Una descripción general de la plataforma PXI

El chasis PXI es la columna vertebral de un sistema PXI y se compara con la cubierta mecánica y la tarjeta madre de una PC de escritorio. Proporciona alimentación, refrigeración y un bus de comunicación al sistema y soporta varios módulos de instrumentación dentro de la misma cubierta. PXI utiliza tecnología comercial de bus PCI y PCI Express basada en PC y combina un paquete modular robusto CompactPCI, así como funciones clave de temporización y sincronización. El tamaño del chasis varía de 4 a 18 ranuras para adaptarse a las necesidades de cualquier aplicación, ya sea que su intención sea ser un sistema portátil, de laboratorio, de montaje en rack o embebido.

^{Figura 3: Los chasis NI PXI varían en tamaño de 4 a 18 ranuras.}

Comunicación PCI y PCI Express

El bus PCI se adoptó como un bus de PC convencional a mediados de la década de 1990 como un bus paralelo con un máximo teórico de 132 MB/s de ancho de banda compartido. PCI Express se introdujo en 2003 como una mejora del estándar PCI. El nuevo estándar reemplazó el bus compartido utilizado para PCI con un conmutador compartido, que le da a cada dispositivo su propio acceso directo al bus.

A diferencia de PCI, que divide el ancho de banda entre todos los dispositivos en el bus, PCI Express proporciona a cada dispositivo su propia canalización de datos dedicada. Los datos se envían en serie en paquetes a través de pares de señales de transmisión y recepción llamadas líneas, que permiten un ancho de banda teórico de 250 MB/s por dirección, por línea para PCI Express 1.0. Desde la introducción de PCI Express, el estándar ha seguido evolucionando para permitir velocidades de datos más rápidas y mantener la compatibilidad con versiones anteriores. PCI Express 2.0 duplica el ancho de banda teórico por línea a 500 MB/s por dirección y PCI Express 3.0 lo duplica nuevamente a 1 GB/s por dirección, por línea. Se pueden agrupar múltiples líneas en x2 ("por dos"), x4, x8, x12 y x16 para aumentar aún más las capacidades de ancho de banda.

^{Figura 4: PCI Express proporciona un alto rendimiento de datos y un bus de baja latencia de comunicación, ideal para aplicaciones de pruebas y medidas.}

De manera equivalente, el estándar PXI Express evolucionó desde el estándar PXI para incorporar el bus PCI Express. Este mayor ancho de banda permite que PXI Express satisfaga aún más necesidades de aplicaciones, como transmisión de datos del digitalizador de alta velocidad al disco, análisis de protocolo digital de alta velocidad y sistemas DAQ de gran cantidad de canales para pruebas estructurales y acústicas.

Debido a que el plano trasero PXI Express integra PCI Express y conserva la compatibilidad con los módulos PXI, los usuarios se benefician de un mayor ancho de banda y mantienen la compatibilidad con versiones anteriores de los sistemas PXI. PXI Express especifica ranuras híbridas PXI Express para ofrecer señales tanto para PCI como para PCI Express. Con las líneas eléctricas PCI Express que conectan el controlador de la ranura del sistema a las ranuras híbridas del plano trasero, PXI Express proporciona una ruta de gran ancho de banda desde el controlador a las ranuras del plano trasero. Al usar un puente PCI Express a PCI, PXI Express proporciona señalización PCI a todas las ranuras PXI y PXI Express para garantizar la compatibilidad con los módulos PXI compatibles con híbridos en el plano trasero. Al hacerlo, estas ranuras híbridas PXI Express brindan compatibilidad con versiones anteriores que no están disponibles con conectores de borde de tarjeta de PC de escritorio, en los que una sola ranura no puede soportar señales PCI y PCI Express.

