Sokcsatornás, nagysebességű mérőrendszerek építése – könnyedén

A virtuális műszerezés elvei jelentősen megkönnyíthetik az egyébként komoly rendszertechnikai áttekintést igénylő, összetett mérőrendszerek kialakítását. A LabVIEW-ban és a virtuális műszerezés területén járatos olvasó számára is hasznosak lehetnek a National Instruments (NI) cikkében foglalt ismeretek és tapasztalatok.

Áttekintés

A hagyományos, nagysebességű oszcilloszkópok többsége két vagy négy csatornával rendelkezik és zárt, önálló készüléket alkot. Asztali műszerként hatékonyan segítik a hétköznapi méréseket, hibakeresési műveleteket, ám sok esetben nehezen bővíthetők sok csatornát igénylő alkalmazásokhoz, (például több tíz vagy száz, egyidejűleg nagy sebességgel mintavételezett jelet feldolgozó nyalábformáló vagy orvosi képalkotó rendszerekhez). A sokcsatornás, nagysebességű analóg/digitális átalakítókat tartalmazó rendszerekben

• maximalizálni kell a csatornák sűrűségét;

• több berendezésre kiterjedően szinkronizálni kell a csatornákat;

• igen nagy adatmennyiségeket kell feldolgozni.

E kihívásokat legcélszerűbb a csatornák szinkronizálását egyszerűsítő és nagysebességű adatfolyamok továbbítását is lehetővé tévő, kisméretű, moduláris platformra épülő összeállítással legyőzni. A sokcsatornás rendszerek összeállítására a mérőrendszerekhez kidolgozott PCI-bővítés (PCI eXtensions for Instrumentation — PXI) különösen alkalmas, mert teljesíti a felsorolt követelményeket és megbízhatóságát már számos területen bizonyította. A PXI-plat­form a virtuális műszerek elvére épül, ami azt jelenti, hogy a berendezések funkcióit szoftveresen lehet beállítani, lehetővé téve olyan mérő- és automatizált rendszerek összeállítását, amelyek teljes mértékben
a felhasználói igényekhez illeszkednek, és nem korlátozzák a lehetőségeket a hagyományos készülékek gyári funkcióira.

Az első kihívás: a csatornasűrűség maximalizálása

A sok száz csatornát tartalmazó, nagy teljesítőképességű alkalmazások fejlesztésekor rögtön jelentkeznek a helyproblémák. A PXI-platform nagy teljesítőképességű, alacsony költségvonzatú és kedvező méretű környezet a mérő- és automatizálási rendszerek megvalósításához. Egy PXI-alapú összeállítás (1. ábra - ld. fent A PXI-platform moduláris kialakításának köszönhetően nagy sűrűségű adatgyűjtő rendszer állítható össze  számos különféle, nagy sebességű vagy nagy felbontású egység beépítésével) egy vezérlőegységet, befoglaló keretet és számos különféle berendezést – például digitalizálókat, digitális multimétereket vagy hullám­forma-generátorokat – tartalmaz.

    A hagyományos célműszerek saját processzorral, kijelzővel, tápegységgel és ventilátorral rendelkeznek minden két vagy négy csatornához. A PXI-platformnak köszönhetően maximalizálható a csatornasűrűség, a felsorolt közös részegységek egyetlen keretbe és vezérlőbe történő beépítése révén, egy modulban csak a megfelelő analóg- és digitális áramköröket elhelyezve. Az ily módon megtakarított helynek köszönhetően optimalizálható a modulonkénti csatornák száma, azaz egyetlen, 4 egység magasságú műszerszekrény-térfogatban akár 544 csatornát tartalmazó rendszert is létrehozhatunk.
    Az 1. táblázat többféle digitalizáló jellemzőit hasonlítja össze a nagy sávszélességű, nagysebességű moduloktól – mint amilyen például az NI PXIe-5186 típusú egység – egészen a különösen nagy csatornaszámú kártyákig, amilyen az NI FlexRIO-rendszer­hez kifejlesztett NI 5752 típusú modul is.
A sávszéleséggel és felbontással kapcsolatos igények függvényében mindenki megtalálhatja a számára optimális csatornasűrűséget megvalósító, NI gyártmányú digitalizálót.

