Messtechnik-Trend Das Mooresche Gesetz und seine Folgen für automatisierte Mess- und Prüfsysteme

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

„Messgeräte auf den PXI-Formfaktor, sprich in die Form eines Boards, zu bringen ist zwar ein guter Anfang, aber noch lange nicht alles“, erklärt Rahman Jamal, Technical & Marketing Director bei National Instruments. Er ist überzeugt, dass die Lösung eindeutig in einem softwarebasierten Ansatz liegt.

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Rahman Jamal, Technical & Marketing Director, National Instruments: „Die Symbiose aus flexibler Software und modularer Hardware ist ideal für automatisierte Mess- und Prüfsysteme.“
Rahman Jamal, Technical & Marketing Director, National Instruments: „Die Symbiose aus flexibler Software und modularer Hardware ist ideal für automatisierte Mess- und Prüfsysteme.“
( Archiv: Vogel Business Media )

Beim Test modernster elektronischer Produkte und Geräte ist es ähnlich wie damals bei der Entwicklung des im Juli 1997 gelandeten Mars-Rover Sojourner. Die Entwickler des ersten Mars-Rover konnten beispielsweise nicht einfach eine Artikelnummer in einem Katalog nachschlagen und ein Prüf- und Überwachungssystem für Weltraumfahrzeuge bestellen. Stattdessen wählten sie die Kombination aus offener, anwenderdefinierter Software und modularer PC-basierter Hardware, um die spezifischen Datenerfassungs- und Steueralgorithmen zu entwickeln, die für ein solches System nötig waren. Zwar sind Weltraumfahrzeuge nicht ganz so allgegenwärtig wie etwa iPhones und Wii-Spielkonsolen, doch müssen softwarezentrierte elektronische Geräte der neuesten Generation aufgrund der unzähligen, einzigartigen Design- und Testanforderungen nicht weniger flexibel sein als Raumsonden. Moderne elektronische Geräte sind komplexe Rechenmaschinen mit leistungsstarken Embedded-Prozessoren als Herzstück. Und entsprechend hoch sind auch die Testanforderungen.

Herr Jamal, Sie bringen automatisierte Prüfstände des Öfteren in Verbindung mit dem Mooreschen Gesetz. Können Sie das näher erläutern?

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? Die Quintessenz des bekannten Mooresche Gesetze ist, dass die Anzahl der Komponenten in einem integrierten Schaltkreis sich ca. alle 18 Monate verdoppelt. Dass diese Feststellung von Intels Gordon Moore an Aktualität noch nicht verloren hat, sieht man an den exponentiellen Leistungssteigerungen und Kosteneinsparungen, nicht nur im Halbleiterbereich, sondern auch bei allen elektronischen Produkten. Bei klassischen automatisierten Prüfständen kann man das jedoch nicht gerade behaupten. Mehr noch: Konventionelle Messgeräteboxen in diesem Umfeld haben kaum mit dem Mooreschen Gesetz Schritt halten können, so dass sie in puncto Kosten und Leistung hinterherhinken. Das muss aber nicht so sein. Würde man die Boxtechnologien architektonisch ‚öffnen’, sprich, mehr Freiraum für Modularität schaffen, ließen sich die neuesten Entwicklungen wie Multicore-Prozessoren, A/D-Wandler, FPGAs und Speicherarchitekturen nahtlos in die Prüfstandsstrategie integrieren und das Mooresche Gesetz könnte auch hier Einzug halten. Grundlegend hierfür ist zunächst die Bereitstellung der richtigen Infrastruktur an Hard- und Softwarekomponenten.

Nämlich?

? Bestandteile einer solchen Infrastruktur sind FPGA-basierte, rekonfigurierbare I/O, integrierte Timing- und Synchronisationsfähigkeiten, modulare PXI-Messgeräte und vor allem Software, die den Gesamtcharakter oder das Gesicht einer Anwendung samt Funktionalität formt. Das iPhone ist ein gutes Beispiel für eine solche softwarezentrische Philosophie: unterschiedliche Funktionen bzw. Geräte auf einer Hardwarebasis. Je nach App verwandelt sich das iPhone in ein anderes Gerät: Telefon, MP3-Player, PDA, Navigationssystem etc. Würde man Prüf- und Messanwendungen auf der Basis von einzelnen aneinandergereihten speziellen Messgeräten realisieren, würde dies in einer sehr hohen Hardware-Redundanz resultieren. Die Lösung liegt eindeutig in einem softwarebasierten Ansatz.

Aber nun zurück zur Infrastruktur.

? Mit PXI (PXI = PCI eXtension for Instrumentation) hat National Instruments 1997 genau eine solche Architektur auf die Welt gebracht. PXI ist eine Kombination aus offener, modularer PC-basierter Hardware und Software und bietet ein robustes Fundament für automatisierte Prüfanwendungen, da sie im gesamten System die aktuellsten Prozessoren und Datenbusse, flexible Peripherie-I/Os, ein kompaktes modulares Design, intelligente Stromverteilung und -überwachung sowie präzises Timing und hochgenaue Synchronisation zur Verfügung stellt. Der Markterfolg dieses offenen Standards ist unbestritten. Die über 100.000 PXI-Prüfsysteme, mehr als 1600 PXI-Produkte und über 600.000 sich im Einsatz befindenden Module von über 70 unterschiedlichen Anbietern sprechen für sich.

Teilen die Boxhersteller diese Sichtweise?

