Ein Überblick über die PXI-Plattform

Das PXI-Chassis ist das Herzstück eines PXI-Systems und vergleichbar mit dem mechanischen Gehäuse und der Hauptplatine eines Desktop-PCs. Es sorgt für Stromversorgung und Kühlung, stellt einen Kommunikationsbus für das System bereit und unterstützt mehrere Messmodule innerhalb desselben Gehäuses. PXI setzt auf die kommerzielle PC-basierte PCI- und PCI-Express-Bus-Technologie und kombiniert das robuste modulare CompactPCI-Gehäuse mit wichtigen Timing- und Synchronisierungsfunktionen. Die Größe der Chassis reicht von 4 bis 18 Steckplätzen, sodass jeder Anwendung Rechnung getragen werden kann, ganz gleich, ob es sich um ein tragbares, tisch- oder rackmontiertes oder eingebettetes System handelt.

^{Abbildung 3: NI PXI-Chassis variieren in der Größe von vier bis 18 Steckplätzen.}

Kommunikation über PCI und PCI Express

Der PCI-Bus hat sich Mitte der 1990er Jahre als paralleler Bus mit einem theoretischen Maximum von 132 MB/s geteilter Bandbreite als Standard-Computerbus durchgesetzt. PCI Express wurde 2003 als eine Weiterentwicklung des PCI-Standards eingeführt. Der neue Standard ersetzte den für PCI verwendeten geteilten Bus (Shared Bus) durch einen gemeinsam genutzten Switch, der jedem Gerät einen eigenen direkten Zugriff auf den Bus ermöglicht.

Im Gegensatz zu PCI, bei dem die Bandbreite auf alle Geräte am Bus aufgeteilt wird, stellt PCI Express jedem Gerät eine eigene dedizierte Datenpipeline zur Verfügung. Daten werden seriell und in Form von Paketen über Sende- und Empfangspaare, die Lanes genannt werden, verschickt. Diese ermöglichen eine Bandbreite von 250 MB/s je Richtung und Lane für PCI Express 1.0. Seit der Einführung von PCI Express wurde der Standard weiterentwickelt, um schnellere Datenraten bei gleichzeitiger Gewährleistung der Rückwärtskompatibilität zu ermöglichen. PCI Express 2.0 verdoppelt die theoretische Bandbreite pro Lane auf 500 MB/s pro Richtung, und PCI Express 3.0 verdoppelt diese noch einmal auf 1 GB/s pro Richtung und Lane. Mehrere Lanes können auch zu Lane-Breiten von x2 („by two“, je zwei), x4, x8, x12 und x16 zusammengefasst werden, um die Bandbreitenkapazität weiter zu erhöhen.

^{Abbildung 4: PCI Express bietet einen hohen Datendurchsatz und einen Bus mit geringer Kommunikationslatenz und ist damit ideal für Test- und Messanwendungen geeignet.}

Entsprechend ist der PXI-Express-Standard aus dem PXI-Standard hervorgegangen, um die Integration des PCI-Express-Bus sicherzustellen. Durch die erhöhte Bandbreite kann PXI Express noch mehr Anwendungsanforderungen erfüllen, wie z. B. Datenstreaming von Hochgeschwindigkeitsdigitalisierern auf Festplatten, digitale Hochgeschwindigkeitsprotokollanalyse und Messsysteme mit großer Kanalanzahl für strukturelle und akustische Tests.

Durch die Integration von PCI Express in die PXI-Express-Backplane und der gleichzeitigen Wahrung der Kompatibilität mit PXI-Modulen profitieren Anwender von einer erhöhten Bandbreite bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Rückwärtskompatibilität mit älteren PXI-Systemen. PXI Express spezifiziert hybride PXI-Express-Steckplätze, die Signale sowohl für PCI als auch für PCI Express bereitstellen. Mit den elektrischen Leitungen von PCI Express, die den Slot-Controller des Systems mit den hybriden Steckplätzen der Backplane verbinden, sorgt PXI Express für eine Übertragung mit hoher Bandbreite vom Controller zu den Backplane-Steckplätzen. Durch die Verwendung einer PCI-Express-to-PCI-Bridge ermöglicht PXI Express die PCI-Signalübertragung an alle PXI- und PXI-Express-Steckplätze, um die Kompatibilität mit den für den Hybridbetrieb geeigneten PXI-Modulen auf der Backplane sicherzustellen. Dadurch sind diese PXI-Express-Hybrid-Steckplätze rückwärtskompatibel, was bei Platinensteckverbindern für Desktop-PCs, bei denen ein einzelner Steckplatz nicht gleichzeitig PCI- und PCI-Express-Signale unterstützt, nicht möglich ist.

