Datensteuerung und Datenerfassung PCIe-Karten

Entwicklung einer neuen Familie von universellen PCIe/PXIe-Messkarten

Consilia wurde gebeten, das bestehende Portfolio an analogen und digitalen Streaming-Karten für die Datenerfassung um neue Karten zu ergänzen.

Die neuen Karten ersetzten die alte Familie, die veraltete Komponenten verwendete. Ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung war die Erstellung eines neuen Treibers für Windows, der die Karten mit den bestehenden APIs und GUI-Anwendungen kompatibel machen sollte.

Hardware-Redesign wird von neuen Windows-Treibern unterstützt

Das Projekt begann mit einer kleinen Anfrage zur Neugestaltung einer Karte. Die Aufgabe bestand darin, eine robuste Lösung für eine neue Karte zu entwickeln, die veraltete Komponenten und überholte Treiber ersetzen sollte.

Mit der Auslieferung des ersten Prototyps erweiterte sich der Umfang auf die Neugestaltung mehrerer Karten der Familie.

Nach einer eingehenden Analyse kam man zu dem Schluss, dass es klüger wäre, eine neue Familie von universellen digitalen Karten zu schaffen.

Verschiedene Bestückungsoptionen, zusammen mit maßgeschneiderter FPGA-Firmware, ermöglichten die Entwicklung einer Familie von 5 digitalen Karten. Die Karten ermöglichen eine Datenabtastung am 32-Bit-Eingangsport mit 66 MSPS (Mega-Samples pro Sekunde) und die Erzeugung eines beliebigen Ausgangsmusters am 32-Bit-Ausgangsport mit der gleichen Abtastgeschwindigkeit von 66 MSPS.

Nach der Entwicklung einer Familie digitaler Karten wurde der Anwendungsbereich noch einmal erweitert, um eine Familie analoger Karten zu schaffen.

Diese Datenerfassungskarten verwenden 16/18-Bit-ADCs, die es dem Prüfsystem ermöglichen, Daten von 32 gemultiplexten Kanälen abzutasten. Gleichzeitig können die Karten 4 unabhängige analoge Signale von vier 16-Bit-DACs erzeugen.

Die fortschrittlichste Version ermöglicht die Steuerung von Hochstromausgängen bis zu 3A unter Beibehaltung der galvanischen Trennung zwischen der analogen und digitalen Domäne.

Die Treiber für die Karten werden im Windows WDK entwickelt.

Die Treiber für alle neuen, von Consilia entwickelten Karten sind in einem Paket zusammengefasst. Dieser Ansatz erleichtert die Wartung des Codes und das Hinzufügen neuer Produkte und trägt gleichzeitig dazu bei, dass die neue Familie abwärtskompatibel mit den alten Tools bleibt.

Das gesamte Produktportfolio wird in der EU entwickelt und montiert.

Unterstützung für ein umfangreiches und universelles Test-Ökosystem

Die bestehende Familie von Datenerfassungs- und digitalen Kontrollkarten ist bei den Kunden sehr beliebt. Es gibt ein umfangreiches Ökosystem, das um diese Karten herum aufgebaut wurde. Einige der Kunden kommen aus dem Automobilsegment.

Die neuen Karten sind eine Win-Win-Lösung für den Hersteller und die Endkunden.

Das liegt daran, dass die für sie entwickelte API von allen führenden Programmiersprachen wie C/C++, C# oder Visual Basic (.NET) unterstützt wird. Auch LabVIEW unterstützt die APIs. Das macht die Karten sehr praktisch, wenn bereits ein bestehendes Messsystem im Einsatz ist.

Jede Karte wird durch ein intern entwickeltes, Windows 10-kompatibles GUI-System unterstützt, das eine einfache Bewertung der Leistung einer Karte vor dem Kauf ermöglicht.

Durch die Entwicklung einer neuen Kartenfamilie ist es Consilia gelungen, die bestehenden Systeme zu erhalten und durch neue Funktionen zu erweitern. Die von Consilia entwickelten Karten sind eine Win-Win-Lösung für den Hersteller und die Endkunden.

Durch die Integration mehrerer Karten in eine universelle Karte muss der Hersteller weniger SKUs verwalten. Die Endkunden profitieren von den Karten, die mit der vorherigen Familie kompatibel sind (Pin-to-Pin). Gleichzeitig erhielten sie Funktionen wie High-Speed-Streaming, die in den Vorgängermodellen nicht verfügbar waren.

Die Treiber sind kompatibel mit Windows 10 und vorbereitet für Windows 11.

Der größte Vorteil liegt jedoch in der Software verborgen. Die Treiber für die neue Familie sind von Microsoft digital signiert. Die digital signierten Treiber sind für Windows x64-basierte Systeme erforderlich, sodass die Treiber mit Windows 10 kompatibel und für Windows 11 vorbereitet sind.

Ein weiterer Vorteil unserer Lösung ist die Möglichkeit, neue Funktionen hinzuzufügen, ohne dass die Hardware geändert werden muss.

Zwei PCI/PCIe-Brücken und ein FPGA der alten Karten wurden durch ein FPGA mit PCIe-Peripherie ersetzt. Während das FPGA die Funktionalität der vorherigen Karten beibehält, bietet es dennoch Platz für neue Funktionen.

Der Datendurchsatz auf dem PCIe-Bus kann um ein Vielfaches erhöht werden, ohne dass dies Auswirkungen auf den Preis hat.

Diese Eigenschaft macht die Karte zu einer ausgezeichneten Lösung für Hochgeschwindigkeitsdaten-Streaming-Analysatoren oder komplexe zeitempfindliche Kontrollsysteme.

Eine Leiterplatte für mehrere Montagevarianten

Die gesamte Produktlinie ist als optoisolierte E/A-Karten ausgeführt. Der Leiterplattenaufbau besteht aus einer 8-Lagen-Struktur, und die Onboard-Signale reichen bis zu 5GHz. Jede Leiterplatte ist mit typischerweise eintausend Komponenten bestückt.

Da die Leiterplatten in der Regel vom Endverbraucher installiert werden, galten strenge optische Anforderungen, einschließlich bestimmter Markenfarben.

Aus der Sicht des Ingenieurs sind die wichtigsten Parameter z.B. eine Auflösung von 16 oder 18 Bit, eine programmierbare Verstärkung, eine Abtastrate von bis zu 2 MHz, eine E/A-Schnittstelle mit 32 Kanälen und eine Sample & Hold-Funktionalität.

Führender europäischer Hersteller von zuverlässigen Messgeräten

Die breite Produktpalette bietet auch klassische PC-Messkarten, die das Unternehmen seit über 30 Jahren entwickelt.