ÉRZÉKELŐK MUNKA KÖZBEN: TESZT ÉS MÉRÉS Tervezési megfontolások az elosztott tesztelő rendszerekkel kapcsolatban A tesztelő rendszer beállításánál különösen ügyelni kell a mérés funkcionalitására, az eszköz és a busz kapacitására, valamint a szoftverre. Hasonlóan ahhoz, ahogy az otthoni számítógépekkel is egyre nagyobb teljesítményt lehet elérni az elosztott rendszerekkel, sokan készítenek hasonló elveken alapuló tesztelő rendszereket is. Sok esetben a tesztrendszerek fizikai felépítése csak az elosztott rendszerek segítségével lehetséges. Ilyenek például a több helység között szétosztott eszközök, vagy a korlátozott térbeli kiterjedés, mint például a gépjárműveken belüli tesztek. Ezek a rendszerek emellett a megnövekedett feldolgozási képesség és a nagyobb I/O-sávszélesség előnyeit is élvezik. Az elosztott rendszerek sikeres felépítéséhez három tényezőt kell átgondolni: a szükséges mérési funkciókat, az eszköz buszrendszerének a kapacitását valamint a használt szoftvert. A műszer kiválasztása A műszer kiválasztása során először meg kell győződni arról, hogy az a megkövetelt pontosságnak, mintavételezési sebességnek, frekvenciának, dinamika tartománynak stb. megfelel. Az önálló rendszerek csak a gyártó által meghatározott funkciókat ismerik. A moduláris műszereket tartalmazó rendszerek a szoftveres feldolgozás előnyeit használják a moduláris hardver által nyújtott adatokon alapuló további mérésekhez. A szoftver alapú megközelítés nagyobb rugalmasságot biztosít, mint egy adott gyártó által meghatározott eszköz, mivel ez számítógépes technológián alapul, valamint jóval nagyobb sebességgel és képességekkel rendelkezik. A műszer buszrendszere A követelményeknek megfelelő elosztottságot, elrendezést, valamint teljesítményt a műszer buszrendszere biztosítja.
Elosztott rendszerek tervezésekor sokan először az elosztás szükségleteire gondolnak - a fizikai követelményekre, a távoli elérési helyekre és a kapcsolódásokra. Tegyük fel például, hogy a tesztalkalmazásnak robusztusnak kell lennie, és egy adott fizikai méreten belül kell elhelyezkednie. Ennek érdekében elosztott rendszerben kell elhelyezni. Járműbe épített tesztrendszerként például egy külső számítógépről vezérelt PXI vagy CompactDAQ rendszert érdemes használni. Így ez az alkotórész a járműben lehet, a többi pedig a számítógép vezérlőjéhez van csatlakoztatva. Más alkalmazások esetében arra lehet szükség, hogy az alkotóelemek különböző helyeken legyenek szétosztva, miközben az általuk szolgáltatott adatokat egymásnak folyamatosan meg kell feleltetni, illetve szinkronizálni kell. Elosztott rendszert igényel például az a tesztelrendezés, amely arra szolgál, hogy a hajtómű által keltett zajokat térképezze fel, mialatt a repülő egy terület felett elhalad. Ezt olyan, külső vezérlésű PXI-rendszerekből felépített tesztalkalmazással lehet megvalósítani, amely egy központi számítógép által van vezérelve és folyamatosan szinkronizálva. Távoli rendszerek vezérléséhez a megbízhatóság és az egyszerű használat szempontjai szerint ki kell választania egy programozási módot a rendelkezésre álló kapcsolódási lehetőségekből. A helyi rendszer kialakításakor, amely a vezérlés tesztelésére, az eredmények megtekintésére és a távoli gépek adatainak naplózására szolgál, meg kell határozni, hogy melyik az elvárásoknak legjobban megfelelő szabvány. Az NI LabVIEW például számos szabványt támogat, ideértve a TCP/IP-t és a HTTP-t, valamint a távoli elérést, amely lehetővé teszi, hogy a programot egy webböngészőn keresztül irányítsák. A műszer buszrendszerének a fizikai korlátai, a különböző helyek közötti szinkronizáció és a távoli elérés az elosztott rendszer tervezésének mind fontos tényezői lehetnek. A lokalitás a műszer alkotóelemeinek fizikai elhelyezésére utal, és olyan szempontok határozzák meg, mint a vezérlőciklus gyakorisága, a szinkronizáció és az adatátvitel. Legyen például a vezérlőrendszer fő komponense az, hogy