Autonomes Fahren und tragbare Medizingeräte Jetson PC und PCIe-Messkarte bieten zusammen hohe Kanaldichte

Ein Gastbeitrag von Oliver Rovini und Greg Tate*

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Test- und Messsysteme für mobile Anwendungen müssen klein und leistungsstark sein. Hier eignet sich eine Kombination aus Miniatur-Computern von Nvidia – wie Jetson oder Clara – und einer PCIe-Messkarte. Anwendungsbeispiele sind die Datenerfassung beim autonomen Fahren und tragbare Geräte für die Medizin.

Bild 1: Der Nvidia Jetson AGX Xavier1 ist sehr kompakt und enthält eine PCIe-Schnittstelle, beispielsweise für eine Digitizer-Karte mit acht Kanälen.
Bild 1: Der Nvidia Jetson AGX Xavier1 ist sehr kompakt und enthält eine PCIe-Schnittstelle, beispielsweise für eine Digitizer-Karte mit acht Kanälen.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Die Rechenleistung von Computern erhöht sich stetig und gleichzeitig nimmt die Größe weiter ab. Das eröffnet neue Möglichkeiten in mobilen Anwendungen. Dazu gehören autonome Roboter, Drohnen, tragbare medizinische Geräte auf Grundlage des maschinellen Lernens, selbstfahrende Transporthelfer in Produktion/Logistik und vernetzte Geräte aller Art. Viele der Anwendungen benötigen auch die Miniaturisierung der Sensortechnologie und der zugehörigen Messelektronik, um Funktionen wie Annäherungserkennung, Objekt- oder Komponenteninspektion und Bewegungssteuerung auszuführen. Wenn es um mobile Anwendungen geht, ist der Embedded-Computer „Jetson“ von Nvidia eine der weltweit führenden Plattformen.

Der „Jetson“ besteht aus einer ARM-basierten CPU und einer CUDA-basierten GPU. Die ARM-CPU verarbeitet Informationen schnell und das bei niedrigem Energiebedarf. Darüber hinaus kann „Jetson“ durch die eingebaute GPU große Datenmengen parallel verarbeiten. Die Geräte der Jetson-Familie sind kompakt und mit einem PCIe-Steckplatz erhältlich. Beispielsweise hat Jetson AGX Xavier1 eine Größe von 105 mm x 105 mm x 65 mm und enthält eine Gen 4 PCIe-Schnittstelle. Um die Jetson-Plattform optimal zu nutzen, hat Spectrum Instrumentation ein eigenes Treiberpaket erstellt. Dadurch ist es möglich, 65 verschiedene PCIe-Messkarten von Spectrum mit dem „Jetson“ zu verwenden. Die Geräte werden mit einer solchen Karte zu leistungsstarken Messinstrumenten.

Messequipment unterteilt sich in Messgeräte und Signalquellen

Tabelle: Die Tabelle zeigt häufig verwendete Sensoren, deren gemessene Größen sowie den Frequenzbereich, in dem sie normalerweise arbeiten.
Tabelle: Die Tabelle zeigt häufig verwendete Sensoren, deren gemessene Größen sowie den Frequenzbereich, in dem sie normalerweise arbeiten.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Im Allgemeinen wird elektronisches Test- und Measurement-Equipment in zwei Hauptkategorien eingeteilt: Messgeräte und Signalquellen. Instrumente wie digitale Multimeter, Digitizer, Oszilloskope, Spektrumanalysatoren und Logikanalysatoren messen die elektrischen Eigenschaften eines Eingangssignals, am häufigsten die elektrische Potentialdifferenz oder Spannung. Signalquellen hingegen sind erforderlich, um Signale bereitzustellen, die als Teststimulus verwendet werden können.