Timing und Synchronisation

Einer der Hauptvorteile eines PXI-Systems besteht im integrierten Timing und der integrierten Synchronisation. Ein PXI-Chassis verfügt über einen dedizierten 10-MHz-Systemreferenztakt sowie einen PXI-Trigger-Bus, Star-Trigger-Bus und einen lokalen Bus zwischen den einzelnen Steckplätzen, sodass hoch entwickelte Timing- und Synchronisationsfunktionen genutzt werden können. Bei diesen Timing-Signalen handelt es sich um dedizierte Signale in Ergänzung zur Kommunikationsarchitektur. Der 10-MHz-Takt innerhalb des Chassis kann exportiert oder durch eine höhere Stabilitätsreferenz ersetzt werden. Dies ermöglicht die gemeinsame Nutzung des 10-MHz-Referenztakts durch mehrere Chassis und andere Instrumente, die in der Lage sind, eine 10-MHz-Referenz zu handhaben. Durch die gemeinsame Nutzung dieser 10-MHz-Referenz können Taktsignale mit höherer Abtastrate durch die PLL-Funktion (Phase-Lock-Loop) mit der stabilen Referenz phasengekoppelt werden, wodurch die Synchronisierung der Abtastwerte mehrerer PXI-Instrumente verbessert wird. Zusätzlich zum Referenztakt stellt PXI acht TTL-Leitungen (Transistor-Transistor-Logik) als Triggerbus zur Verfügung. Dadurch kann jedes Modul im System einen Trigger setzen, der von jedem anderen Modul aus einsehbar ist. Der lokale Bus bietet schließlich die Möglichkeit, eine dedizierte Kommunikation zwischen benachbarten Modulen aufzubauen. 

Ausgehend von PXI-Funktionen bietet PXI Express auch einen differenziellen 100-MHz-Systemtakt sowie differenzielle Signalübertragung und Star-Trigger. Aufgrund der differenziellen Taktung und Synchronisation ziehen PXI-Express-Systeme einen Vorteil aus der erhöhten Rauschimmunität und der Möglichkeit, auf höheren Frequenzen zu übertragen. PXI-Express-Chassis bieten diese erweiterten Timing- und Synchronisationsfunktionen zusätzlich zu allen bei PXI standardmäßig bereitgestellten Timing- und Synchronisationsfähigkeiten.

^{Abbildung 5: Die Timing- und Synchronisierungsfunktionen von PXI- und PXI-Express-Chassis sorgen für die beste Integration von Instrumentierung und E/A-Modulen in dieser Klasse.}

PXI und PXI Express können neben signalbasierten Methoden der Synchronisation auch viele Methoden nutzen, die absolute Zeit verwenden. Eine Reihe von Quellen wie GPS, IEEE 1588 oder IRIG können über ein zusätzliches Timing-Modul eine absolute Zeit bereitstellen. Diese Protokolle übertragen Zeitangaben in einem Paket, so dass bei Systemen eine Korrelation ihrer Zeit möglich wird. PXI-Systeme wurden bereits über große Entfernungen hinweg eingesetzt, ohne gemeinsame physikalische Takte oder Trigger zu nutzen. Stattdessen vertrauen sie auf Informationsquellen wie GPS, um ihre Messungen zu synchronisieren.

