PXIプラットフォームの概要

PXIシャーシは、PXIシステムのバックボーンであり、デスクトップPCのケースやマザーボードなどに相当します。電源、冷却装置、通信バスを装備し、1台のPXIシャーシ内に複数の計測モジュールを搭載できます。PXIでは、一般のPCで広く採用されているPCI/PCI Expressバス技術を利用しています。これに、CompactPCIモジュール方式の堅牢なパッケージを施し、重要な機能であるタイミングおよび同期を付加しています。1台のPXIシャーシに備わるモジュールのスロット数は4～18スロットと幅広く、ポータブル性を重視した用途から、ベンチトップ、ラックマウント、組込システムまでさまざまなニーズに対応します。

^{図3:NI PXIシャーシのサイズは、4～18スロット。}

PCI/PCI Express通信

PCIバスは1990年代半ばにコンピュータバスの主流として採用されるようになりました。PCIはパラレル通信方式を採用しており、理論上最大132 MB/秒の帯域幅をバス全体で共有します。PCI Expressは、PCI規格の改良版として2003年に導入されました。PCI Expressでは、PCIのように共有バスでデバイス間を接続するのではなく、スイッチで接続する方法を採用しています。各デバイスが独自のバスに直接アクセスできるようになります。

PCI Expressは共有スイッチを採用したことで、バス上の全デバイス間で帯域幅が分割されるPCIとは異なり、各デバイスに専用のデータパイプラインが割り当てられます。データはパケットごとに「レーン」と呼ばれる複数組の送信/受信用ワイヤによってシリアル伝送され、PCI Express 1.0 (第1世代) の場合、1レーンあたり (一方向につき) 理論上250 MB/秒の帯域幅を有しています。PCI Expressの導入以降、規格は後方互換性を維持しながらも進化を続け、より速いデータレートを可能にしてきました。PCI Express 2.0では、1レーン (一方向につき) あたりの理論上の帯域幅が500 MB/秒と倍になり、PCI Express 3.0では、さらに倍の1レーンあたり (一方向につき) 1 GB/秒になっています。また、複数のレーンをグループ化し、x2、x4、x8、x12、x16のレーン幅にすることで、データレートをさらに高速化できます。

^{図4:PCI Expressは高データスループット/低通信レイテンシのバス規格であるため、テスト/計測用途に最適。}

同様に、PXI Express規格は、PCI Expressバスを組み込むためにPXI規格から進化したものです。この帯域幅の増加により、PXI Expressは、ディスクへの高速デジタイザデータストリーミング、高速デジタルプロトコル解析、構造および音響テスト用の多チャンネル数DAQシステムなど、より多くのアプリケーションニーズに対応できます。

PXI Expressバックプレーンでは、PCI Expressを採用しつつも、従来のPXIモジュールとの互換性を維持しています。そのため、高速化の恩恵を受けながらも、従来から所有しているPXIシステムを使用し続けることもできます。PXI Expressは、PCIとPCI Expressの両方に信号を配信するPXI Expressハイブリッドスロットを指定します。PCI Expressの電気配線によってシステムスロットコントローラとバックプレーンのハイブリッドスロットが接続され、PXI Expressでは、広い帯域幅でコントローラとバックプレーン間のデータ転送が行われます。PCI Express⇔PCIブリッジを使用して、PXI ExpressはすべてのPXIおよびPXI ExpressスロットにPCI信号を提供し、バックプレーン上のハイブリッド互換PXIモジュールとの互換性を確保します。このようにして、これらのPXI Expressハイブリッドスロットは1つのスロットでPCIとPCI Express両方には対応できないデスクトップPCカードエッジコネクタでは利用できない、下位互換性を提供します。

タイミングと同期

PXIシステムの主要メリットの1つは、タイミングと同期が統合されている点です。PXIシャーシには、専用の10 MHzシステム基準クロック、PXIトリガバス、Starトリガバス、およびスロット間のローカルバスが組み込まれており、高度なタイミングと同期のニーズに対応します。これらのタイミング信号は、通信アーキテクチャに加えて専用の信号です。シャーシ内の10 MHzのクロック信号は外部へエクスポートしたり、より安定した基準信号をシャーシ内にインポートすることもできます。これによって、複数のシャーシや、10 MHzの基準クロックに対応するその他の計測器の間で10 MHzの基準クロックを共有することができます。この10 MHzの基準クロックを共有することで、より高いサンプルレートのクロックが安定した基準に位相ロックループ (PLL) を接続できるようになり、複数のPXI計測器のサンプルアライメントが向上します。基準クロックに加えて、PXIはトリガバスとして8つのTTLラインを提供します。これによって、システム内の任意のモジュールが、他のモジュールから認識できるトリガを設定できるようになります。最後に、ローカルバスは、隣接するモジュール間で専用通信を確立する手段を提供します。 