1. táblázat Az NI digitalizálói minden alkalmazáshoz optimális csatornasűrűséget nyújtanak

A második kihívás: több csatorna szinkronizálása

A sokcsatornás rendszerek második fő problémaköre az egyes csatornák adatainak szinkronizálása. Ez a kérdés nehezen oldható meg több, egyenként saját időzítő- és szinkro­nizálófokozattal rendelkező oszcilloszkóp összehangolásával. Még ha a célműszerként legyártott oszcilloszkópok támogatják is több berendezés szinkronizálását, az eltérő kábelhosszakból és -típusokból adódó órajel­csúszások hatását egyedi kalibrációval meg kell szüntetni. Ráadásul a csatornaszám növekedésével az indító- (trigger-) és órajelek elvezetése a műszerek között egyre nehézkesebbé válik.

Időzítés és szinkronizálás

Számos hagyományos szinkronizálási probléma leküzdhető az ütemező órajeleket és az indító- (trigger) jeleket belsőleg szét­osztó, zárt időzítő és szinkronizációs architektúrát is alkalmazó PXI-rendszerek segítségével (2. ábra). Egy PXI befoglaló keret önálló, 10 MHz-es, rendszerszintű referencia-órajelet, egy PXI-triggersínt, csillagpontos indítójel- (trigger-) sínt és a kártyahelyek között kapcsolatot létesítő helyi sínt tartalmaz. A PXI Express keret ezt egy 100 MHz-es, szimmetrikus rendszerórajellel, szimmetrikus jelzésátvitellel és szimmetrikus, csillagpontos kialakítású indítójel- (trigger-) vonalakkal egészíti ki a magasabb szintű időzítési és szinkronizálási igények kielégítése érdekében.

2. ábra A PXI-rendszer időzítő és szinkronizáló architektúrájával az órajel minimális torzulásával és elcsúszásával oszthatók szét az indítójel (trigger) és referencia-órajel vonalak

Az NI digitalizáló moduljainak időzítése és szinkronizálása

A PXI-platform által kínált szinkonizálási lehetőségeken túlmenően az NI olyan képességekkel ruházta fel PXI-alapú digitalizáló egységeit, melyek e folyamatot tovább egyszerűsítik. Legyen szó akár kártyánként egy csatornát tartalmazó elrendezésekről, akár különféle mintavételi sebességekkel működő, több összeszinkronizált keretből felépülő összeállításokról, az NI PXI-alapú digitalizálói ideális áramköri és szoftveres hátteret nyújtanak szinkronizált, nagysebességű, digitális-analóg átalakításhoz.
    A sokcsatornás alkalmazásokhoz szükséges programozási feladatokat, például a mintavételi órajelek és az indító- (trigger) jelek elosztásának szoftveres beállítását is megkönnyítette az NI. Az NI hatékony szoftvereszközei – mint például a LabVIEW – segítségével könnyedén összeszinkronizálható néhány csatorna csatornabővítés útján, vagy akár több száz csatorna is az NI-TClk API alkalmazással. A csatornabővítés révén egyszerűen összeszinkronizálhatók a csatornák egy digitalizálón belül, mindössze egy erőforrás-leíró karakterlánccal meg kell adni a digitalizáló csatornákat, amint az a 3. ábrán is látható.

3. ábra Egyetlen panelen belüli szinkronizálás csatornabővítés útján

Több berendezés közötti szinkron létrehozásához az NI kifejlesztett egy szabadalmaztatott, NI-TClk- nevű eljárást, amely a mintavételi órajelek egymáshoz igazítására szolgál, amelyek belsőleg szétcsúszhatnak annak ellenére, hogy fáziszárt hurokkal a 10 MHz-es referencia-órajelhez szinkronizálták őket.

• A szinkronizált berendezések pontos indítását (triggerelését) teszi lehetővé.