Temporización y sincronización

Una de las ventajas clave de un sistema PXI es la temporización y la sincronización integradas. Un chasis PXI incorpora un reloj de referencia del sistema dedicado de 10 MHz, un bus de disparo PXI, un bus de disparo en estrella y un bus local de ranura a ranura para abordar la necesidad de temporización y sincronización avanzadas. Estas señales de temporización son señales dedicadas además de la arquitectura de comunicación. El reloj de 10 MHz dentro del chasis se puede exportar o reemplazar con una referencia de estabilidad más alta. Esto permite compartir el reloj de referencia de 10 MHz entre varios chasis y otros instrumentos que pueden aceptar una referencia de 10 MHz. Al compartir esta referencia de 10 MHz, los relojes de velocidad de muestreo más alta pueden bloquear el ciclo (PLL) con la referencia estable, mejorando la alineación del muestreo de múltiples instrumentos PXI. Además del reloj de referencia, PXI proporciona ocho líneas de lógica de transistor-transistor (TTL) como un bus de disparo. Esto permite que cualquier módulo del sistema establezca un disparo que se puede ver desde cualquier otro módulo. Finalmente, el bus local proporciona un medio para establecer una comunicación dedicada entre módulos adyacentes. 

Basado en las capacidades de PXI, PXI Express también proporciona un reloj de sistema diferencial de 100 MHz, señalamiento diferencial y disparos en estrella diferenciales. Al usar reloj diferencial y sincronización, los sistemas PXI Express se benefician de una mayor inmunidad al ruido para los relojes de instrumentación y la capacidad de transmitir a velocidades de frecuencia más altas. El chasis PXI Express proporciona estas capacidades de sincronización y temporización más avanzadas, además de todas las señales de sincronización y temporización PXI estándar.

^{Figura 5: Las capacidades de temporización y sincronización de los chasis PXI y PXI Express proporcionan la mejor integración de instrumentación y módulos de E/S.}

Además de los métodos basados en señales para sincronizar PXI y PXI Express, estos sistemas también pueden aprovechar los métodos de sincronización utilizando tiempo absoluto. Una variedad de fuentes, incluyendo GPS, IEEE 1588 o IRIG, pueden proporcionar tiempo absoluto con el uso de un módulo de temporización adicional. Estos protocolos transmiten información de tiempo en un paquete para que los sistemas puedan correlacionar su tiempo. Los sistemas PXI se han implementado a grandes distancias sin compartir relojes físicos o disparos. En cambio, confían en fuentes como el GPS para sincronizar sus medidas.

Energía y enfriamiento

Los módulos de E/S e instrumentación instalados en un chasis PXI varían en la cantidad de energía requerida. El chasis NI PXI Express proporciona al menos 38.25 W de potencia y enfriamiento a cada ranura periférica; algunos chasis llevan la capacidad de enfriamiento de la ranura aún más lejos y pueden proporcionar 58 W u 82 W de enfriamiento a una sola ranura. Esta potencia y enfriamiento adicionales hacen que las capacidades avanzadas de los módulos de alto rendimiento, como los digitalizadores, las E/S digitales de alta velocidad y los módulos de RF, sean posibles en aplicaciones que pueden requerir adquisición continua o pruebas de alta velocidad. Los chasis varían en potencia total, por lo que siempre es una buena práctica realizar un presupuesto de energía a nivel del sistema al configurar un nuevo sistema.

^{Figura 6: El chasis PXIe-1085 de 24 GB/s incluye ventiladores de alto rendimiento reemplazables en campo.}

Como lo indica la especificación de hardware PXI, todos los chasis PXI contienen una ranura de controlador del sistema ubicada en la ranura más a la izquierda del chasis (ranura 1). Las opciones de controlador incluyen módulos de control remoto que permiten el control del sistema PXI desde una PC de escritorio, estación de trabajo, servidor o laptop, así como controladores embebidos de alto rendimiento con un sistema operativo Microsoft (Windows 7/10) o un sistema operativo en tiempo real (LabVIEW Real-Time).