milyen gyakorisággal tud egy adatgyűjtésből, feldolgozásból, és - válaszként - jelkibocsátásból álló ciklust végrehajtani. Bár a processzor és a végrehajtható utasítások száma korlátozott, a hardveres időzítés és triggerelés módosításával mégis fokozni lehet a ciklus végrehajtási idejét. Emellett számos alkalmazás a mért jelek megfelelő viszonyításához hardveres szinkronizációt igényel. A legtöbb alkalmazás számára az óra értékelcsúszása és indításkor létrejött latencia ideje miatt a szoftveres szinkronizálás nem nyújt megfelelő pontosságot. A hardveres szinkronizálás esetében azonban a jelek akár a nanoszekundumos tartományon belüli szinkronizálását is lehetővé teszik. A kritikus hardverszinkronizációs szolgáltatás magában foglalja egy olyan referencia órajel használatát, amely minden külső eszközt és trigger vonalat szinkronizál a párhuzamos eseményvezérlés végrehajtása érdekében. A trigger jelek létfontosságúak az esemény-szinkronizálásban, például két eszköz egyidejű
elindítása során, vagy olyan aszinkron eseményeknél, mint a handshaking vagy a szekvenciális események létrehozzása. Másik fontos és megfontolandó szempont a busz adatátviteli képessége. A nagy adatátviteli képesség létfontosságú az olyan alkalmazásoknál, amelyek nagy tömegben küldenek vagy fogadnak adatokat. Ezen igények kielégítésének a lehetősége nagymértékben a busz képességeitől függ. A műszer buszrendszere a teljesítményt is befolyásolja. Két busz teljesítménye úgy hasonlítható össze, ha a latenciaidőt és a sávszélességet összevetjük. A latencia ideje a buszon átvitt adat késleltetését jelenti, a sávszélesség pedig a buszon átáramló adatok mennyiségét adja meg, jellemzően megabájt per szekundum formában. A latenciaidő közvetlen hatással van az alkalmazásokra (például a digitális multiméter méréseire, a kapcsolásra vagy a műszer beállítására, valamint a szinkronizálás pontosságára). A nagyobb sávszélességű busz az olyan alkalmazások számára fontos, amelyek valamely hullámformát fogadnak vagy generálnak. Az 1. ábra (xx. oldal) különböző kiépítettségű buszok latenciaidejét és sávszélességét hasonlítja össze. Számos buszrendszer áll rendelkezésre és mindnek megvan a maga erőssége. Az USB kedvelt kommunikációs busszá vált az önálló műszereknél, mivel a számítógépeken messzemenően elterjedt, és támogatja a plug-and-play technológiát. Így az USB-alapú eszközöket gyorsan lehet csatlakoztatni és konfigurálni. A könnyű csatlakoztathatóság mellett az USB 2.0-t használva akár 480 Mbps-os sebesség is elérhető. Az egyre jobban növekvő számú USB-alapú műszerekhez csatlakozik a National Instruments CompactDAQ USB-s adatgyűjtő rendszere is (oldalsó szövegrész, CompactDAQ, xx. oldal), amely kihasználja a nagysebességű USB-adatátvitelt, a moduláris felépítést valamint a rugalmas szoftver előnyeit, ezáltal széleskörű I/O lehetőségeket biztosító gyors és pontos rendszert képezve. A tesztrendszerekben már évek óta használt LAN egy régebbi technológiát képvisel. Mivel nagyobb távolságok áthidalására képes, így a LAN ideális megoldás nagyobb térben elhelyezkedő elosztott rendszereknél, vagy távoli monitorozásra. Az új generációs LAN-eszközök nagyobb sávszélességgel rendelkeznek, ám a latenciaidő csak mérsékelten emelkedik. Emiatt a LAN továbbra is a legmegfelelőbb lesz a kisebb adatátvitelt igénylő alkalmazásoknál, mint például az alacsony sebességű elosztott rendszerek adatainak naplózása vagy a hagyományos vezérlések esetén. A PCI buszt számos tulajdonsága a korábbi buszrendszerek fölé emeli. Ilyen például a kis latenciaideje, vagy a 132 Mbps-os sávszélessége. A PXI a PCI-busz szolgáltatásait az egyszerű, moduláris megoldással
