​Überlegungen zur Controller-Auswahl für Ihr PXI-System

​Ein PXI-Controller ist die primäre Verarbeitungs- und Verwaltungseinheit in einem PCI-eXtensions-for-Instrumentation-System (PXI). Im System-Controller-Slot installiert, koordiniert es die Datenübertragung über die PXI-Backplane, führt Softwareprogramme aus und bietet externe Schnittstellen für Benutzereingriffe oder Netzwerkintegration. Bei NI-PXI-Controllern handelt es sich entweder um Embedded- oder um Remote-Controller. Embedded-Controller enthalten alles, was Sie zum Ausführen Ihres PXI-Systems ohne externen PC benötigen, während Sie mithilfe von Remote-Controllern Ihr PXI-System über einen Desktop, Laptop oder Serverrechner steuern können.

Die Spezifikationen des Controllers beeinflussen direkt die folgenden Faktoren:

• Prozessleistung: Bestimmt durch den Prozessor im Controller; beeinflusst CPU-Kernanzahl, Taktrate, Datenverarbeitung, Parallelität und Multitasking.
• ​Speicher: Bestimmt durch RAM-Kapazität und -Geschwindigkeit; beeinflusst, wie effizient große Datensätze in Echtzeit gepuffert und verarbeitet werden, wodurch die Latenz verringert und der Datenaustausch zwischen PXI-Modulen mit hohem Durchsatz ermöglicht wird.
• ​Datendurchsatz: Bestimmt durch die Breite und Erzeugung der PCI-Express-Lane. Definiert maximale Datenraten zwischen Controller und Modulen, die für die Hochgeschwindigkeitserfassung oder -streaming entscheidend sind.
• ​Echtzeitleistung: Diese werden durch die Prozessorauswahl und das Betriebssystem bestimmt, was gemeinsam Latenz und Determiniertheit beeinflusst.
• Betriebssystem: Wählen Sie zwischen Microsoft Windows, Desktop Linux oder NI Linux Real-Time.
• ​I/O und Konnektivität: Bereitgestellt über USB, Ethernet, Thunderbolt™ und andere Frontpanel-Ports, die periphere Integration und Fernzugriff ermöglichen.

​Die Auswahl des richtigen Controllers stellt sicher, dass Ihr PXI-System die Rechenleistung, den Datendurchsatz und die Konnektivität bietet, die für die anspruchsvollsten Test- und Messanwendungen von heute erforderlich sind. NI-PXI-Controller sind auf Vielseitigkeit ausgelegt und unterstützen ein breites Anwendungsspektrum, darunter – aber nicht beschränkt auf – folgende Beispiele:

• Produktionstestsysteme: Automatisiertes Testen elektronischer Geräte, Leiterplatten und Baugruppen in Fertigungsumgebungen.
• ​Validierung und Charakterisierung: Funktionale Validierung, akustische und akustische Tests sowie Charakterisierung elektrischer Komponenten.
• ​Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung: RF-Aufnahme/-Wiedergabe, Prototyping für drahtlose Kommunikation und Hochdurchsatz-Signalanalyse.
• ​Hardware-in-the-Loop (HIL): Echtzeitsimulation und -steuerung für Automotive, Luft- und Raumfahrt und industrielle Embedded-Systeme.

Weitere Informationen zu NI-PXI-Controllern.

In diesem Abschnitt werden Embedded- und Remote-Controller miteinander verglichen. 

Embedded-Controller

Embedded-Controller sind eigenständige Computer, die direkt im PXI-Chassis installiert werden, wodurch ein externer PC entfällt. Embedded-Controller von NI bieten leistungsstarke und zuverlässige Rechenfunktionen, die speziell für PXI-Systeme entwickelt wurden. Mit vorkonfigurierten Betriebssystemoptionen, robustem Design und langfristiger Unterstützung beschleunigen sie die Inbetriebnahme und gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb von der Entwurfsvalidierung bis zum Produktionstest.

