Wie ein LXI-System Signale am CERN überwacht

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LXI und seine Möglichkeiten

LXI bot für CERN einige Vorteile: der überwiegende Teil ihres Systems nutzte bereits Ethernet-Datenverbindungen und so war es einfach, sie auch für die Steuerung einer Schaltmatrix zu nutzen. LXI bedeutet auch, dass sie ohne zusätzliche Controller über den LXI-Produktwebserver über ihr Netzwerk Zugriff auf den Zustand der Matrix erhalten.

Im Lauf der Fachdiskussionen kam ein weiteres Thema auf: Die am Teilchenbeschleuniger durchgeführten Experimente sind langwierig und teuer und damit wären Fehler in der Schaltmatrix ein weiterer Kostenfaktor. Mit dem Wissen, dass Pickering Interfaces sowohl in LXI- als auch in PXI-Systemen Selbsttestfunktionalität (BIRST) implementiert hatte, forderte CERN ebenfalls einen Selbsttest für das Schaltsystem. Im Idealfall sollte der Test auch dann durchgeführt werden können, wenn die Ein- und Ausgänge mit abgeschalteten Quellen bzw. Lasten verbunden sind. Die Möglichkeit, einen Selbsttest aus der Ferne zu starten und durchzuführen, würde den Anforderungen von OASIS ebenfalls sehr entgegenkommen.

Als Lösung für CERN entstand die 65-110 Wideband Modular Matrix. Die Schaltmatrix basiert auf einem Chassis mit einem analogen Bussystem und kann mit Plug-in-Karten bestückt werden. Die beiden linken Karten stellen die 16 Y-Verbindungen für die Digitizer bereit. Die restlichen X-Plug-in-Karten sorgen für die analogen Signaleingänge mit 8 Kanälen je Karte. Die Anzahl der X-Plug-in-Karten kann zwischen 1 mit 8-X-Kanäle und 13 mit 104-X-Kanäle variieren, sodass der Anwender im Rahmen eine Matrix beliebiger Größe von x8 bis x104 konfigurieren kann.

Wenn die zweite Y-Karte nicht installiert wird, können auch „Y8-Systeme“ realisiert werden. Zwar hatte CERN keine spezifischen Anforderungen für diese Konfiguration, andere Kunden mit Bedarf an kleineren Systemen könnten jedoch davon profitieren. Das Design kann vollständig durch den Anwender konfiguriert werden. Er kann die Plug-in-Module stecken und entfernen. Die Firmware des LXI-Controllers erkennt die tatsächliche Konfiguration und passt die verfügbare Matrixgröße an die installierten Module an. Das webbasierte Soft Front Panel, eine Systemeigenschaft, die durch den LXI-Standard gefördert wird, erlaubt die Steuerung der Matrix ohne spezielle Treiber.

Wie sich Übersprechen und Isolierung optimieren lassen

Die modulare Matrixlösung und ihre Größe lässt sich in hohem Maße der Anwendung anpassen. Die Plug-in-Karten und das analoge Bussystem des 65-110 mussten sehr sorgfältig entwickelt werden, um HF-Leistung und Übersprechverhalten, das für die CERN-Anwendung erforderlich war, sicherzustellen. Die Bandbreite einer typischen Konfiguration liegt bei mehr als 300 MHz, hauptsächlich vorangetrieben von der Forderung nach niedrigem Übersprechen. Das Stehwellenverhältnis ist hervorragend.

Wie viele andere moderne Instrumente kommunizieren die Module intern über eine PCIe-Schnittstelle mit dem LXI-Controller. Der LXI-Controller wiederum „virtualisiert“ die Anordnung zu einer einzigen Matrix, was die Aufgabe der Matrixprogrammierung für den Anwender erheblich erleichtert. Der LXI-Controller verbirgt die Komplexität des Schaltsystems vor dem Anwender: die Matrix erscheint dem Anwender wie eine einzige Einheit und nicht wie ein Satz separater Unterbaugruppen (Module). Nach Außen verhält sich das System eher wie ein Tischinstrument und nicht wie ein modulares System.

Bei dem Design befindet sich der analoge Bus unter den Plug-in-Modulen, statt an der Rückseite des Einschubs wie es häufig bei modularen Systemen der Fall ist. Bei einer Schaltmatrix ist es sinnvoll, die X- und Y-Signale in einem rechten Winkel zueinander anzuordnen, um das Übersprechen und die Isolierung zu optimieren. Hier zeigt sich eine der Stärken von LXI: es gibt keine speziellen Einschränkungen bezüglich der mechanischen Größe der Module oder der Anordnung eines analogen Busses. So konnte Pickering Interfaces eine Struktur entwickeln, die die Anforderungen des Schaltsystems erfüllte.

Das 65-110 beinhaltet Selbsttests, bei denen alle Signalpfade geschlossen, geöffnet oder mit hohen Widerstand überprüft werden. Das Konzept des Selbsttests nutzt niederpegelige Signale, sodass die angeschlossene Geräte nicht entfernt werden müssen, um den Test durchführen zu können. Das ist ein zeitaufwändiger Vorgang bei über 100 Koaxialverbindungen, der zudem aufgrund der gegebenen Entfernungen nicht praxisgerecht wäre. Der Selbsttest kann über das LXI-kompatible Web-Interface gestartet werden, ohne dass ein externes Steuerprogramm erforderlich wäre. Der Anwender kann dabei mehrere Kilometer von der Schaltmatrix entfernt sein. Er muss den Test lediglich starten. Der eingebettete LXI-Controller führt den Selbsttest durch und stellt die Ergebnisse über das Web-Interface oder entsprechende Reportdateien zur Verfügung.

* David Owen ist Business Development Manager bei Pickering Interfaces.

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