magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

ni szem„A mérőáramkörök testreszabhatósága újabb mérföldkő a teljes mértékben szoftveralapú mérőrendszerek felé. Tíz év múlva már nem is fogjuk érteni, hogyan tudtuk nélküle hatékonyan programozni a rendszereinket.” – Mike Santori, National Instruments Vállalati Technológiai Üzletág

 

A szerkesztő bevezetője

Amikor Dr. James Truchard, a National Instruments (NI) társalapítója és négy évtizeden át elnök-vezérigazgatója sikeres pályafutása végén visszavonult, a cég Automated Test Outlook (ATO) című kiadványában összefoglalta az elektronikus méréstechnika elmúlt 40 évének főbb fejlődési állomásait az elektroncsöves laborműszerektől egészen a jelenkor számítógép-bázisú, programvezérelt, automatizált vizsgálóállomásaiig. Ezt az áttekintő cikket erre a linkre kattintva érheti el. A szerző felhívta a figyelmet az ATO néhány korábbi cikkére is, amelyek a fejlődés egy-egy fontos mérföldkövét jelentő szakmai eredményeket elemezték. Mivel úgy ítéltük meg, hogy ezek az értekezések ma is éppoly aktuálisak, mint az első megjelenésükkor, és sokunkra gyakorolhatnak szemléletformáló hatást, a Dr. Truchard által figyelmünkbe ajánlott öt cikket folytatólagosan olvasóink elé tárjuk. Következzék tehát a sorozat másodikja.

A szoftveralapú műszerek – más néven virtuális berendezések – alapja egy rendkívüli mértékben átkonfigurálható, moduláris architektúra. A szoftveralapú műszerek egy moduláris adat-gyűjtő/-generátor egységből állnak, amelynek funkcióit egy többmagos processzoron futó, felhasználó által létrehozott szoftver szabja meg. Ez az alapmodell kiválóan illeszkedik napjaink legtöbb automatizált mérőalkalmazásához, de az újonnan megjelenő technológiákhoz és mérési módszerekhez szükséges képességek biztosítása érdekében olyan mélységű átkonfigurálhatóságra van szükség, amely egészen az áramkörök szintjéig leér. Jó példa erre egy korszerű rádiófrekvenciás vevő vizsgálata, ahol követelmény, hogy a kódolás/dekódolás, a moduláció/demoduláció, a tömörítés/kicsomagolás és minden más számításigényes művelet a vizsgált eszköz egyetlen óraciklusán belül menjen végbe. Ilyen esetekben a szoftveralapú architektúrának elég rugalmasnak kell lennie ahhoz, hogy kezelni tudjon a felhasználó által programozott egységeket, gyakran FPGA-t is, a műszeren belülre helyezve a méréshez szükséges intelligenciát. A felhasználó által programozott műszer olyan architektúra, amelyben az adatok FPGA-ban vagy „központilag”, a számítógépen dolgozhatók fel valós időben (lásd az ábrát). Az FPGA áramkörök kulcsfontosságú technológiát jelentenek, mivel ötvözik az integrált céláramkörök (ASIC) és a processzoros rendszerek leghasznosabb képességeit. A legmagasabb szintű FPGA-k olyan újraprogramozható szilíciumlapkák, amelyekkel előre megépített logikai műveleti blokkok és programozható adat-útvonalak konfigurálásával egyedi hardverfunkciók valósíthatók meg. A digitális számítási feladatokat szoftverben kell kifejleszteni, majd ezeket lefordítva az FPGA áramköröket felprogramozó konfigurációs állományok keletkeznek. Mindezek mellett az FPGA-k teljes mértékben átkonfigurálhatók: újraprogramozva azonnal gyökeresen másképp viselkednek.
Az FPGA-k további előnye, hogy futási idejüket „egy az egyben” maga az áramkör határozza meg, emellett működésük teljes mértékben determinisztikus és nagy a megbízhatóságuk is. Ténylegesen párhuzamos működésűek, ezért a különböző feldolgozási műveleteknek nem kell „versengeniük” ugyanazokért az erőforrásokért. Mindegyik független feldolgozási folyamat saját területet „kap” a lapkából, ahol önállóan, más logikai blokkoktól függetlenül tud működni, így a feladatok számának növelése nem rontja az alkalmazás többi részének teljesítőképességét.
Bár a műszerekben már több mint egy évtizede találhatók FPGA áramkörök, a mérnökök ritkán férhettek hozzájuk olyan szintig, hogy saját algoritmust ágyazhassanak be. A szoftveralapú műszerek szempontjából egy FPGA akkor hasznos, ha a felhasználó által átprogramozható, azaz, ha a programozási lehetőségek elérik magát az áramkört. Korábban az FPGA-kat csak azok tudták használni, akik mélyen átlátták a digitális áramkörtervező szoftvereket és ismerték a hardverleíró nyelveket – például a Verilog-ot vagy a VHDL-t –, amelyek az áramkörökhöz közeli szintaxissal írják le a kívánt működést, funkciókat. A mérnökök többsége nem értett ezekhez az eszközökhöz. A magas szintű tervezőeszközök elterjedése azonban átírja az FPGA-programozás szabályait: az új technológiák már grafikus blokkvázlat, sőt, akár C-kód segítségével megadott sémát is át tudnak alakítani digitális áramköri funkciókká. Ezek az FPGA-programozás részleteit absztraháló rendszerszintű eszközök át tudják hidalni az FPGA-programozás jelentette szakadékot.