Schlüsselfunktionen von Embedded-Controllern

• Flexible Betriebssysteme: Wählen Sie zwischen Windows, Desktop Linux oder Linux Real-Time, um die Anforderungen von Anwendungen und Integration zu erfüllen.
• Hochleistungsrechnen: Bewältigt anspruchsvolle Test- und Mess-Workloads mit leistungsstarken Prozessoren und schnellem Datendurchsatz.
• Optimierte Softwareentwicklung: Vereinfacht das Einrichten, Konfigurieren und Bereitstellen von Software von NI.
• Langfristige Skalierbarkeit: Verlassen Sie sich auf konstante Leistung und Lebenszyklusunterstützung für einen jahrelang zuverlässigen Betrieb.
• Hardwarebasierte Sicherheit: Aktivieren Sie hardwarebasierte Sicherheitsfunktionen wie sicheres Hochfahren und Geräteverschlüsselung mit TPM 2.0 für Windows 11.

^{Abbildung 1. In diesem NI-PXIe-1081-Chassis sind ein Embedded-Controller des Typs NI PXIe-8842 und andere NI-Geräte installiert.}

Remote-Controller

Remote-Controller verbinden ein PXI-Chassis mit einem externen Host-Computer über MXI-Express- oder Thunderbolt-Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Diese Konfiguration ermöglicht es dem PXI-System, die Rechenleistung, Speicher- und Anzeigefunktionen eines vorhandenen Desktops oder Laptops zu nutzen und bietet eine flexible und kostengünstige Alternative zur Embedded-Steuerung. Abbildung 2 zeigt einen Laptop-basierten Remote-Controller und Abbildung 3 einen Desktop-PC-basierten Remote-Controller.

^{Abbildung 2. Laptop-basierter Remote-Controller, bestehend aus einem NI-PXI-Express-Chassis, einem Thunderbolt-Fernbedienungsmodul, einem Thunderbolt-3+-M2M-Kabel und einem Laptop mit einem Thunderbolt-3+-Anschluss.}

^{Abbildung 3. Desktop-PC-basierter Remote-Controller, bestehend aus einem NI-PXI-Express-Chassis, einem Fernbedienungsmodul, einem MXIe-Kabel, einem Gerät zur Fernbedienung (PCI-Karte) und einem Desktop-PC.}

Schlüsselfunktionen von Remote-Controllern

• Portabilität und Außeneinsatz: Kompatibilität mit Laptops oder kompakten PCs für mobile Umgebungen oder beengte Platzverhältnisse, einschließlich Unterstützung für vom Kunden bereitgestellte PCs, die IT-Richtlinien vor Ort erfüllen. 
• Kosteneffizienz: Die Verwendung vorhandener Rechenressourcen anstelle von dedizierten Embedded-Controllern kann potenziell die Gesamtsystemkosten senken. 
• Hohe Leistung und Skalierbarkeit: Bietet Funktionen für die Datenübertragung mit hoher Bandbreite und Konfigurationen mit mehreren Chassis für anspruchsvolle Anwendungen.

In einigen Fällen kann ein Remote-Controller die bevorzugte Wahl gegenüber einer Embedded-Option sein, z. B.: 

• Automatisierte Testsysteme in F&E- und Fertigungsumgebungen
• Portable Diagnosewerkzeuge für Außendienst und Wartung
• Akademische und Forschungslabore, in denen gemeinsam genutzte Computerressourcen üblich sind
• Proof-of-Concept- und Prototyping-Setups, die eine schnelle Neukonfiguration erfordern

Dieses Whitepaper konzentriert sich nur auf die Auswahl von Embedded-Controllern. Weitere Informationen zu PXI-Remote-Controllern finden Sie in der Broschüre.

PXI-Embedded-Controller von NI umfassen vier Hauptmodelle: NI PXIe-8822, NI PXIe-8842, NI PXIe-8862 und NI PXIe-8881. Jedes Modell bietet unterschiedliche Prozessortypen, Kernanzahl und Bandbreitenfunktionen, auf die in den folgenden Abschnitten mit den Nummern 1–3 eingegangen wird. Innerhalb jedes Modells gibt es verschiedene Artikelnummern mit unterschiedlicher Auswahl für Betriebssystem, RAM, Speicher und mehr, die in den Abschnitten 4–8 behandelt werden.