• A rugalmas NI-TClk megoldás a következő célokra használható:
  - nagysebességű, moduláris műszerek szinkronizálása
    mintavételi- vagy referencia-órajellel;
  - a szinkronizálás kiterjesztése rendszeridőzítő modult
    tartalmazó, sokcsatornás elrendezésekben egyetlen
    PXI-keretről több PXI-keretre;
  - homogén és heterogén szinkronizálás belső vagy külső
    mintavételi órajellel működő, azonos vagy eltérő mintavételi
    sebességű berendezésekben.

Az NI-TClk API (4. ábra) megkönnyíti a felhasználó dolgát azáltal, hogy az indítási (trigger) beállításokat és az órajel-szinkronizálás konfigurálását három LabVIEW-funkció (VI-rutin) segítségével teszi lehe­tővé, amelyek révén a kezelt rendszer sok­csatornás oszcilloszkópként jelenik meg. A három LabVIEW alatti VI-rutin nem igényel külső paramétereket, egyszerűen a műszerhozzáférés beállításait tartalmazó tömböt adja át az NI-TClk API részére. Ezzel az architektúrával az egyes berendezések közötti szétcsúszás a legrosszabb esetben 1 ns, jellemzően pedig 200 ps és 500 ps közötti. A mintavé­teli órajel kézi, berendezésenként külön-külön elvégzett kalibrálásával az eltérések 30 ps alá szoríthatók.

4. ábra Több berendezés csatornáinak összeszinkronizálására szolgáló NI-TClk API

Összetettebb feladat: PXI-alapú digitalizálók több PXI-keretre kiterjedő szinkronizálása

Ha több csatornára vagy pontosabb órajelre van szükség, mint amit egy alapkiépítésű PXI-keret nyújt, akkor a platform kiegészíthető több keret közötti szinkronizálást és precíziós időzítést/szinkront létrehozó modullal, amely a célműszerként forgalmazott oszcilloszkópokra jellemző 100 ppm-es pontossággal szemben 0,05 ppm-es referencia-órajelet szolgáltat. Amennyiben a szinkronizálandó keretek közötti távolság túl nagy ahhoz, hogy az óra- és indító- (trigger-) jeleket megbízhatóan át lehessen vinni kábellel, akkor időalapú szinkronizáló architektúrát is alkalmazhatunk. Az NI időzítő és szinkronizáló megoldásával kiaknázhatjuk az abszolút időalapot használó protokollok – mint például IEEE 1588, GPS vagy IRIG-B – lehetőségeit is a nagy távolságú szinkronizáláshoz.

A harmadik kihívás: igen nagy adatmennyiségek feldolgozása

Az adattárolás és az adatátviteli sín fogadóegység felé mutatott áteresztőképessége mindig a legnagyobb problémák egyike a nagysebességű analóg/digitális átalakításban. Ahogy növekszik a berendezések mintavételi frekvenciája, a GPIB-illesztők átviteli képességei egyre jelentősebben kor­látozzák a digitalizáló fokozatok lehetőségeit. A sokcsatornás alkalmazások esetében különösen fontos a rendszer áteresztőképessége és helyi memóriakapacitása, mert több tíz vagy száz csatornából származó adatmennyiség begyűjtése és feldolgozása ugyanazon a fogadóegységen olyan „szűk keresztmetszetet” okozhat, amely megakadályozhatja a helyes működést. Például egy 5 GHz-es mintavételi sebességű és 8 bites felbontású digitalizáló fokozat másodpercenként 5 GB adatmennyiséget állít elő. E hatalmas mennyiségű információ miatt a rendszeren belüli digitalizáló moduloknak nagyméretű helyi memóriával és nagy sávszélességű sínnel kell rendelkezniük ahhoz, hogy veszteség és fennakadás nélkül továbbíthassák adataikat a fogadóegységhez.
    Az 5. ábrán a különféle sínrendszerek átviteli képességének összehasonlítása látható. A nagy sávszélességű PXI Express-architektúra még a leggyorsabb digitali­záló egységek által igényelt sebességekkel is képes adatfolyamokat továbbítani a merev­lemez felé, illetve a merevlemezről.