PXIの機能に基づいて構築されたPXI Expressは、100 MHzの差動システムクロック、差動信号、差動Starトリガも提供します。差動クロックと同期を使用することで、PXI Expressシステムは計測器クロックの耐ノイズ性が向上し、より高周波数レートで送信できる利点があります。PXI Expressシャーシは、標準のPXIタイミングおよび同期信号すべてに加えて、こうしたより高度なタイミングおよび同期機能を提供します。

^{図5:PXIとPXI Expressシャーシのタイミングおよび同期機能により、計測器とI/Oモジュールのクラス最高の統合が実現。}

PXIとPXI Expressを同期する信号ベースの方法に加えて、これらのシステムは絶対時刻を使った同期手法も利用できます。GPS、IEEE 1588、IRIGといったさまざまなソースから、追加のタイミングモジュールを使用して絶対時間を提供できます。これらのプロトコルはパケットで時刻情報を送信するため、時刻を関連付けることができます。PXIシステムは、物理クロックやトリガを共有することなく、長距離間でデプロイされてきました。代わりに、GPSなどのソースを利用して測定値を同期します。

電源と冷却

PXIシャーシに搭載されるI/Oや計測器モジュールは、必要な電力量が異なります。NI PXI Expressシャーシは、すべての周辺スロットに最低38.25 Wの電力と冷却を提供します。一部のシャーシはスロットの冷却能力をさらに高め、1つのスロットに58 Wまたは82 Wの冷却能力を提供します。この追加の電力と冷却により、長時間にわたる連続収録や高速テストが必要なアプリケーションで、デジタイザ、高速デジタルI/O、RFモジュールなど高性能モジュールの高度な機能が可能になります。シャーシの合計電力はさまざまであるため、新しいシステムを構成する際は、常にシステムレベルのパワーバジェットを実行することがベストプラクティスです。

^{図6:PXIe-1085 24 GB/秒シャーシには現場交換可能な高性能ファンが搭載。}

PXIハードウェア仕様で定義されているとおり、すべてのPXIシャーシは左端のスロット (スロット1) にシステムコントローラ用スロットが含まれています。コントローラオプションには、デスクトップ、ワークステーション、サーバ、またはノートブックPCからPXIシステム制御を可能にするリモートコントロールモジュールや、Microsoft Windows OS (Windows 7/10) またはリアルタイムOS (LabVIEW Real-Time) を搭載した高性能組込コントローラがあります。

PXI組込コントローラ

PXI組込コントローラを採用することで、外部PCが不要になり、PXIまたはPXI Express測定システムに高性能でありながらコンパクトなシャーシ内の組込コンピュータソリューションを提供します。これらの組込コントローラは、広範な使用可能な温度、耐衝撃/振動仕様が規定されており、最新のCPU、ハードドライブ、メモリ、イーサネット、ビデオ、シリアル、USB、その他の周辺機器などの豊富な機能が搭載されています。これらの周辺機器をコントローラのフロントパネルに搭載することで、同様の機能を実現するために個別にPXI/PXI Expressカードを購入する必要がなく、システムの総コストを最小限に抑えることができます。コントローラには、NI LabVIEW Real-TimeまたはMicrosoft Windowsが事前に構成済みで、すべてのデバイスドライバがプリインストールされています。NIの組込コントローラには、ライフサイクルが管理されており、テストシステムの寿命とPXIエコシステムとの互換性を確保するためのベンダサポートを提供しています。

PXI組込コントローラは通常、小型のPXIパッケージ内の標準的なPCコンポーネントを使用して構築されます。NI R&Dが実行するパフォーマンスベンチマークにより、テストおよび測定アプリケーション向けに最適化されたコントローラの開発が保証され、コードとアルゴリズムが高速で実行されます。たとえば、PXIe-8880には、2.3 GHzの8コアIntel Xeon E5-2618L v3プロセッサ (シングルコア/ターボブーストモードで最大3.4 GHz)、最大24 GBのDDR4 RAM、SSD、2つのギガビットイーサネットポート、SMBトリガ、2つのUSB 3.0ポート、4つのUSB 2.0ポート、DisplayPort、GPIBなどの標準的なPC周辺機器が搭載されています。

NIが新しいPXI組込コントローラをリリースする際は、DellやHPなどの大手PCメーカーが高性能組込モバイルプロセッサを搭載したコンピュータをリリースした直後にコントローラを提供します。NIは15年以上にわたってPXI組込コントローラを提供しているため、IntelやAdvanced Micro Devices (AMD) などの大手プロセッサメーカーとは緊密な関係を築いてきました。たとえば、NIはIntel Embedded Allianceの準会員であり、最新のIntel製品のロードマップやサンプルといった情報にアクセスできます。