Stromversorgung und Kühlung

Die E/A- und Messmodule, mit denen ein PXI-Chassis bestückt ist, unterscheiden sich in der erforderlichen Leistung. NI-PXI-Express-Chassis bieten mindestens 38,25 W Strom- und Kühlleistung für jeden peripheren Steckplatz; einige Chassis sorgen für eine noch höhere Kühlleistung und können einen einzelnen Steckplatz mit 58 W oder 82 W Kühlleistung versorgen. Diese zusätzliche Leistungsversorgung und Kühlung ermöglicht die volle Ausnutzung der erweiterten Funktionen leistungsstarker Module, wie Digitizer, Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O- sowie RF-Module, in Anwendungen, die kontinuierliche Datenerfassung oder Hochgeschwindigkeitstests erfordern. Die Gesamtleistung des Chassis variiert. Dabei hat es sich immer bewährt, bei der Konfiguration eines neuen Systems ein Leistungsbudget auf Systemebene zu ermitteln.

^{Abbildung 6: In PXIe-1085-Chassis mit 24 GB/s sind leistungsstarke, vor Ort austauschbare Lüfter verbaut.}

Entsprechend der PXI-Hardware-Spezifikation ist der Steckplatz, der sich ganz links außen befindet (Slot 1), bei allen PXI-Chassis für den System-Controller reserviert. Bei den Controllern haben Anwender die Auswahl zwischen dezentralen Controllern, die von einem Desktop-, Workstation-, Server- oder Laptop-Computer aus eingesetzt werden können, sowie leistungsfähigen Embedded-Controllern mit dem Microsoft-Betriebssystem (Windows 7/10) oder einem Echtzeitbetriebssystem (LabVIEW Real-Time).

PXI-Embedded-Controller

Die PXI-Embedded-Controller machen einen externen PC überflüssig und bieten eine leistungsstarke und kompakte Embedded-PC-Lösung für den Einsatz im Chassis eines PXI- oder PXI-Express-basierten Messsystems. Die Embedded-Controller verfügen über erweiterte Temperatur-, Schock- und Vibrationsspezifikationen und weisen Standardmerkmale auf, etwa die neueste integrierte CPU, Festplatte, RAM, Ethernet-, Video-, USB-Anschlüsse und serielle Anschlüsse sowie weitere Peripheriekomponenten. Die Gesamtkosten des Systems werden reduziert, weil diese Peripheriekomponenten auf dem Controller-Frontpanel zur Verfügung stehen und PXI- bzw. PXI-Express-Karten nicht eigens erworben werden müssen, um eine vergleichbare Funktionalität zu erzielen. Der Controller ist mit LabVIEW Real-Time oder Microsoft Windows vorkonfiguriert und wird mit allen vorinstallierten Gerätetreibern geliefert. Die Embedded-Controller verfügen zudem über PLM-Funktionen und eine umfassende Herstellerunterstützung, um die Langlebigkeit von Testsystemen und die Kompatibilität mit dem PXI-Ökosystem zu gewährleisten.

In der Regel bestehen PXI-Embedded-Controller aus Standard-PC-Komponenten in einem kompakten PXI-Paket. Das durch die F&E-Abteilung von NI durchgeführte Performance-Benchmarking kommt auch bei der Entwicklung von Controllern zum Tragen, die für Test- und Messanwendungen optimiert sind, um zu gewährleisten, dass Programmcode und Algorithmen schneller laufen. So verfügt der PXIe-8880-Controller beispielsweise über einen 2,3-GHz-Octa-Core-Prozessor Intel Xeon E5-2618L v3 (maximal 3,4 GHz im Single-Core-Modus, Turbo-Boost-Modus), bis zu 24 GB DDR4-RAM, ein SSD-Laufwerk, zwei Gigabit-Ethernet-Anschlüsse, einen SMB-Trigger und Standardanschlüsse für den PC, wie zwei USB-3.0-Ports, vier USB-2.0-Ports, DisplayPort und GPIB.