Die 65 verschiedenen PCIe-Karten, die mit dem „Jetson“ kombiniert werden können, lassen sich in drei Gruppen einteilen: Das Sortiment umfasst Digitizer, die wie ein digitales Oszilloskop funktionieren können und elektronische Signale von einer Vielzahl von Sensoren oder Komponenten verarbeiten. Außerdem gibt es Arbiträrgeneratoren (AWG), die nahezu jedes Signal reproduzieren können, das in modernen elektronischen Systemen zu finden ist. Zudem sind diverse Digital-Karten für das Erfassen oder Senden von digitalen Daten erhältlich (Tabelle).

Bild 2: Das Digitizer-Modell M4i.2234-x8 bietet vier Kanäle mit Abtastraten von bis zu 5 GS/s und einer Bandbreite von 1,5 GHz.
Bild 2: Das Digitizer-Modell M4i.2234-x8 bietet vier Kanäle mit Abtastraten von bis zu 5 GS/s und einer Bandbreite von 1,5 GHz.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Für Anwendungen, bei denen analoge oder digitale Signale erfasst und analysiert werden müssen, können Benutzer aus 40 verschiedenen Digitizer-Modellen wählen. Digitizer sind leistungsstarke Instrumente, die eine Vielzahl von Messaufgaben ausführen können und dadurch konventionelle Prüfinstrumente überflüssig machen. Es sind Digitizer verfügbar, die Signale mit hoher Präzision über einen breiten Frequenzbereich von DC bis 1,5 GHz erfassen können. Beispielsweise bietet das Modell M4i.2234-x8 auf einem Steckplatz vier Kanäle mit jeweils unabhängiger Auswahl des Eingangsbereichs und einer maximalen Abtastrate von 5 GS/s, was einen Messwert alle 200 ps entspricht (Bild 2).

Mit einer Bandbreite von 1,5 GHz eignen sich diese Instrumente sehr gut zur Erfassung von schnellen Signalen, die üblicherweise von Lasern und foto-opischen Sensoren (Fotodioden, Fotovervielfacher, Fototransistoren oder CCDs) erzeugt werden oder in der Funkkommunikation oder beim Radar zu finden sind.

19 verschiedene Arbiträrgeneratoren

Für die Erfassung von Signalen im mittleren Frequenzbereich von DC bis 250 MHz stehen andere Digitizer-Modelle zur Verfügung. Diese kombinieren schnellen Abtastraten mit einer hohen Auflösung von 14 und 16 Bit. Dadurch können Signale mit einem großen Dynamikbereich sehr präzise gemessen werden. Die verschiedenen Varianten bieten Abtastraten von 5 MS/s bis zu 500 MS/s und bis zu acht analoge Kanäle auf einer Karte. Alle Digitizer verfügen über zusätzliche Anschlüsse, um sie sehr einfach in verschiedene Testsysteme zu integrieren.

Dazu gehören Ein- und Ausgänge für externen Takt, externen Trigger sowie bis zu vier multi-funktionale digitale I/O-Leitungen. In Situationen, in denen ausschließlich Digitalsignale erfasst werden müssen, stehen fünf verschiedene PCIe-Karten zur Verfügung, die 32 Digitalsignale mit Abtastraten von bis zu 720 MBit/s erfassen können.

Der Nutzer kann zwischen 19 verschiedenen Arbiträrgeneratoren (AWGs) wählen, die als Signalquellen zur Steuerung/Stimulierung anderer Geräte verwendet werden können. AWGs bieten eine extreme Flexibilität und kommen einer universellen Signalquelle sehr nahe. Die Wellenformen lassen sich mithilfe von mathematischen Gleichungen erzeugen. Außerdem können Signale, die zuvor von digitalen Oszilloskopen oder Digitizern erfasst und dann in den AWG importiert wurden, absolut identisch ausgegeben werden.

