleitung) auf x16-Lanes erweitert werden, wodurch sich ein maximaler Durchsatz von 4 GB/s erzielen lässt. Das reicht aus, um eine 200-GByte-Festplatte in weniger als einer Minute zu füllen. Für Messanwendungen bedeutet dies, dass höhere Abtastraten und Datendurchsätze ermöglicht werden und mehrere Geräte über die dedizierten Datenleitungen verfügen.

Der Universal Serial Bus (USB) wurde ursprünglich entwickelt, um Peripheriegeräte, wie beispielsweise Tastaturen und Mäuse, an PCs anzuschließen. Inzwischen hat sich USB allerdings bei vielen anderen Anwendungen als nützlich erwiesen, einschließlich Mess- und Automatisierungsanwendungen. USB ermöglicht kostengünstige und einfach zu handhabende Verbindungen zwischen Geräten und PCs. USB 2.0 ermöglicht eine maximale theoretische Bandbreite von 60 MB/s, die von allen Geräten gemeinsam genutzt wird, die an einen einzigen USB-Controller angebunden sind. USB-Geräte weisen eine gewisse Latenz auf und sind nicht deterministisch. Das bedeutet, dass Einzelpunkt-Datenübertragungen eventuell nicht genau dann stattfinden, wann sie erwartet werden. Daher empfiehlt sich USB nicht für leistungsstarke Steuer- und Regelanwendungen wie PID.

Andererseits bietet der USB-Bus etliche Eigenschaften, durch die er einfacher zu nutzen ist als manche traditionellen internen PC-Busse. Über USB angeschlossene Geräte können bei laufendem Rechner installiert werden, so dass ein Herunterfahren des PCs nicht mehr nötig ist, um ein Gerät hinzuzufügen oder zu entfernen. Der Bus besitzt zudem eine Funktion zur automatischen Geräteerkennung. Anwender müssen also die Geräte nach dem Einstecken nicht manuell konfigurieren. Nach Installation der Softwaretreiber sollte die Betriebssystemsoftware das Gerät selbst erkennen und installieren.

Die Plattform PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) wurde entwickelt, um die Lücke zwischen Desktop-Rechnersystemen und extrem leistungsfähigen VXI- und GPIB-Systemen zu schließen. Die PXI Systems Alliance mit ihren über 200 Mitgliedern pflegt diesen offenen Standard, und verabschiedete 2006 die PXI-Express-Spezifikation, um der PXI-Plattform die PCI-Express-Datentransfertechnologie zur Verfügung zu stellen.

PXI baut auf CompactPCI auf und vereint Erweiterungsmöglichkeiten zum Anschluss von Messgeräten sowie Spezifikationen auf Systemebene, um eine offene und dabei äußerst leistungsfähige Spezifikation für Mess- und Automatisierungssysteme sicherzustellen. Zu den Vorteilen PXI-basierter Datenerfassungssysteme zählt das robuste Gehäuse, das den rauen Bedingungen standhält, die oft bei industriellen Anwendungen vorliegen. PXI-Systeme bieten außerdem eine modulare Architektur, d. h. an der Stelle eines einzigen Stand-alone-Messgeräts haben nun mehrere Geräte Platz. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, das System mit einem PCI-Bus weit über die Kapazität eines Desktop-Rechners hinaus auszuweiten. Zu den wichtigsten Vorteilen von PXI gehören seine integrierten Timing- und Triggerfunktionen. Ohne externe Verbindungen können mehrere Geräte durch Einsatz interner Busse an der Backplane eines PXI-Chassis synchronisiert werden.

Wireless-Technologie erweitert die Flexibilität und Mobilität PC-basierter Datenerfassung auf Anwendungen, wo kabelgebundene Lösungen schwierig bzw. nicht realisierbar sind (Windkraftanlagen). Sie kann auch Kosten erheblich reduzieren, da Kabel und Installationszeit entfallen. Allerdings weist die Wireless-Technologie auch die höchste Latenz bei Datenerfassungsbussen auf. Daher wird sie für Anwendungen, die Hochgeschwindigkeitssteuerung und -regelung sowie Determinismus benötigen, nicht empfohlen. Am Markt werden zahlreiche Wireless-Technologien angeboten. Die gängigste ist IEEE 802.11 (WLAN).

WLAN gehört zu den Wireless-Technologien, die sich am leichtesten einrichten lässt. Die Verwendung eines Access Point ist den meisten Menschen genauso geläufig wie das Einstecken eines USB-Kabels. Nach 10-jährigem Einsatz im IT-Bereich ist WLAN zudem eine sichere Technologie. IEEE 802.11i (WPA2) ist bisher der höchste kommerziell erhältliche Wireless-Sicherheitsstandard mit 128-Bit-AES-Verschlüsselung und IEEE-802.1x-Authentifizierung. Für das Streaming von dynamischen Signalen bietet WLAN mehr Bandbreite als andere Wireless-Technologien, wodurch es sich insbesondere für die Überwachung von Maschinenzuständen und andere Hochgeschwindigkeitsanwendungen eignet.