Beachten Sie bei der Auswahl eines Controllers folgende wichtige Hinweise:

• Anforderungen an das Prüflingssystem
• Prozessoranforderungen
• Anforderungen an die Bandbreite
• Arbeitsspeicher (RAM) und Speicher
• Das richtige Betriebssystem
• I/O und Anschlussmöglichkeiten
• PXI-Chassi-Kompatibilität
• Zuverlässigkeit
• Sicherheitsbedürfnisse

Anforderungen an das Prüflingssystem

Ihr Prüfling (DUT) steuert jede PXI-Systementscheidung. Die Definition der folgenden Parameter kann dabei helfen, zu bestimmen, welche Geräte- oder Modultypen Sie benötigen und wie viele, was sich auf Ihre Chassis-Auswahl auswirkt und letztlich darüber informiert, welcher Controller Ihren Systemanforderungen am besten entspricht. 

• Signaltypen und Bandbreite: Ermitteln Sie, ob Ihre Anwendung analoge, digitale, RF- oder Mischsignale verwendet, und geben Sie den Frequenzbereich und die Bandbreite an, die Sie von diesen Modulen erwarten können. Signale mit hoher Bandbreite erfordern Controller mit hohem PCI-Express-Durchsatz und Multicore-CPUs für eine schnelle Datenverarbeitung.
• Kanalanzahl und Auflösung: Ermittelt die Anzahl simultaner Kanäle und die benötigte Auflösung, z. B. 16 Bit oder 24 Bit. Mit zunehmender Kanalanzahl und Auflösung steigt auch das Datenvolumen, was wiederum Controller mit größerer RAM-Kapazität und schnellerer Speicherbandbreite erfordert.
• Datenrate und -volumen: Bewerten Sie den Spitzendurchsatz und das Gesamtdatenvolumen, das Sie während des Tests erwarten können. Anwendungen mit hohen Datenraten erfordern Controller, die maximale PCI-Express-Bandbreite, Hochgeschwindigkeitsspeicher und ausreichend RAM für die Echtzeit-Datenpufferung bieten.
• Umgebungliche und physikalische Einschränkungen: Berücksichtigen Sie die Betriebstemperatur, Vibrationstoleranz und alle Formfaktoren, die durch Ihre Testumgebung vorgegeben sind. Wenn sich der Prüfling (DUT) in einer rauen Umgebung befindet, ist es wichtig, Netzwerkeinstellungen oder Controller auszuwählen, die für erweiterte Umgebungsspezifikationen ausgelegt sind, um die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten.
• Testausführungsmodi und Parallelität: Überlegen Sie, wie Ihr Testablauf gestaltet sein wird. Muss er kontinuierlich laufen oder deterministische Regelkreise erfordern? Die deterministische Steuerung profitiert von einem Echtzeitbetriebssystem. Langfristige Tests erfordern möglicherweise hochzuverlässige Hardware und erweiterte Speicheroptionen. Wenn Sie mehrere Prüflinge gleichzeitig testen möchten, verbessert die Auswahl eines Controllers mit einer höheren Kernanzahl die parallele Verarbeitung und den gesamten Testdurchsatz.
• Chassis-Konfiguration: Berechnet den für die PXI-Module in Ihrem Chassis erforderlichen Durchsatz. Ein Chassis mit vielen Hochleistungsmodulen erfordert einen Controller mit maximaler PCI-Express-Lane-Anzahl, hoher Systembandbreite und einer leistungsstarken CPU, um parallele Datenströme ohne Engpässe verarbeiten zu können.

Das Verständnis dieser Anforderungen hilft sicherzustellen, dass der ausgewählte Controller die Leistung, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit bietet, die Ihre Anwendung erfordert. In den folgenden Abschnitten werden wichtige Parameter für Embedded-Controller behandelt. Am Ende dieses Whitepapers finden Sie drei verschiedene Testszenarien, die veranschaulichen, wie diese Parameter die Controller-Auswahl steuern.

1. Prozessoranforderungen

Die Auswahl des richtigen Prozessors – unabhängig davon, ob es sich um einen Intel® CoreTM i3, i5, i7 oder Xeon® handelt – ist entscheidend für die Leistungsoptimierung in automatisierten Test- und Messsystemen. Der Prozessor bestimmt, wie effizient Ihr PXI-Controller Aufgaben wie Datenerfassung, Signalanalyse, Parallelverarbeitung und Echtzeitsteuerung bewältigen kann. Bei der Auswahl eines Prozessors gibt es einige verschiedene Attribute, die Sie beurteilen können, einschließlich der Kernanzahl des Prozessors, der Leistung selbst, der Thread-Fähigkeiten und der Taktrate. 