NI koppelt die Markteinführungszeiten neuer PXI-basierter Embedded-Controller eng an die Einführung von Computern mit neuen mobilen Embedded-Prozessoren durch führende Computerhersteller wie Dell oder HP. Da NI seit mehr als 15 Jahren PXI-Embedded-Controller herstellt, besteht eine enge Zusammenarbeit mit bedeutenden Herstellern von Prozessoren wie Intel und Advanced Micro Devices (AMD). So ist NI beispielsweise auch ein außerordentliches Mitglied der Intel Embedded Alliance, die Zugriff auf die neuesten Produktpläne und -muster von Intel gewährt.

^{Abbildung 7: Der Embedded-Controller NI PXIe-8880 mit dem Intel E5 Octa-Core-Prozessor eignet sich besonders für leistungsstarke rechenintensive Mess- und Prüfanwendungen mit hohem Durchsatz.}

Neben der Rechenleistung spielt auch die I/O-Bandbreite eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Messsystemen. Da moderne Mess- und Prüfsysteme zunehmend komplexer werden, müssen auch immer mehr Daten zwischen den Messgeräten und dem Systemcontroller ausgetauscht werden. Embedded-Controller von NI erfüllen diese Anforderungen mit der Einführung der Bussysteme PCI Express und PXI Express und bieten inzwischen auf der PXI-Express-Chassis-Backplane eine Systembandbreite von bis zu 24 GB/s.

^{Abbildung 8: NI hat in den letzten 20 Jahren stets die neueste und leistungsfähigste Verarbeitungstechnologie für die PXI-Plattform entwickelt.}

Controller für die Rackmontage

Als zusätzliche Rechen- und Steuerungsoption bietet NI externe 1U-Controller für die Rackmontage an. Sie verfügen über leistungsstarke Multicore-Prozessoren für prozessorintensive Berechnungen und mehrere austauschbare Festplatten, wodurch eine hohe Speicherkapazität und schnelle Datenübertragung zur Festplatte ermöglicht wird. Diese Controller wurden für die Verwendung mit MXI-Express- und MXI-4-Fernbedienungen zur Anbindung an PXI- oder PXI-Express-Chassis entwickelt. In dieser Konfiguration werden die PXI/PXI Express-Geräte im PXI-System als lokale PCI/PCI Express-Geräte im Rack-Mount-Controller aufgeführt.

^{Abbildung 9: Rack-Controller mit MXI-Express- oder MXI-4-Fernbedienungen können zur Steuerung von PXI- oder PXI Express-Chassis verwendet werden.}

Steuerung von PXI-Systemen über den PC

Dank der MXI-Express-Technologie kann mit den PXI-Modulen für die Steuerung über das Netzwerk eine einfache transparente Verbindung zwischen einem Hostrechner, z. B. einem Desktop-PC, und dem PXI-Chassis und den Instrumenten hergestellt werden. Während des Startvorgangs erkennt der Rechner alle Peripheriemodule im PXI-System als lokale PCI-Karten und ermöglicht so die anschließende Interaktion mit diesen Geräten über den Controller. Die PC-Steuerung von PXI-Systemen erfolgt über eine PCI-/PCI-Express-Karte im Computer, die über ein Kupfer- oder Glasfaserkabel mit einem PXI-/PXI-Express-Modul in Slot 1 des PXI-Systems verbunden ist. Kupferkabel haben eine höhere Datendurchsatzrate, sind aber in der Regel kürzer (1 bis 10 Meter). Glasfaserkabel stehen dagegen in viel längeren Ausführungen zur Verfügung (bis zu 100 Meter), haben aber unter Umständen eine niedrigere Datendurchsatzrate. Die meisten PCs sind bereits direkt mit PXI-Fernsteuerungslösungen kompatibel. Darüber hinaus wird die Kompatibilität mit MXI-Express-Geräten durch die MXI-Express Bios-Compatibility-Software von NI auf weitere PCs ausgeweitet.

Laptop-basierte Steuerung von PXI-Systemen

Mit dem Fernsteuerungsmodul PXIe-8301 von National Instruments können Sie ein PXI-Express-System auf die gleiche Weise von einem Laptop aus steuern. Die Laptop-Steuerung von PXI Express besteht aus einem PXI Express-Modul in Slot 1 Ihres Chassis und einem Thunderbolt-3™-Kabel, das an Ihren Laptop angeschlossen wird.