Controladores PXI embebidos

Los controladores integrados PXI eliminan la necesidad de una PC externa y brindan una solución de PC embebida en el chasis compacta y de alto rendimiento para su sistema de medidas PXI o PXI Express. Estos controladores embebidos tienen especificaciones de temperatura extendida, impacto y vibración y vienen con una extensa lista de características, como las últimas CPU integradas, disco duro, memoria, Ethernet, video, serial, USB y otros periféricos. Al proporcionar estos periféricos en el panel frontal del controlador, disminuye el costo general del sistema porque usted no necesita comprar tarjetas PXI o PXI Express individuales para obtener una funcionalidad similar. El controlador viene preconfigurado con LabVIEW Real-Time o Microsoft Windows y todos los controladores de dispositivos preinstalados. Los controladores embebidos de NI también han administrado los ciclos de vida y ofrecen soporte a los proveedores para garantizar la longevidad del sistema de pruebas y la compatibilidad con el ecosistema PXI.

Los controladores embebidos PXI generalmente se construyen utilizando componentes de PC estándares en un pequeño paquete PXI. La evaluación comparativa de rendimiento realizada por NI I&D también asegura el desarrollo de controladores que están optimizados para aplicaciones de pruebas y medidas para garantizar que el código y los algoritmos se ejecuten más rápido. Por ejemplo, el PXIe-8880 tiene un procesador Intel Xeon E5-2618L v3 de 2.3 GHz de ocho núcleos (3.4 GHz como máximo en un solo núcleo, modo Turbo Boost), hasta 24 GB de RAM DDR4, unidad de estado sólido, dos puertos Gigabit Ethernet, disparador SMB y periféricos de PC estándares como dos puertos USB 3.0, cuatro puertos USB 2.0, DisplayPort y GPIB.

Cuando NI lanza un nuevo controlador embebido PXI, ofrece el controlador poco después de que los principales fabricantes de PCs como Dell o HP lanzan PCs con el mismo procesador móvil embebido de alto rendimiento. Debido a que NI ha estado en el negocio de lanzar controladores embebidos PXI durante más de 15 años, la compañía ha desarrollado una estrecha relación de trabajo con fabricantes clave de procesadores como Intel y Advanced Micro Devices (AMD). Por ejemplo, NI es miembro asociado de Intel Embedded Alliance, que ofrece acceso a los últimos roadmaps y muestreos de productos de Intel.

^{Figura 7: El controlador embebido PXIe-8880, con el procesador Intel Xeon E5 de ocho núcleos, es ideal para aplicaciones de pruebas y medidas de alto rendimiento y de cómputo intenso.}

Además del rendimiento de cómputo, el ancho de banda de E/S juega un papel fundamental en el diseño de sistemas de instrumentación. Conforme los sistemas modernos de pruebas y medidas se vuelven más complejos, existe una creciente necesidad de intercambiar más y más datos entre los instrumentos y el controlador del sistema. Con la introducción de PCI Express y PXI Express, los controladores embebidos de NI han cubierto esta necesidad y ahora proporcionan hasta 24 GB/s de ancho de banda del sistema al plano trasero del chasis PXI Express.

^{Figura 8: NI ha continuado brindando la última y más poderosa tecnología de procesamiento a la plataforma PXI durante los últimos 20 años.}

Controladores de montaje en rack

Para proporcionar una opción alternativa de cómputo y control, NI ofrece controladores externos de montaje en rack de 1U. Cuentan con procesadores multinúcleo de alto rendimiento para cómputo intenso y múltiples discos duros extraíbles para alta capacidad de almacenamiento de datos y transmisión de alta velocidad a disco. Estos controladores están diseñados para usarse con controladores remotos MXI-Express y MXI-4 para interconectarse con chasis PXI o PXI Express. En esta configuración, los dispositivos PXI/PXI Express en el sistema PXI aparecen como dispositivos PCI/PCI Express locales en el controlador de montaje en rack.