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Analoge Wellenformen zusammen mit digitalen Signalen

Die 19 verschiedenen AWGs von Spectrum Instrumentation bieten einen bis acht Kanäle pro Karte. Alle Modelle erzeugen Signale mit einer Auflösung von 16 Bit für hohe Dynamik und Präzision. Die verfügbaren Ausgangsraten reichen von 40 MS/s bis zu 1,25 GS/s, wodurch Signale mit einer Bandbreite von bis zu 400 MHz erzeugt werden können. Wie bei den Digitizern sind auch bei den AWG-Karten zusätzliche Anschlüsse für Mixed-Mode-Anwendungen vorhanden. Diese zusätzlichen Leitungen machen es einfach, analoge Wellenformen zusammen mit digitalen Signalen (Markern) auszugeben.

Viele automatisierte Systeme arbeiten mit digitalen Signalen, die oft mit hohen Geschwindigkeiten getaktet sind. Daher werden Logikanalyse und Patternerzeugung verwendet, um den korrekten Systembetrieb und den korrekten Datenfluss zu testen und zu verifizieren. In Situationen, in denen präzise Signalschaltzeiten gemessen oder erzeugt werden müssen, ist eine digitale Input/Output-Karte eine kostengünstige Lösung. So lässt sich der „Jetson“ mit dem Spectrum-Modell M2p.7515-x4 kombinieren, eine Digital I/O-Karte mit 32 Kanälen, die zur Eingabe oder Ausgabe digitaler Signale verwendet wird.

Die Kanäle sind für den Betrieb mit den gängigsten digitalen Schaltungen ausgelegt und mit 3,3 V LVTTL und 5,0 V TTL kompatibel. Die Taktgeschwindigkeiten sowohl für den Erfassungs- als auch für den Erzeugungsmodus sind mit Raten von 1 kS/s bis zu 125 MS/s vollständig programmierbar, um die gewünschten Testanforderungen zu erfüllen.

Wenn es auf eine schnelle Signalverarbeitung ankommt

Bild 3: Die Verwendung einer GPU für die FFT-Verarbeitung ermöglicht eine extrem schnelle Frequenzbereichsanalyse selbst bei sehr großen Zeitbereichserfassungen.
Bild 3: Die Verwendung einer GPU für die FFT-Verarbeitung ermöglicht eine extrem schnelle Frequenzbereichsanalyse selbst bei sehr großen Zeitbereichserfassungen.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Die PCIe (Gen4) Schnittstelle des „Jetson“ überträgt die Daten zwischen PC und Messkarte mit Geschwindigkeiten von bis zu 1,7 GByte/s. Diese schnelle Übertragungsrate hilft sowohl bei der Signalerfassung als auch beim Ausgeben von Signalen. Zudem können erfasste Daten in einem FIFO-Streaming-Modus direkt an die eingebaute GPU gesendet werden. Dadurch ist es möglich, enorme Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten. Da die GPU eine extrem schnelle und effiziente Parallelverarbeitung durchführen kann, ist sie das perfekte Werkzeug für die Handhabung der großen Datenmengen, die von den Messkarten erfasst oder generiert werden.

Damit Anwender die Vorteile der integrierten GPU nutzen können, bietet Spectrum eine Treibererweiterung an, die für „Jetson“ verfügbar ist. Das Treiberpaket heißt SCAPP (Spectrums CUDA Access for Parallel Processing). Der Hauptvorteil: Erfasste Daten fließen direkt vom Digitizer an die GPU oder im Falle der Signalerzeugung von der GPU direkt an die AWG-Karte. Dadurch bleibt die CPU vollständig unbelastet. Die GPU ist der CPU bei der parallelen Verarbeitung durch die vielfach höhere Anzahl von Kernen deutlich überlegen.

Durch die Kombination aus schneller Datenübertragung und schneller GPU-Verarbeitung ist ein solches System für viele Anwendungen mit Signalverarbeitung geeignet. Ein Beispiel: Eine Digitizerkarte erfasst Signale, überträgt diese Daten mit kontinuierlichem Streaming an die GPU des „Jetson“, wo eine kontinuierliche Auswertung der Daten in Form einer FFT-Frequenzanalyse stattfindet (Bild 3).