^{図7:8コアIntel Xeon E5プロセッサを搭載したPXIe-8880組込コントローラは、演算負荷が高く、高いスループット、高い性能が要求されるテストおよび計測アプリケーションに最適。}

コンピューティング性能に加えて、I/O帯域幅も計測システムの設計において重要な役割を果たします。最新のテストおよび測定システムがより複雑になるにつれて、計測器とシステムコントローラの間でより多くのデータを交換する必要性が高まっています。 PCI ExpressとPXI Expressの導入により、NIの組込コントローラはそのようなニーズを満たせるようになり、PXI Expressシャーシのバックプレーンに最大24 GB/秒のシステム帯域幅を提供できるようになりました。

^{図8:NIは過去20年にわたり、最新かつ最も強力な処理テクノロジをPXIプラットフォームに提供し続けている。}

ラックマウントコントローラ

代替のコンピューティングおよび制御オプションを提供するために、NIでは外部に設置する1Uラックマウントコントローラを提供しています。これらは高い演算負荷用の高性能のマルチコアプロセッサ、大きなデータストレージ容量、ディスクへの高速ストリーミングのための複数のリムーバブルハードドライブを備えています。これらのコントローラは、MXI-ExpressおよびMXI-4リモートコントローラと一緒に使用して、PXIまたはPXI Expressシャーシに接続するように設計されています。この構成では、PXIシステムのPXI/PXI Expressデバイスが、ラックマウントコントローラのローカルPCI/PCI Expressデバイスとして表されます。

^{図9:MXI-ExpressまたはMXI-4リモートコントローラを備えたラックマウントコントローラはPXIまたはPXI Expressシャーシの制御に使用できる。}

PXIのPC制御

PXIリモート制御モジュールは、MXI-Expressテクノロジに基づき、デスクトップPCなどのホストPCとPXIシャーシと計測器の間のシンプルで透過的な接続を提供します。起動中、コンピュータはPXIシステムのすべての周辺モジュールをPCIボードとして認識し、コントローラを介してこれらのデバイスをさらに操作できるようになります。PXIのPC制御は、コンピュータのPCI/PCI Expressボード、銅ケーブルまたは光ファイバケーブルで接続されたPXIシステムのスロット1のPXI/PXI Expressモジュールで構成されます。銅ケーブルは高いデータスループット性能を有していますが、一般的に短い距離 (1～10 m) で使用します。一方、光ファイバケーブルは、より長距離のオプション (最大100メートル) が利用可能ですが、データスループット能力が低い場合があります。ほとんどのPCは、PXIリモート制御ソリューションと互換性を有しています。さらに、MXI-Expressデバイスとの互換性は、NIのMXI-Express BIOS互換ソフトウェアによって、さらに多くのPCに拡張されます。

ノートブックPCによるPXI制御

NIのPXIe-8301リモート制御モジュールを使用すると、ノートブックPCからPXI Expressシステムを同等に制御できます。PXI ExpressのノートブックPC制御は、シャーシのスロット1に取り付けられたPXI Expressモジュールと、ノートブックPCに接続されたThunderbolt 3™ケーブルで構成されます。

^{図10:リモート制御モジュールにより1台以上のPXIシャーシのデスクトップ制御を実現。}

^{図11:PXIe-8301リモート制御モジュールは、ウルトラポータブルアプリケーションに最適。}

マルチシャーシ構成

マルチシャーシ構成にすると、2台以上のPXIシャーシを1つのマスタコントローラで管理できます。統一システムとしてマルチシャーシ構成を採用した場合でも、シャーシ間の同期、データスループットを最適化するための計測器タイプの分離、別個のシャーシ内の計測器間のピアツーピア転送などの利点を活用できます。

マルチシャーシシステムを形成する最も一般的な方法は、デイジーチェーン接続です。デイジーチェーンのトポロジは、PCまたはPXI組込コントローラを通じて制御されるマスタ (アップストリーム) シャーシに直列に接続された1つ以上のスレーブ (ダウンストリーム) シャーシで構成されます。デイジーチェーントポロジを使用すると、各スレーブシャーシはホストマシンから認識され、制御可能になります。

^{図12:PXIe-8364ホストインタフェースモジュールは、組込コントローラを含むマスタシャーシの周辺スロットに配置される。シャーシを追加する場合は、PXIe-8364をスレーブシャーシのシステムコントローラスロットのPXIe-8360に接続することによってデイジーチェーン接続される。追加のモジュールを使用して、最大8台のシャーシをデイジーチェーン接続可能。}

上記のソリューションでは、デイジーチェーン接続用に周辺スロットに追加モジュールが必要ですが、一部のPXIリモートコントロールモジュールには、アップストリーム接続用とダウンストリーム接続用の2つのポートを組み込むことにより、デイジーチェーン機能が組み込まれています。