^{Figura 9: Los controladores de montaje en bastidor con controladores remotos MXI-Express o MXI-4 se pueden usar para controlar el chasis PXI o PXI Express.}

Control con PC de PXI

A través de la tecnología MXI-Express, los módulos de control remoto PXI brindan una conexión simple y transparente entre una máquina host, como una PC de escritorio, y el chasis y los instrumentos PXI. Durante el inicio, la PC reconoce todos los módulos periféricos en el sistema PXI como tarjetas PCI, lo que permite una mayor interacción con estos dispositivos a través del controlador. El control con PC de PXI consiste en una tarjeta PCI/PCI Express en su PC y un módulo PXI/PXI Express en la ranura uno de su sistema PXI, conectados por un cable de cobre o fibra óptica. Los cables de cobre ofrecen una mayor capacidad de rendimiento de datos, pero generalmente son más cortos (1 a 10 metros), mientras que los cables de fibra óptica están disponibles en opciones mucho más largas (hasta 100 metros), pero pueden tener una menor capacidad de rendimiento de datos. La mayoría de las PCs son inmediatamente compatibles con las soluciones de control remoto PXI. Además, la compatibilidad con dispositivos MXI-Express se extiende a más PCs a través del software MXI-Express BIOS Compatibility.

Control con laptop de PXI

De manera equivalente, puede controlar un sistema PXI Express desde una laptop utilizando el módulo de control remoto PXIe-8301 de National Instruments. El control con laptop de PXI Express consiste en un módulo PXI Express en la ranura uno de su chasis y un cable Thunderbolt 3™ conectado a su laptop.

^{Figura 10: Los módulos de control remoto permiten el control con PC de escritorio de uno o más chasis PXI.}

^{Figura 11: El módulo de control remoto PXIe-8301 es ideal para aplicaciones ultra-portátiles.}

Configuraciones multichasis

Las configuraciones multichasis permiten que dos o más chasis PXI sean administrados por un solo controlador maestro. Como sistema unificado, varios chasis pueden aprovechar beneficios como sincronización entre chasis, separación de tipos de instrumentos para optimizar el rendimiento de datos y transferencias de igual a igual entre instrumentos en distintos chasis.

El método más común para formar un sistema multichasis es en cadena. Una topología en cadena consiste en uno o más chasis esclavos (descendente) conectados en serie a un chasis maestro (ascendente) que se controla a través de una PC o un controlador embebido PXI. Cuando se utiliza una topología en cadena, cada chasis esclavo es visible y controlable por la máquina host.

^{Figura 12: Un módulo de interfaz de host PXIe-8364 se coloca en una ranura periférica del chasis maestro que contiene un controlador embebido. Un chasis adicional se conecta en cadena conectando el PXIe-8364 a un PXIe-8360 en la ranura del controlador del sistema del chasis esclavo. Se pueden usar módulos adicionales para conectar en cadena hasta ocho chasis.}

Si bien la solución anterior requiere un módulo adicional en una ranura periférica para conexión en cadena, algunos módulos de control remoto PXI contienen capacidad integrada de conexión en cadena mediante la inclusión de dos puertos, uno para una conexión ascendente y otro para una conexión descendente.

^{Figura 13: Una PC de escritorio con un PCIe-8375 está conectada a un chasis PXI Express maestro a través de un módulo de control remoto PXIe-8375. El PXIe-8375 cuenta con un puerto adicional para conexión en cadena, que requiere solo un PXIe-8375 adicional. El último chasis descendente de este sistema tendrá un puerto sin usar.}

Algunas tarjetas de interfaz de host contienen dos puertos descendentes, lo que permite una topología en estrella. En lugar de conectar dos chasis esclavos en serie (en cadena), la topología en estrella conecta dos chasis esclavos en paralelo, lo que permite que cada chasis se comunique directamente con el host en lugar de a través de un chasis intermedio.