Kernanzahl

Höhere Kernanzahl ermöglicht die parallele Ausführung mehrerer Tasks, was für Multithreading-Anwendungen wie RF-Signalanalyse, Datenprotokollierung oder Regelkreise unerlässlich ist.

^{Tabelle 1. Prozessorkernanzahl und typische Anwendungsfälle}

Vergleichen der Prozessorleistung

Beim Vergleich der Prozessorleistung bietet der CPU-Benchmark einen umfassenderen Vergleich zwischen verschiedenen Generationen und Herstellern, indem die tatsächliche Leistung über Spezifikationen wie Taktrate oder Kernanzahl hinaus gemessen wird. Tools wie PassMark CPU Benchmarks quantifizieren Einzelkern- und Mehrkernleistung und vermitteln so ein realistischeres Bild davon, wie ein Prozessor in praktischen Anwendungsszenarien abschneiden wird. Um einen Benchmark-Wert für verschiedene Controller zu normalisieren, wird die CPU-Marke berechnet, indem der CPU-Benchmark-Wert eines Controllers durch den PXIe-8842-Wert von 15.778 geteilt wird. So hat beispielsweise das PXIe-8842 eine normalisierte CPU-Marke von 1 (15.778 ÷ 15.778 = 1), während das PXIe-8881 2,04 (32.177 ÷ 15.778 = 2,04) erreicht. Durch Normalisieren dieser Wert können Sie die CPU-Markenverhältnisse zwischen verschiedenen Controllern verschiedener Hersteller einfacher vergleichen. Nicht alle Prozessoren mit demselben Branding bieten die gleiche Leistung – jeder Prozessor ist für unterschiedliche Prioritäten optimiert. So erzielt z. B. der im PXIe‐8881 verwendete Intel Xeon W‐2295 dank seiner 18 Kerne, die für Workloads mit hohem Durchsatz ausgelegt sind, einen Multithreading-Wert von 2,04. Im Gegensatz dazu erzielt das Intel Xeon W‐11865MRE, das in anderen Markt-Controllern zu finden ist, einen Wert von etwa 1,24. 

^{Abbildung 4. Multithread-CPU-Marke für PXI-Embedded-Controller von NI}

Threading-Fähigkeit

Threading bezeichnet die Fähigkeit einer CPU, mehrere Anweisungen (Threads) gleichzeitig auszuführen.

• Ein Thread: Jeder Kern verarbeitet jeweils einen Thread, wodurch die Parallelität eingeschränkt wird.
• Multithreading: Jeder Kern kann mehrere Threads verarbeiten, wodurch die Ressourcenauslastung und Leistung bei parallelen Workloads verbessert wird. Die meisten modernen CPUs verwenden Hyper-Threading, bei dem jeder physische Kern zwei Threads gleichzeitig ausführt, um die Effizienz zu steigern.

In traditionellen Sprachen wie C++ oder Python müssen Ingenieure Low-Level-Threading-Code schreiben – Threads erstellen, die Synchronisation mit Sperren oder Semaphoren verwalten und Tasks manuell auf Kerne verteilen. Dies erhöht die Komplexität und das Risiko von Problemen wie Laufzeitprobleme oder Deadlocks.

NI LabVIEW und NI TestStand vereinfachen die parallele Ausführung von Tests auf folgende Weise:

• LabVIEW ist eine grafische Programmierumgebung, die die parallele Programmierung vereinfacht. Das Datenflussmodell unterstützt die parallele Programmierung und die CPU-Kernzuweisung wird automatisch verwaltet. Unabhängige Knoten werden ausgeführt, sobald ihre Eingangsdaten vorliegen, und Ingenieure können die Leistung weiter optimieren, indem sie Ausführungssysteme zur Trennung von UI-, Erfassungs- und Analyse-Threads konfigurieren.
• TestStand ist eine Testverwaltungssoftware, die häufig für parallele Tests verwendet wird und es ermöglicht, mehrere Prüflinge gleichzeitig zu testen. In der Regel erfordert das Erstellen paralleler Testausführung fundierte Kenntnisse darüber, wie das Betriebssystem des Computers mit parallelen Operationen arbeitet und wie Geräteressourcen zwischen mehreren Prüflingen geteilt werden, ohne Konflikte oder Deadlocks zu verursachen, an denen die Messgeräte hängen können. TestStand eliminiert den größten Teil dieser Komplexität, indem es vordefinierte Prozessmodelle bereitstellt, die Threads automatisch erstellen und verwalten, auf CPU-Kerne verteilen und die Synchronisation für gemeinsam genutzte Ressourcen übernehmen. Ingenieure können die Anzahl der Prüflinge und Ressourcenregeln konfigurieren, wodurch parallele Tests viel einfacher und kostengünstiger als herkömmliche Methoden sind. Erfahren Sie mehr über parallele Testarchitekturen zur Reduzierung der Testkosten.