^{図13:PCIe-8375搭載のデスクトップPCを、PXIe-8375リモート制御モジュールを介してマスタPXI Expressシャーシに接続。PXIe-8375にはデイジーチェーン用の追加ポートが搭載されており、追加のPXIe-8375のみ必要。このシステムの最後のダウンストリームシャーシには未使用のポートがある。}

一部のホストインタフェースカードには2つのダウンストリームポートが搭載されており、Starトポロジを構成できます。Starトポロジでは2つのスレーブシャーシを1列に接続 (デイジーチェーン) するのではなく、2つのスレーブシャーシを並列に接続します。これにより、各シャーシは中継用シャーシを介さず直接ホストと通信可能になります。

^{図14:PCIe-8362ホストインタフェースカードに2つのMXI-Express接続が含まれており、Starトポロジを使用してデスクトップPCから2つのPXI Expressシャーシを制御可能。}

NIは600種類以上のPXIモジュールを提供しています。オープンな業界規格であるPXIは、70社を超える計測器ベンダがおよそ1,500種類の製品を提供しています。さらに、PXIはCompactPCIと直接互換性を有しているため、PXIシステムには任意の3U CompactPCIモジュールを使用することもできます。

PXIは設置面積が小さいため、性能を犠牲にしているというよくある誤解があります。

PXIプラットフォームは、パフォーマンスを低下させることではなく、システムをモジュール化することによって省スペース性を実現していることを理解することが重要です。従来のボックス型計測器はすべて、個別の処理回路システム、ディスプレイ、物理インタフェースを必要とします。PXIベースの計測システムでは、そのような機能は複数の計測器間で共有する特定のコンポーネントに指定されます。PXI組込コントローラは、PXIシャーシ内のすべての計測器の中央処理および制御ハブのように機能します。 また、ビデオモニタ、キーボード、マウスなどの外部周辺機器と接続することで、ヒューマンインタフェースも提供します。

^{図15:NIでは、600種類以上のPXIモジュールを提供。}

組込コントローラに搭載されたソフトウェアは、さまざまなPXI計測器と対話することでテストシステムの実際の機能を定義します。最先端のパフォーマンスを提供する組込コントローラに指定されたこれらの標準機能により、PXI計測器には実際の計測回路のみを搭載すればよく、小さな設置面積で効率的なパフォーマンスを実現します。

WindowsベースのPXIまたはPXI Expressシステムの開発と運用は、標準のWindowsベースPCの場合と何ら変わりません。 したがって、PCとPXIベースのシステム間を移動する際に、既存のアプリケーションソフトウェアを書き換えたり、新しいプログラミング技術を覚える必要はありません。PXIを使用する場合、テスト用業界標準の直感的なグラフィカルプログラミング言語であるLabVIEWのG言語、またはC言語開発用のNI LabWindows™/CVIを使用することで、開発時間を短縮し、計測器を迅速に自動化できます。また、Visual Studio .NET、Visual Basic、Python、C/C++などの他のプログラミング言語を使用することもできます。さらに、PXIコントローラはTestStandなどのテスト管理ソフトウェアで開発されたアプリケーションを実行できます。テスト管理ソフトウェアには、Test Executiveだけでなく、シーケンス、分岐/ループ、レポート生成、データベース統合などの特定のニーズに合わせて動作をカスタマイズする柔軟性を提供する、完全な機能を備えたテストアーキテクチャも含まれています。テスト管理ソフトウェアとPXIモジュール式計測器を組み合わせることで、テスト開発を簡素化し、長期的な成功のためのメンテナンスを軽減する統合ソリューションを提供します。

確定​的​な​ルー​プレート​や​ヘッド​レス​操作​ (キーボード、​マウス、​モニタ​なし) ​を​必要​と​する​タイム​クリティカル​な​アプリケーション​では、​Windows​ベース​の​もの​では​なく、​リアルタイム​ソフトウェア​アーキテクチャ​を​使用​する​こと​が​でき​ます。リアルタイムOSを使用すると、タスクの優先度に応じたスケジューリングによって、最も重要なタスクが常にプロセッサの制御を引き継ぎ、ジッタを軽減します。LabVIEW Real-Timeモジュール​や​LabWindows/​CVI Real-​Time​モジュール​といった​業界​で​標準​的​に​用​い​ら​れ​て​いる​開発​環境​の​リアルタイム​バージョン​を​使用​すると、​リアルタイム​システム​を​より​簡単​に​開発​できる​よう​に​なり​ます。ダイナミックまたはHIL (Hardware-In-the-Loop) PXIテストシステムを構築するエンジニアはVeriStandなどのリアルタイムテストソフトウェアを使用して開発時間をさらに短縮できます。

^{図16:TestStandは、使用するプログラミング言語に関係なく、PXIシステムのテストコードを管理。}

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