^{Abbildung 10: Fernbedienungsmodule ermöglichen die Desktopsteuerung eines oder mehrerer PXI-Chassis.}

^{Abbildung 11: Das Fernsteuerungsmodul PXIe-8301 ist perfekt für ultra-portable Anwendungen geeignet.}

Multichassis-Konfigurationen

Mit Multichassis-Konfigurationen können zwei oder mehr PXI-Chassis von einem einzigen Master-Controller verwaltet werden. Als vereinheitlichtes System können sich mehrere Chassis die Vorteile durch chassis-übergreifende Synchronisierung, Trennung von Instrumententypen zur Optimierung des Datendurchsatzes und Peer-to-Peer-Übertragungen zwischen Instrumenten in getrennten Chassis zunutze machen.

Die gebräuchlichste Methode zur Bildung eines Systems mit mehreren Chassis ist der sogenannte Daisy-Chain-Modus. Eine Daisy-Chain-Topologie besteht aus einem oder mehreren Slave-Chassis (nachgelagert), die in Reihe mit einem Master-Chassis (vorgelagert) verbunden sind, das über einen PC oder einen eingebetteten PXI-Controller gesteuert wird. Bei Verwendung einer Daisy-Chain-Topologie ist jedes Slave-Chassis für den Hostrechner sichtbar und kann von diesem gesteuert werden.

^{Abbildung 12: Ein PXIe-8364-Host-Schnittstellenmodul wird in einem peripheren Steckplatz des Master-Chassis untergebracht, das einen Embedded-Controller enthält. Ein zusätzliches Chassis wird in Reihe geschaltet, indem die PXIe-8364 mit einer PXIe-8360 im System-Controller-Steckplatz des Slave-Chassis verbunden wird. Mit zusätzlichen Modulen können bis zu acht Chassis in Reihe geschaltet werden.}

Während die oben beschriebene Lösung für den Daisy-Chain-Modus ein zusätzliches Modul in einem peripheren Steckplatz erfordert, enthalten einige PXI-Fernsteuerungsmodule eine integrierte Daisy-Chain-Funktion durch die Aufnahme von zwei Ports – der eine für eine vorgelagerte Verbindung und der andere für eine nachgelagerte Verbindung.

^{Abbildung 13: Ein Desktop-PC mit einem PCIe-8375 wird über ein PXIe-8375-Fernbedienungsmodul mit einem Master-PXI Express-Chassis verbunden. Das PXIe-8375 verfügt über einen zusätzlichen Anschluss für den Daisy-Chain-Modus, für den nur ein zusätzliches PXIe-8375 erforderlich ist. Das letzte nachgelagerte Chassis in diesem System verfügt über einen nicht verwendeten Anschluss.}

Einige Host-Schnittstellenkarten enthalten zwei nachgelagerte Ports, die eine Sterntopologie ermöglichen. Anstatt zwei Slave-Chassis in Reihe zu schalten (Daisy Chain), verbindet die Sterntopologie zwei Slave-Chassis parallel, sodass jedes Chassis direkt mit dem Host und nicht über ein zwischengeschaltetes Chassis kommunizieren kann.

^{Abbildung 14: Die PCIe-8362-Host-Schnittstellenkarte enthält zwei MXI-Express-Anschlüsse, sodass zwei PXI-Express-Chassis über einen Desktop-PC auf Basis der Sterntopologie gesteuert werden können.}

NI bietet mehr als 600 verschiedene PXI-Module an. Da es sich bei PXI um einen offenen Industriestandard handelt, stehen fast 1500 Produkte von mehr als 70 unterschiedlichen Messgeräteanbietern zur Verfügung. Weil PXI direkt mit CompactPCI kompatibel ist, können Sie darüber hinaus jedes 3U-CompactPCI-Modul in einem PXI-System verwenden.