5. ábra Az automatizált méréstechnikában gyakran használt sínrendszerek sávszélességének és késleltetésének összehasonlítása

 6. ábra Az NI PXIe-1085 típusú befoglaló keret és az NI PXIe-8135 típusú beágyazott vezérlő rendszerszintű áteresztőképessége

Adatfolyamok átvitele a fogadóegység felé

A PXI-alkalmazások adatfolyam-átviteli jellemzőit a rendszer befoglaló alapkeretének, vezérlőjének és mérőegységeinek a képességei határozzák meg. Az eredő rendszerszintű áteresztőképesség maximalizálása érdekében egy adatfolyam-továbbító architektúra minden pontját elemezni kell.
A legújabb PXI Express-technológia adottságait kihasználva az NI befoglaló keretek és vezérlők rendszerszintű sávszélessége akár 12,8 GB/s is lehet, ami drámai növekedés a GPIB-sín 8 MB/s-os kapacitásához képest. Az adattovábbító sínek, a processzorok és a memóriák ilyen gyors ütemű fejlődése mellett a PXI-platform elegendően nagy rugalmasságot nyújt ahhoz, hogy rendszereink élvonalbeliek maradjanak.

Helyi memória

Még nagy teljesítőképességű adatsínnel rendelkező rendszerekben is sok alkalmazás jelentős mélységű helyi memóriát igényel az adatok átmeneti tárolásához és a nagysebességű digitalizálók követéséhez. Nagyméretű helyi memória esetén a digitalizáló maximális sebességgel képes mintavételezni, helyben tárolja az adatokat, és felküldi a fogadó számítógépnek, ha az adatgyűjtési ciklus befejeződött. Ezen túl a nagy memória hosszabb ideig tartó maximális sebességű mintavételezést is lehetővé tesz, meghosszabbítva az adatgyűjtési ciklust. Az NI PXI Express-alapú digitalizálók – mint amilyen például az NI PXIe-5162 típusú, 5 Gminta/s sebességű mintavéte­lező modul – csatornánként 1 GB memóriával rendelkeznek az adatgyűjtési ciklus teljes sebességű működés melletti optimalizálásának elősegítése érdekében.

Magas szintű adatfolyam-továbbítás RAID-rendszeren keresztül

A PXI-platform nemcsak adatfolyamok továbbításakor jelent költséghatékony megoldást, hanem különféle mérési elrendezések közötti adatmozgatások vagy a PXI-rendszervezérlő tárolókapacitásának RAID-háttértárral történő bővítése esetén is. A RAID az információt több merevlemez között megosztó vagy többszörösen elmentő, nagy kapacitású tárolóelrendezések összefoglaló neve, amelyek képesek létrehozni a sokcsatornás alkalmazások által igényelt sávszélességet és tárhelyet. Az NI számos külső RAID-elvű merevlemez-elrendezésen alapuló adattárolási lehetőséget kínál, a PXI-kereten belül külön vezérlőmodullal (7. ábra).

7.ábra Az NI HDD-8265 típusú egység  750 MB/s sebességig képes adatfolyamokat átvinni, 24 TB tárolókapacitát nyújtva

Gyakorlati példa

A neminvazív rákdiagnosztikai eljárások finomítása céljából a Kitasato Egyetem Alaptudományi Központjában kifejlesztettek egy moduláris rendszert, melynek működése neminvazív, optikai koherens tomog­ráfia (OCT) névre keresztelt képalkotási módszeren alapul. Ehhez a kutatók egy szabadalmi oltalom alatt álló fény­előállítási technikát alkalmaztak 256 db egyidejűleg mintavételezett, nagysebességű adatgyűjtő csatornával. Választásuk a PXI-platformra esett, 32 db NI PXI-5105 típusú, 60 MHz mintasebességű, nyolccsatornás digitalizálót felhasználva, a szinkronizálási képességek, a kis méret és a moduláris felépítés miatt. Az NI PXI-plaformja lehetővé tette a sokcsatornás adatgyűjtést és a csatornák számának bővítését 128-ról több mint 256-ra. A végeredmény sikeres volt – a Kitasatoi Egyetem csapata megépítette a világ leggyorsabb OCT-rendszerét a rák korai felismerési esélyeit javító diagnosztikai módszer megvalósítása érdekében.

National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest
Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400, fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hungary.ni.com

Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.