Autonomes Fahren und eine schnelle Datenerfassung

Bild 4: Das typische Sensorfeld eines autonom fahrenden Nutzfahrzeugs.
Bild 4: Das typische Sensorfeld eines autonom fahrenden Nutzfahrzeugs.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Bild 5: Die intelligenten Systeme eines autonomen Fahrzeugs analysieren Verkehrsschilder anhand ihrer geometrischen Formen.
Bild 5: Die intelligenten Systeme eines autonomen Fahrzeugs analysieren Verkehrsschilder anhand ihrer geometrischen Formen.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Autonome Fahrzeuge sind eine typische Anwendung, bei der eine schnelle Datenerfassung und eine schnelle Signalverarbeitung entscheidend sind. Fahrerlose Autos verwenden Laufzeitmessungen, um schnell den Abstand und die Bewegungen von Objekten zu bestimmen. Die Systeme verwenden oft eine Kombination aus Radar, Lidar, optischen Kameras und Infrarotsensoren. Als Beispiel ist in Bild 4 das hintere Sensorfeld eines autonom fahrenden Muldenkippers für den Bergbau zu sehen.

Ergänzt durch neuronale Netzwerke und künstliche Intelligenz unterscheidet das selbstlernende System zwischen Fußgängern, Radfahrern, Motorrädern und Autos und kann Verkehrsschilder erfassen und analysieren (Bild 5).

Medizinische Aufgaben mit dem Nvidia Clara AGX

Bild 6: Nvidia Clara bestückt mit zwei SPECTRUM-Karten: 4 Kanal-Signalerzeugung plus acht Kanal-Signalerfassung mit jeweils 125 MS/s.
Bild 6: Nvidia Clara bestückt mit zwei SPECTRUM-Karten: 4 Kanal-Signalerzeugung plus acht Kanal-Signalerfassung mit jeweils 125 MS/s.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Die nächste Generation von medizinischen Geräten soll ebenfalls kompakt, tragbar und vielfältig einsetzbar sein. Hier unterstützt Nvidia mit dem Clara AGX, einer universellen Computerarchitektur für eine neue Generation von KI-basierten, medizinischen Geräten (Bild 6). Die Clara-Plattform bietet Module für künstliche Intelligenz, Echtzeit-Streaming, ARM-Prozessoren und ebenfalls eine integrierte GPU mit 4.608 Kernen.

Es stehen außerdem zwei PCIe-Steckplätze zur Verfügung. Die 65 Messkarten von Spectrum können dank des speziellen Treiberpakets auch für den Clara-Computer verwendet werden. Durch die beiden Steckplätze ist es möglich, einen Signalgenerator und einen Digitizer gleichzeitig zu nutzen. Möglich sind Stimulus-Response-Anwendungen wie beim Ultraschall. Die SCAPP-Software von Spectrum ist für den Clara einsetzbar, um Daten direkt zwischen der GPU und der Messkarte auszutauschen.

Alle Digitizer, Signalgeneratoren und Digitalkarten, die mit dem „Jetson“ und „Clara“ verwendet werden können, sind vom Anwender vollständig programmierbar. Jede PC-Karte wird mit Treibern für Windows und Linux sowie Programmierbeispielen für C++, LabVIEW, MATLAB, Visual Basic.NET, Python, Julia und andere Programmiersprachen geliefert. Die Auswahl ermöglicht es Anwendern, ihre eigenen Programme in der Sprache zu erstellen, die am besten geeignet ist. Das Application Programming Interface (API) folgt ebenfalls einer gemeinsamen Struktur. Ist ein Programm für eine bestimmte PC-Karte entwickelt, lässt es sich an eine andere Karte anpassen. Das beschleunigt Projektentwicklung und Effizienz.

* Oliver Rovini ist Technical Director Spectrum Instrumentation. Greg Tate ist Sales Manager Asia Spectrum Instrumentation.

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