Ein häufiger Irrtum bezüglich des kleinen PXI-Footprints ist, dass die Platzeinsparung auf Kosten der Leistung geht.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die PXI-Plattform diesen Raum nicht durch eine verminderte Leistung, sondern durch den modularen Aufbau des Systems ermöglicht. Jedes traditionelle Stand-alone-Messgerät benötigt einen eigenen Verarbeitungsschaltkreis, ein Display und eine physikalische Schnittstelle. Bei PXI-basierten Systemen werden diese Funktionen von spezifischen Komponenten ausgeführt, auf die das ganze System zurückgreift. Ein PXI-basierter Embedded-Controller ist praktisch eine zentrale Verarbeitungs- und Steuerungseinheit für alle Messgeräte im PXI-Chassis. Durch seine Anbindung an Peripheriegeräte wie Monitor, Tastatur und Maus stellt er auch eine Schnittstelle zum Bediener dar.

^{Abbildung 15: NI bietet über 600 verschiedene PXI-Module an.}

Software, die auf dem Embedded-Controller ausgeführt wird, interagiert mit den verschiedenen PXI-Geräten, um die tatsächliche Funktionalität des Testsystems zu definieren. Mit diesen Standardfunktionen eines Embedded-Controllers müssen PXI-Messgeräte nur die tatsächliche Messgerätefunktion enthalten, was effektive Leistung auf kleinem Raum ermöglicht.

Entwicklung und Einsatz Windows-basierter PXI-Systeme erfolgen in exakt derselben Weise wie bei Windows-basierten Standard-PCs. Aus diesem Grund müssen bestehende Anwendungssoftware und Programmiermethoden nicht umgeschrieben werden, wenn von einem PC- auf ein PXI-basiertes System (oder umgekehrt) gewechselt werden soll. Durch den Einsatz von PXI können Sie Ihre Entwicklungszeit verkürzen und Ihre Messgeräte schnell automatisieren. Dabei können Sie G, eine intuitive grafische Programmiersprache, die der Industriestandard für Tests ist, in LabVIEW verwenden oder auf NI LabWindows™/CVI für die Entwicklung in C zurückgreifen. Andere Programmiersprachen wie in Visual Studio .NET enthaltene Sprachen sowie Visual Basic, Python und C/C++ können ebenfalls eingesetzt werden. Zudem können PXI-Controller Anwendungen ausführen, die mit einer Testmanagementsoftware wie NI TestStand entwickelt wurden. In einer Testverwaltungssoftware ist nicht nur eine Testausführungsfunktion enthalten, sondern auch eine voll funktionsfähige Testarchitektur, die Ihnen die Flexibilität bietet, das Verhalten an spezifische Anforderungen wie Sequenzierung, Verzweigungen/Schleifen, Protokollerstellung und Datenbankintegration anzupassen. Die Testmanagementsoftware bietet in Kombination mit der modularen Messtechnik von PXI eine integrierte Lösung, die sowohl die Testentwicklung vereinfacht als auch den Wartungsaufwand reduziert und somit für nachhaltigen Erfolg sorgt.

Alternativ zu Windows-basierten Systemen können für zeitkritische Anwendungen Echtzeit-Softwarearchitekturen eingesetzt werden, bei denen deterministische Zykluszeiten und die Durchführung von Aufgaben ohne Tastatur, Maus und Monitor (Headless-Betrieb) erforderlich sind. Echtzeitbetriebssysteme bieten die Möglichkeit zur Priorisierung von Aufgaben, sodass die kritischste Aufgabe im Bedarfsfall immer zuerst bearbeitet und so Jitter reduziert wird. Die Entwicklung von Echtzeitsystemen lässt sich durch den Einsatz der Echtzeitversionen industrieller Entwicklungsumgebungen wie die Module LabVIEW Real-Time und LabWindow/CVI Real-Time vereinfachen. Beim Erstellen von dynamischen oder Hardware-in-the-Loop-Testsystemen für PXI können Anwender Echtzeitprüfsoftware wie NI VeriStand einsetzen, um die Entwicklungszeit weiter zu reduzieren.

^{Abbildung 16: TestStand verwaltet den Testcode eines PXI-Systems unabhängig von der verwendeten Programmiersprache.}

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