? Mittlerweile schon! Nach jahrelangen immer wieder aufflammenden Diskussionen findet jetzt ein Wandel statt. Jüngster Beleg dafür ist Agilent – ein Synonym für Boxgerätehersteller – mit seinem Bekenntnis zu PXI und somit einer eindeutigen Bestätigung der NI-Vision. Agilent formuliert es so „PXI ist der zurzeit dominierende Standard für ‚modular instrumentation‘. Es ist eine ausgereifte Technologie und weit verbreitet.

Jetzt sind also auch die Messgerätehersteller an Bord.

? Apropos ‚Bord’ – oder vielmehr ‚Board’. Messgeräte auf den PXI-Formfaktor, sprich in die Form eines Boards, zu bringen ist zwar ein guter Anfang, aber noch lange nicht alles. Hier besteht Gefahr, dass klassische Messgerätehersteller, die in die Systemwelt einsteigen, die Software nur als ‚Beigabe’ in Form eines Messgerätetreibers ansehen. Der Bedeutung der Software als integraler Bestandteil des Standards PXI muss jedoch auf jeden Fall Rechnung getragen werden.

Software ist also mehr als ein Messgerätetreiber. Was gehört dazu, bzw. was ist entscheidend für den erfolgreichen Einsatz dieser Plattform?

? Die Bedeutung der Messgerätetreiber soll keineswegs unterbewertet werden. Aber hier geht es nicht um ein abgeschlossenes Messgerät mit über die Treiber abgedeckter Funktionalität, sondern um eine Plattform mit den unterschiedlichsten Modulen, die erst im Verbund ihre Stärke so richtig ausspielen. Daher sind Entwicklungstools, transparente, vom Anwender programmierbare FPGA-Bausteine, integrierte Timing- und Synchronisierungsfähigkeiten und umfassendere Möglichkeiten der softwaredefinierten Gesamtfunktionalität unabdingbar.

Was bedeutet dieser Trend für die klassischen Messgerätehersteller?

? Will man das Ganze auf die Spitze treiben, könnte man fast schon behaupten, dass die Ära der ‚Rack & Stack’-Instrumente der Vergangenheit angehört. Es bedarf keiner prophetischen Fähigkeiten, um zu behaupten, dass mit dem Einstieg klassischer Messgerätehersteller in die Welt der modularen PXI-Instrumente eine viel rasantere Verdrängung herkömmlicher Messgeräte stattfinden wird. Wie erwähnt, sind bereits heute mehr als 100.000 PXI-Systeme mit über 600.000 Modulen im Einsatz. Prognosen zufolge sollen es im Jahr 2014 sogar mehr als 300.000 solcher Systeme sein.

Wie groß ist das NI-Portfolio an PXI- und PXI-Express-basierten Produkten?

? Mittlerweile bietet NI mehr als 400 PXI-/PXIe-Produkte. Alleine im letzten Jahr wurden knapp 50 neue vorgestellt. Ganz aktuell gibt es von NI den neuen PXI-RF-Vektorsignalanalysator NI PXIe-5665, der bis zu 3,6 GHz liefert. Zu unterstreichen sind die überragenden Werte beim Phasenrauschen, beim mittleren Rauschpegel, bei der Amplitudengenauigkeit und beim Dynamikbereich. Darüber hinaus bietet der VSA Messgeschwindigkeiten, die mindestens um den Faktor fünf höher sind als bei traditionellen Stand-alone-Messgeräten. Dadurch, dass der Vektorsignalanalysator auf PXI basiert, ist zudem Peer-to-Peer-Streaming möglich. Außerdem kann eine flexible MIMO-Architektur (Multiple Input, Multiple Output) für phasenkohärente Messungen erstellt werden. All diese Merkmale sorgen dafür, dass sich der VSA besonders für anspruchsvolle automatisierte RF-Prüfsysteme eignet.

Gibt es Vergleichsdaten zu klassischen Messgeräten?

PXI-basierter Tester im Vergleich zu einem auf Boxmessgeräten basierenden ATE-Tester (Archiv: Vogel Business Media)

? Die Vorteile sind anhand einiger sehr anschaulicher Eckdaten ersichtlich. In einem Vergleich (siehe Kasten, Anm. der Red.) wird ein PXI-basierter Tester einem klassischen auf Boxmessgeräten basierenden ATE-Tester gegenübergestellt. Relevante Vergleichswerte sind die Kosten, der Platzbedarf (sog. Footprint), das Gewicht und der Verbrauch. In allen Punkten erzielt PXI mit Abstand die besseren Werte, was ja nicht überraschend ist. Die Vorteile, die mit der Modularität einhergehen, werden klar sichtbar.

Wie sieht aus Ihrer Sicht die Zukunft der modularen Messtechnik aus?

? Die größte Herausforderung für Design- und Prüfingenieure besteht heutzutage darin, mit den immer schnelleren Designzyklen und sich stetig ändernden Anforderungen Schritt zu halten. Die Symbiose aus flexibler Software und modularer Hardware ist ideal für automatisierte Mess- und Prüfsysteme, da sie im gesamten System die leistungsfähigsten Prozessoren und Datenbusse, flexible Peripherie-I/Os, ein kompaktes modulares Design, intelligente Stromverteilung und -überwachung sowie präzises Timing und hochgenaue Synchronisation zur Verfügung stellt. So etablieren sich softwaredefinierte modulare Plattformen wie PXI immer mehr als Standard.

HMI Halle 9, Stand G28

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