^{Figura 14: La tarjeta de interfaz de host PCIe-8362 contiene dos conexiones MXI-Express, lo que permite controlar dos chasis PXI Express a través de una PC de escritorio utilizando una topología en estrella.}

NI ofrece más de 600 módulos PXI diferentes. Debido a que PXI es un estándar abierto en la industria, hay cerca de 1,500 productos disponibles de más de 70 proveedores de instrumentos diferentes. Además, dado que PXI es directamente compatible con CompactPCI, también puede usar cualquier módulo CompactPCI 3U en un sistema PXI.

Un error común con respecto al tamaño pequeño de PXI es que este ahorro de espacio sacrifica el rendimiento.

Es importante comprender que la plataforma PXI puede ofrecer este ahorro de espacio sin reducir el rendimiento y modularizando el sistema. Cada instrumento tradicional requiere un sistema de circuitos de procesamiento, una pantalla y una interfaz física distintos. Para los sistemas de instrumentación basados en PXI, estas funciones están diseñadas para componentes específicos compartidos entre múltiples instrumentos. Un controlador embebido PXI actúa como un centro de control y procesamiento central para todos los diferentes instrumentos en el chasis PXI. También proporciona una interfaz humana a través de su conectividad a periféricos externos como un monitor de video, teclado y mouse.

^{Figura 15: NI ofrece más de 600 módulos PXI diferentes.}

El software que se ejecuta en el controlador embebido interactúa con los diferentes instrumentos PXI para definir la funcionalidad real del sistema de pruebas. Con estas funciones estándar designadas a un controlador embebido que ofrece un rendimiento de vanguardia, los instrumentos PXI deben contener solo el circuito de instrumentación real, lo que proporciona un rendimiento eficaz en un espacio reducido.

El desarrollo y funcionamiento de un sistema PXI o PXI Express basado en Windows no es diferente al de una PC estándar basada en Windows. Por lo tanto, usted no tiene que reescribir el software de aplicación existente o aprender nuevas técnicas de programación cuando se mueve entre sistemas basados en PC y PXI. Al usar PXI, puede reducir su tiempo de desarrollo y automatizar rápidamente sus instrumentos usando G en LabVIEW, un lenguaje de programación gráfica intuitivo que es el estándar de la industria para pruebas, o NI LabWindows™/CVI para desarrollo en C. También puede utilizar otros lenguajes de programación como los que forman parte de Visual Studio .NET, Visual Basic, Python y C/C++. Además, los controladores PXI pueden ejecutar aplicaciones desarrolladas con software de gestión de pruebas como TestStand. El software de gestión de pruebas incluye no solo un ejecutivo de pruebas, sino también una arquitectura de pruebas con todas las funciones que le brinda la flexibilidad de personalizar el comportamiento para satisfacer necesidades específicas como secuenciación, ramificación/ciclos, generación de reportes e integración de bases de datos. El software de gestión de pruebas junto con la instrumentación modular PXI proporciona una solución integrada que puede simplificar el desarrollo de pruebas y reducir el mantenimiento para tener éxito a largo plazo.

Como alternativa a los sistemas basados en Windows, usted puede usar una arquitectura de software en tiempo real para aplicaciones de tiempo crítico que requieren velocidades de ciclo deterministas y operación autónoma (sin teclado, mouse o monitor). Los sistemas operativos en tiempo real lo ayudan a priorizar las tareas para que la tarea más crítica siempre tome el control del procesador, reduciendo la fluctuación. Puede simplificar el desarrollo de sistemas en tiempo real utilizando versiones en tiempo real de entornos de desarrollo estándares de la industria, como los módulos LabVIEW Real-Time y LabWindows/CVI Real-Time. Los ingenieros que construyen sistemas de pruebas PXI dinámicos o de hardware-in-the-loop pueden usar software de pruebas en tiempo real como VeriStand para reducir aún más el tiempo de desarrollo.

^{Figura 16: TestStand administra el código de pruebas de un sistema PXI independientemente del lenguaje de programación utilizado.}

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