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<H1>www.aud24.net : R. Jamal: "PXI - Theorie und Praxis"</H1>
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Redaktion
> <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD>
<TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>11.12.2000</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>National Instruments Germany:</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>R. Jamal: "PXI - Theorie und Praxis"</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Die Erweiterung des CompactPCI für die Mess- und Automatisierungstechnik</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Wichtige Meilensteine in der Entwicklung meßtechnischer Schnittstellen waren die Standardisierung des mittlerweile fest etablierten GPIB vor 20 Jahren, sowie die Einführung des VXI-Busses vor rund 10 Jahren. Mit der Vorstellung des offenen PXI-Standards wurde 1997 ein weiterer Meilenstein gesetzt. PXI stellt eine wegweisende Technologie dar, welche die etablierten PCI- bzw. CompactPCI-Standards mit den wachsenden Anforderungen an meßtechnische Systeme verbindet und die Brücke zwischen der traditionellen PC-Meßtechnik und dem High-End VXI-Bereich schlägt. <BR><BR>Einleitung <BR><BR>Die heutige PC-basierte Meß- und Prüftechnik wird in zunehmenden Maße von den zugrundeliegenden Bus- und Betriebssystemen der PC-Technologie geprägt. Auf der Seite der Bussysteme im Desktopbereich ist der stetig wachsenden Anteil des plattformübergreifenden PCI-Busses (Peripheral Component Interconnect) nicht zu übersehen. Die Gründe hierfür liegen auf der Hand: PCI bietet eine hohe Performance mit einem Bustakt von 33 MHz und somit 132 MByte/s theoretische Durchsatzrate bei einer Busbreite von 32 Bit und 264 MByte/s bei einer Busbreite von 64 Bit. Der PCI-Bus verfügt im Gegensatz zum ISA-Bus über die Möglichkeit, Interrupts mit anderen Komponenten zu teilen, wodurch die Systemressourcen besser genutzt werden können. Mittels einer PCI-PCI Bridge kann theoretisch eine maximale Anzahl von 256 Einsteckplätzen erreicht werden. Dabei ist PCI für den Großteil aller Plattformen bzw. Rechnerarchitekturen Standard.<BR>Desweiteren gewinnt die industrielle Variante des PCI-Busses, der sogenannte CompactPCI, immer mehr an Popularität. Wegen der speziellen Anforderungen im industriellen Bereich, wie z.B. erweiterter Temperaturbereich, Schock-/Vibrationsfestigkeit und hohe Verfügbarkeit, langfristige Lieferbarkeit, hat sich nach anfänglichen Rivalitäten zwischen IPCI und CompactPCI das letztere als Standard durchgesetzt. CompactPCI erweitert die aktuelle PCI-Spezifikation (PCI Local Bus Specification, Rev. 2.1) hinsichtlich eines einheitlichen Formfaktors, Steckers und weiterer mechanischer und elektrischer Eigenschaften, die den Anforderungen in der Industrie Rechnung tragen. Der definierte Formfaktor basiert auf den Europakartenformaten 3U (100 mm auf 160 mm) und 6U (233,35 mm auf 160 mm), wobei der 3 U-Formfaktor die volle Bus-Bandbreite von 64 Bit unterstützt. Die Verbindung mit der Daten-Backplane erfolgt über einen genormten Stecker auf den einzelnen 3 U- bzw. 6 U- Modulen.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Mechanische Eigenschaften<BR>PXI bietet mechanische Eigenschaften, die speziell auf die Umgebungsbedingungen in der Industrie zugeschnitten sind und sich einfach integrieren lassen. Die Eurocard-Formate und die leistungsfähigen IEC-Verbindungen, die von den CompactPCI Spezifikationen festgelegt werden, finden bei PXI ebenfalls Einsatz. PXI erweitert diesen Formfaktor noch um spezielle Kühlung und festgelegte Umgebungsbedingungen. Dadurch wird eine duale Interoperabilität zwischen Standard-CompactPCI-Systemen und PXI ermöglicht.