Ethernet ist das Rückgrat fast aller Unternehmensnetzwerke der Welt und daher weitläufig verfügbar. Als Bussystem für die Datenerfassung eignet sich Ethernet für die Durchführung mobiler oder verteilter Messungen bei Entfernungen über die 5 m Länge eines USB-Kabels hinaus. Ein einziges Ethernet-Kabel kann Distanzen bis zu 100 m überbrücken, erst darüber hinaus werden ein Hub, ein Switch oder ein Repeater notwendig. Dieser Umstand sowie die breite Verfügbarkeit von Netzwerken in Laboren, Büros und Produktionsanlagen macht Ethernet zur ersten Wahl für die Verteilung von Messungen an dezentrale Standorte. Obwohl die verfügbare Netzwerkbandbreite von der Anzahl der vernetzten Geräte abhängt, kann ein 100BASE-T-Ethernet-Netzwerk (100 MBit/s) mehrere Ethernet-Datenerfassungsgeräte aufnehmen, die bei voller Geschwindigkeit arbeiten. Darüber hinaus kann Gigabit Ethernet (1000BASE-T) für größere Systeme Daten von mehreren 100BASE-T-Netzwerken oder Geräten mit höheren Geschwindigkeiten sammeln.

Etliche Datenerfassungsgeräte bieten programmierbare digitale Kanäle für den Import und Export von Takten und Triggern. Manche Geräte verfügen sogar über spezielle Triggerleitungen mit BNC-Anschlüssen. Diese externen Triggerleitungen sind für USB- und Ethernet-Geräte typisch, da sich die Datenerfassungshardware außerhalb des PC-Gehäuses befindet. Bestimmte Busse verfügen jedoch über zusätzliche Timing- und Triggerleitungen, um die Synchronisation mehrerer Geräte so einfach wie möglich zu gestalten. PCI- und PCI-Express-Karten bieten den RTSI-Bus (Real Time System Integration), an den mehrere miteinander verkabelte Karten eines Desktop-Systems direkt angebunden werden können. So sind keine zusätzlichen Verbindungen über den Frontanschluss nötig und die I/O-Anbindung wird vereinfacht.

Die beste Busoption für die Synchronisation mehrerer Geräte ist die PXI-Plattform, einschließlich PXI- und PXI-Express. Dieser offene Standard wurde speziell für die leistungsstarke Synchronisation und Triggerung konzipiert und bietet eine Reihe von Optionen für die Synchronisierung von I/O-Modulen im selben Chassis oder die Synchronisierung mehrerer Chassis.

4. Wie mobil muss das System sein?

Die rapide Verbreitung mobiler Rechensysteme bietet neue Möglichkeiten, innovative PC-gestützte Datenerfassungsanwendungen zu erstellen. Mobilität ist ein wichtiger Faktor für viele Anwendungen und könnte leicht der Hauptgrund sein, sich für einen bestimmten Bus zu entscheiden. Datenerfassungsanwendungen im und am Fahrzeug beispielsweise profitieren von kompakter und leicht zu transportierender Hardware. Externe Busse wie USB und Ethernet eignen sich insbesondere für mobile Datenerfassungssysteme, da die Hardware schnell installiert ist und die Busse mit Laptop-Computern kompatibel sind. Über Bus betriebene USB-Geräte bieten noch weitere Vorteile, da sie keine separate Stromversorgung benötigen, weil sie über den USB-Port versorgt werden. Die Nutzung von Wireless-Datenübertragungsbussen ist eine weitere gute Option für mobile Anwendungen, da die Messhardware selbst mobil eingesetzt wird, der Rechner jedoch an einem festen Ort bleiben kann.

5. Wie groß ist die Entfernung zwischen Messstelle und Computer?

Die Entfernung zwischen der Messstelle und dem Standort des Rechners kann sich von Anwendung zu Anwendung erheblich unterscheiden. Um die beste Signalintegrität und Messgenauigkeit zu erzielen, sollte sich die Datenerfassungshardware so nah an der Signalquelle befinden wie möglich. Dies kann bei umfangreichen, verteilten Messanwendungen, wie bei Struktur- oder Umweltüberwachungen, eine Herausforderung darstellen. Kabel über eine Brücke oder durch eine Produktionsanlage zu führen, ist kostenaufwändig und kann Signalrauschen zur Folge haben. Eine Lösung des Problems besteht darin, eine mobile Rechenplattform zu nutzen, um das gesamte System näher an die Signalquelle zu bringen. Mit Wireless-Technologie entfällt die physikalische Verbindung zwischen Computer und Messhardware komplett. Der Anwender kann verteilte Messungen durchführen und die Daten an eine zentrale Stelle schicken.

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