és speciális szinkronizációs szolgáltatásokkal ötvözve nagy teljesítményű, mégis olcsó platformot képez. A PXI 10 MHz-es referencia órajelet, 8-vonalas trigger buszt és start trigger vonalakat tartalmaz, amelyek segítségével a modulok közötti 1 ns alatti elcsúszással rendelkező dedikált trigger vonalakat biztosít. A nagy sávszélességet igénylő alkalmazások számára kifejlesztett PCI-Express a PCI-nek azzal teljesen kompatibilis, továbbfejlesztett változata. A PCI-Express az alapvető kommunikációra mindkét irányban 250 Mbps - 4 Gbps-os sávszélességet tesz elérhetővé, és az osztott sávszélességű PCI-vel ellentétben minden vonalnak teljes sávszélességet biztosít. A PXI beleépül a PCI Express hátlapba. Az így kialakult PXI-Express a PXI-platformokban ezzel akár 132 Mbps - 6 Gbps-os sávszélességet is biztosítani képes, így akár 45 x sebességnövekedés mellett is megtartva a szoftveres és hardveres kompatibilitást a korábbi PXI-modulokkal. Ez a megnövekedett teljesítmény az új alkalmazások korszakát nyitja meg - többségük korábban csak kifejezetten erre a célra épített, drága eszközökkel volt elérhető. Integrált szoftveres keretrendszer A sokféle buszból és a hozzájuk kapcsolódó lehetőségekből kifolyólag elsődleges fontosságú egy olyan keretrendszer alkalmazása, amely az elvárásoknak megfelelő eszközöket kombinálja és alkalmazás fejlesztői környezetté fogja össze. A PXI-alapú elosztott rendszerhez, CompactDAQ-hoz és különálló eszközökhöz a LabVIEW és a Measurement & Automation Explorer (MAX) alkalmazást használó szoftveres keretrendszert alkalmazzuk. A rendszer a különálló eszközöket speciális feladatokra alkalmazza, a CompactDAQ részegységet használja az adatfogadásra, amíg a PXI-rendszer a nagy teljesítményű dinamikus jelfogadásra és a teljes rendszer vezérlésére szolgál. Az integrált keretrendszer nélkül ezeket a buszokat nehéz lenne egy rendszerben egybeépíteni. A keretrendszer első rétege, a mérési és vezérlési alkalmazási réteg, számos busztechnológiát támogat a konfigurációkezelő, a hardvermeghajtó és a rugalmas, magas szintű API segítségével. A 2. ábrán (xx. oldal) látható, hogy a MAX milyen kezelőfelületet biztosít az eszközök (PXI, CompactDAQ és LAN) megtekintésére és konfigurálására, valamint a csatornák, taszkok és felületek létrehozására és módosítására. A MAX emellett rendszer-diagnosztikai eszközöket is biztosít a hardver-, illetve szoftvereredetű hibák elkülönítésére. Itt, ahol egy műszer-driver önmagában nem lenne elegendő, a drivernek nagy teljesítményt, rugalmas programozhatóságot, konzisztens és skálázható API-t, és közvetlen ADEintegrációt kellene biztosítania. Így a szoftveres vezérlés az ADE részeként jelenik meg. A keretrendszer második rétege az ADE, amely a mérési és vezérlési rétegre van befolyással, emellett az elosztott alkalmazások számára könnyű használatot, skálázhatóságot, rugalmas programozhatóságot és
különféle eszközöket biztosít. A 3. ábra (xx. oldal) azt mutatja be, hogy a LabVIEW hogyan épül fel a MAX beállításai alapján és hogy az interaktív eszközök, a kódgenerálás, valamint az összes hardveres mérőeszközhöz való kapcsolódás lehetőségének segítségével hogyan biztosít gyors fejlesztőeszközt az osztott alkalmazások számára. Ezen kívül a az alacsony szintű TCP/IP programozó API-któl kezdve a magas szintű alkalmazásokig, mint például a külső számítógéppel való összekapcsolás, a fejlesztőeszközök széles skáláját nyújtja. Az elosztott rendszert az integrált keretrendszer középpontjába állítva megfelelő rugalmasságot érhet el ahhoz, hogy a különféle buszrendszereket egy hibrid rendszerbe integrálhassa. A szoftveres keretrendszer alkalmazása, minden egyes buszrendszer erősségét kihasználva, szabad kezet ad abban, hogy a funkcionalitás, teljesítmény, elosztottság és elhelyezés megfeleljen a követelményeknek. A keretrendszer a műszer konfigurálására és tesztelésére integrált környezetet biztosít, valamint gyors fejlesztőeszközt nyújt az osztott alkalmazások megtervezéséhez. Faya Peng, [BSEE] National Instruments, Austin, TX National Instruments Hungary Kft. H-2040 Budaörs, Puskás Tivadar utca 14. 1. emelet Telefon: 06 23 448 900, Fax: 06 23 501 589 E-mail: ni.hungary@ni.com Web: hungary.ni.com