<BR><BR><BR>Elektrische Spezifikation<BR>Viele Anwendungen im Bereich der Gerätesteuerung benötigen System-Timing-Fähigkeiten, die nicht in herkömmlichen Bussystemen, wie bespielsweise ISA, PCI, oder CompactPCI, implementiert sind. PXI erfüllt diese Anforderungen durch die Bereitstellung einer System-Referenz-Clock, im Bus integrierten Triggerleitungen, Star-Triggern, wie von VXI-Bus bekannter Local Bus Kommunikation für jeweils zwei benachbarte Module und Synchronisations-Möglichkeiten bei gleichzeitiger Beibehaltung sämtlicher PCI-Vorteile. Zusätzlich erweitert PXI die Anzahl frei verfügbarer Einsteckplätze von in PCI-Systemen üblichen 3 auf 7 Steckplätze. Bei Multi-Segment-PXI Systemen ist theoretisch eine Maximalanzahl von 256 Slots möglich.<BR><BR><BR>Aufbau PXI-basierter Systeme<BR>Die Steuerung eines PXI-Systems erfolgt über einen System-Controller, der Takt-, Konfigurations-, und Triggersignale bestimmt. Dieser System-Controller befindet sich ganz links im sogenannten System Slot des PXI-Chassis (Slot 1). Dem Slot 1 schließen sich 7 weitere Peripheral Slots an, in denen die unterschiedlichsten Einsteckmodule Platz finden. Optional kann in den Slot 2 ein Star Trigger Controller installiert werden, der für äußerst präzises Triggern aller im System vorhandenen Module verantwortlich sein kann. Ein wichtiges Merkmal ist die Interoperabilität eines PXI-Systems mit Standard CompactPCI-Modulen, auch wenn diese nicht über die PXI-spezifischen Erweiterungen verfügen. Beispielsweise kann ein CompactPCI Netzwerk Interface in einem PXI-System ohne weiteres verwendet werden. <BR><BR>Kaskadierung von PXI Systemen<BR>Bei vielen Mess- und Automatisierungsanwendungen besteht die Notwendigkeit, viele Kanäle mit hoher Performance zu erfassen. Die MXI 3 Technologie macht es möglich, CompactPCI- oder PXI-Chassis transparent an einen Standard-PC anzukoppeln oder mehrere CompactPCI/PXI Chassis miteinander zu kaskadieren. Die MXI-3 Technologie berücksichtigt dabei nicht nur Anforderungen bezüglich Störsicherheit und Highspeed-Link im Gigabit-Bereich, sondern auch die Möglichkeit zum Aufbau verteilter System über große Distanzen. <BR>Grundsätzlich benötigt man pro MXI-3 Verbindung 2 MXI-3 Controller. Hierbei fungiert ein im PC oder CompactPCI/PXI-Computer installierter Controller als Master für den in einem zweiten CompactPCI/PXI-Computer im Slot 1 installierten Controller. Bei der Inbetriebnahme eines mit Hilfe von MXI-3 erweiterten Computersystems sind weder zusätzliche Software noch spezielle Einstellungen notwendig. MXI-3 wird vom bestehenden PCI-Bus sofort erkannt und transparent um die zusätzlich installierten CompactPCI/PXI-Karten erweitert. Die Verbindung zwischen 2 MXI-3 Controllern kann sowohl mit normalen Kupferleitungen als auch mittels Glasfaserleitungen erfolgen. Diese mobile Verbindungsweise von Master- und Slavecontrollern ermöglicht die Erstellung von dezentralen I/O-Systemen, wobei zwei CompactPCI/PXI-Chassis ohne zusätzliche Vorkehrungen bis zu 200 m voneinander entfernt sein können. Somit ist der Anwender in der Lage, flexible, verteilte Datenerfassungs- und Steuerungssysteme auf der Basis von CompactPCI/PXI-Technologie zu erstellen. <BR><BR><BR>Applikationen im Bereich Motorensteuerung (Motion Control)<BR>Mit Einsatz dieser zukunftsweisenden Technologien, der Modularität, Offenheit und der Verfügbarkeit einer Vielzahl von Einsteckkarten können mit einem Rechnersystem auf Basis der CompactPCI- bzw. PXI-Spezifikation die verschiedensten Applikationen in der Meß- und Automatisierungstechnik einfach und kostengünstig realisiert werden. Computerbasierte Instrumente wie z.B. Digitale Multimeter, Oszilloskope, Serielle Datenanalysatoren, Arbitrary Waveform Generator oder Dynamische Signalanalysatoren als CompactPCI-Karten finden hauptsächlich in Meß- und Prüftechnikapplikationen ihren Einsatz. Die Möglichkeit, sehr viele CompactPCI- oder PXI-Einsteckkarten aus den verschiedensten Bereichen in einem System zu betreiben, bietet dem Anwender weitere Einsatzgebiete wie z.B. die Verbindung mehrerer Multifunktionskarten mit Motorensteuerungs-, Feldbus- oder Bilderfassungskarten in einem Chassis.