1abra

Az újrakonfigurálható műszerek egy „hoszt + FPGA” felépítési modellt követnek, amely egyszerre nyújtja a nagy teljesítőképesség és a rugalmasság előnyeit

Nyilvánvaló, hogy egy számítógép processzora és egy FPGA más-más jellegű feladatokhoz optimális. Például, soros feldolgozáshoz – ilyen többek között a be- és kimeneti pontok közötti egyszerű decimálás[1] – általában jól megfelel az FPGA, míg bonyolult modulációs feladatok hatékonyabban futtathatók egy többmagos processzoron, amely igen nagy mennyiségű lebegőpontos számítást képes hatékonyan elvégezni. Egy szoftveralapú mérőrendszer fejlesztéséhez az ideális megoldás egy olyan közös, grafikus rendszerfejlesztő környezet, amelyben gyorsan felosztható a feldolgozás a számítógép és az FPGA áramkör között attól függően, hogy melyikük végzi el hatékonyabban a szükséges részműveleteket.
Az új, szoftverben megtervezett architektúrákkal a hagyományos megközelítéssel megoldhatatlan feladatok is kezelhetők. Az előbbi példa is ilyen esetet vázol, ahol a számítógépnek valós időben kellene döntéseket hoznia egy tesztelés megfelelő végrehajtásához. Az új megközelítéssel a megfelelőség eldöntéséhez szükséges intelligenciát teljes mértékben a műszerbe beágyazott FPGA tartalmazza. Gyakran más módon nem is biztosítható a tesztelések során megkövetelt, kiélezett időzítés és determinisztikus viselkedés. Ilyen követelményeket támasztanak például az RFID címkék, a memóriachipek, a mikrovezérlők és a motorvezérlő egységek (ECU). Bizonyos alkalmazásoknál a kommunikációt egy adott – vezetékes vagy vezeték nélküli – protokollal valósítják meg, ami újabb jelentős kódolási és dekódolási réteget iktat be a döntéshozatal útjába.
Biztosra vehető, hogy az átkonfigurálható műszerek egyre több fontos felhasználási területen jelennek meg, mert folyamatos igény van a vizsgálatok idő- és költségigényének csökkentésére. Nézzünk például egy digitalizálást, amelynél egy FPGA sorosan dolgozza fel egy analóg/digitális átalakító adatait. A fejlesztés során gyorsan az FPGA áramkörhöz rendelhető – például – a szűrés, a csúcsdetektálás, a gyors Fourier-transzformáció (FFT) vagy az egyedi igények szerint kialakított szinkronizálás (triggerelés). Nem minden adat egyenértékű, így egy FPGA-alapú digitalizáló gyorsan el tudja dönteni, melyik adat dobható el és melyik fontos. Ezzel végső soron lényegesen csökkenthető egy mérés időigénye. Katonai és légiközlekedési területen már korán alkalmazni kezdtek FPGA-alapú „műszereket” szoftverrel megtervezett berendezésekhez, de ez a megközelítés nagy lehetőségeket rejt magában a híradástechnika, a járműipar, az orvostechnika és a fogyasztói elektronika különféle mérési feladatait érintően is.

A cikkben felvetett téma „utóélete”

A National Instrument Automated Test Outlook (ATO) című kiadványához, melyből a fenti cikket idéztük, Dr. James Truchard, a cég társalapítója és négy évtizeden át elnök-vezérigazgatója, egyben az ATO főszerkesztője a következő megjegyzést fűzte: „Három évre rá, hogy ez a cikk megjelent a 2010. évi „Kitekintés az automatizált tesztelés jövőjébe” című tanulmányban, az NI piacra dobta a PXI platformon működő vektorjel-adóvevő (VST) modulját. Ez forradalmasította a rádiófrekvenciás műszerek világát, új kategóriát teremtve a szoftveralapú műszerek körében: a felhasználó által átprogramozható berendezések osztályát. A szakma először azzal próbálta elbagatellizálni, hogy úgysem akarna senki megvásárolni ilyen mélységeket érintő funkcionalitást. A VST mégis az NI mindeddig legsikeresebb moduljává vált, teljesen új alapokra helyezve a műszerek jövőjét. Eljött az ideje, hogy mindenki alaposan fontolóra vegye szoftveralapú műszerek vásárlását.”

 


[1] Egy mérési adatsor tömörítése bizonyos adatok előre megadott szisztéma szerinti elhagyásával (például minden nyolc adatból megtartjuk az elsőt és töröljük a többi hetet). – A szerk. megj.


National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest, Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400
E-mail: ni.hungary@ni.com
hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: techsupport@ni.com

Még több National Instruments

 

NI ATO cover web Jelen írás a "Kitekintés az automatizált tesztelés jövőjébe" cikksorozat része, a cikksorozat további részei erre a linkre kattintva érhetők el.