<BR>Immer mehr Anwendungen der Meß- und Automatisierungstechnik beinhalten Motoren-steuerungen für Servo- oder Schrittmotoren. Motorensteuerungsanwendungen haben die Aufgabe, innerhalb vorgegebener Zeiten Maschinen- oder Werkzeugteile längs bestimmter Bahnen zu bewegen und in ihre Endlage zu positionieren. Beispielanwendungen sind Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Leiterplattenbestückungshilfen, Antriebe für Klappen, Ventile und Düsen, X-Y-j-Tische oder in der Medizin- und Labortechnik zur Steuerung von Infusionspumpen, Dosierpumpen, Atemstrommesser, Blutprobenanalysatoren und Dialysegeräte.<BR>Die Firma National Instruments bietet CompactPCI-Einsteckkarten zur Ansteuerung von DC-Servo-, AC-Servo- und Schrittmotoren in den verschiedensten Ausführungen. Das Produktangebot teilt sich in ValueMotion-Einsteckkarten und FlexMotion-Einsteckkarten mit erweiterter Performance durch ein Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem in Verbindung mit einem optimierten DSP (Digitalen Signalprozessor) zur intelligenten Antriebsregelung.<BR>Beide Einsteckkarten können zur Bahnsteuerung (Trajectory Control) verwendet werden. Bahnsteuerungen dienen allgemein dazu, bei einem mehrachsigen Antriebssystem Steuergrößen so vorzugeben, daß das Führen z.B. eines Werkzeugs oder Werkstücks längs einer Bahnkontur ermöglicht wird.<BR>Im Folgenden wird der Einsatz von Schrittmotoren und einer ValueMotion-CompactPCI-Einsteckkarte und die Programmierung mit LabVIEW bzw. BridgeVIEW beschrieben.<BR>Der Schrittmotor hat sich im Bereich der Kleinantriebe zu einem der wichtigsten Antriebsele-mente entwickelt. Das liegt an seiner leichten Steuerbarkeit durch digitale Signale. Der Schrittmotor wird vor allem bei einfachen Positionieraufgaben gern eingesetzt.<BR>Ein Schrittmotor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Schrittmotors (stepping motor) in der Lage ist, ganz bestimmte definierte Winkelschritte mit dem Schrittwinkel a (in der Praxis meist a = 1,8°) auszuführen. Das bedeutet, daß jede Umdrehung in eine bestimmte Zahl von Schritten aufgelöst wird. Der Schrittwinkel a ist der Winkel, um den sich die Welle des Schrittmotors beim Anlegen eines Impulses am Takteingang des Schrittantriebes dreht.<BR>Zur Realisierung einer Schrittmotorsteuerung werden ein Schrittmotor, die dazu passende Verstärkereinheit (Driver) und eine ValueMotion-Controller-Karte, die die grundlegenden Parameter wie Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung vorgibt, benötigt.<BR>Zur Inbetriebnahme steht eine Konfigurationssoftware (PC-Runner) zur Verfügung, mit der die Karte konfiguriert und das ganze Antriebssystem vorab getestet werden kann. Neben einer 32-Bit DLL (Dynamik Link Library) für Entwicklungsumgebungen wie LabWindows/ CVI, Microsoft Visual C oder Borland C steht für LabVIEW und BridgeVIEW eine Softwarebibliothek zur Verfügung, mit der eine rasche Applikationserstellung (Rapid-Prototyping) gewährleistet wird. <BR><BR>Abbildung 2 zeigt ein LabVIEW-Bedienfenster (links) und das Steuerprogramm (rechts) einer PC-basierten Schrittmotorsteuerung. Das LabVIEW Steuerprogramm beginnt mit einer Initialisierung der Schrittmotorenkarte. Hier werden z.B. die digitalen I/Os (Endschalter usw.) vorkonfiguriert. Anschließend werden bei der ValueMotion-Karte Parameter wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Beschleunigungsfaktor und Zielposition auf die Karte geladen und mit einem Start-Befehl gestartet. Die selbsterklärenden Funktionssymbole gewährleisten dabei sowohl eine schnelle Programmerstellung als auch kurze Einarbeitungszeiten.<BR><BR>Ausblick<BR><BR>Die PC-Technologie hält immer mehr Einzug in Meß- und Prüfanwendungen. Die offene PXI-Spezifikation wurde mit dem Ziel konzipiert, die Leistungsfähigkeit des PCI-bzw. CompactPCIs auch für den Einsatz im Bereich der Meßtechnik zur Verfügung zu stellen. <BR>Der PXI-Spezifikation steht eine große Zukunft bevor - bereits heute unterstützen über 40 Unternehmen mit darauf abgestimmten Produkten die PXI-Spezifikation, die erst im September 1997 veröffentlicht wurde. <BR></TD>
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<P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:54 Uhr aktualisiert</I></P>
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