Durch die Kombination von Multicore-Prozessoren und Software wie LabVIEW und TestStand können Entwickler einen hohen Durchsatz und eine hohe Reaktionszeit erzielen, ohne Low-Level-Threading-Code zu schreiben. NI-Tools übernehmen die nahtlose Thread-Erstellung, Zeitplanung und Ressourcenfreigabe automatisch, so dass sich Ingenieure auf die Testlogik konzentrieren und Multicore-CPUs vollständig nutzen können. 

Taktgeschwindigkeit und deterministische Leistung

Taktgeschwindigkeit (GHz) ist für Single-Threading-Tasks in automatisierten Testsystemen wie Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung, HIL-Systeme oder Spektrumanalyse entscheidend. Höhere Taktfrequenzen verringern die Latenz und verbessern die Determiniertheit, wodurch kürzere Regelkreise, höhere Abtastraten und weniger Jitter ermöglicht werden. Für Single-Threading-Operationen bieten schnellere CPUs eine bessere Kreisausführung und Timing-Genauigkeit. Achten Sie beim Vergleich der Taktraten darauf, dies innerhalb derselben CPU-Generation zu tun, da Architekturunterschiede erhebliche Auswirkungen auf die Leistung in der Praxis haben können.

^{Tabelle 2. CPU-Taktraten-Kategorien und empfohlene Anwendungsfälle}

^{Abbildung 5. Latenz im Vergleich zur Taktrate}

Bei Echtzeit-Tasks sollten Sie eine niedrige Latenz und eine hohe Taktrate gegenüber der Kernanzahl bevorzugen. Beachten Sie, dass höhere GHz die Wärmeleistung und den Stromverbrauch erhöhen. Daher ist eine angemessene Kühlung unerlässlich. Hyper-Threading verbessert die Single-Threading-Leistung nicht. Bei Real-Time-Tasks kann die Konzentration auf die Geschwindigkeit physikalischer Kerne optimale Ergebnisse liefern.

Wichtige Hinweise zur Auswahl des richtigen Prozessors

• Kernanzahl priorisieren: Wählen Sie eine höhere Kernanzahl, um mehr Parallelität und Multitasking zu ermöglichen. 
• CPU-Benchmarks vergleichen: Verwenden Sie standardisierte Leistungskennzahlen, um Prozessoren auf dem Markt objektiv zu bewerten. 
• Threading-Funktionen nutzen: Kombinieren Sie Multicore-Prozessoren mit NI-Tools wie LabVIEW und TestStand für die parallele Ausführung ohne komplexe Programmierung. 
• Auf die Taktrate für Echtzeit konzentrieren: Wählen Sie höhere Taktraten als die Kernanzahl, wenn Latenz und Determinismus für zeitkritische Anwendungen entscheidend sind.

Insgesamt kann Ihnen das Verständnis der zuvor besprochenen Attribute helfen, Leistung und Kosten für Ihre Anwendung in Einklang zu bringen. 

2. Anforderungen an die Bandbreite

Bei PXI-Systemen bezeichnet Bandbreite die Rate, mit der Daten zwischen dem Controller, PXI-Modulen und anderen Systemkomponenten übertragen werden können. Bandbreite ist ein entscheidender Faktor, um zu bestimmen, wie gut Ihr System datenintensive Tasks handhabt. Es gibt zwei Arten von Bandbreiten: die Gesamtsystembandbreite und die Speicherbandbreite. 

Systembandbreite

Systembandbreite bezieht sich auf die maximale Datenübertragungsrate zwischen dem PXI-Controller und der PXI-Express-Backplane. Dies bestimmt, wie schnell der Controller Daten mit im Chassis installierten PXI-Express-Modulen austauschen kann.

• PXI Express
  • PCI Express Gen 1 – Bis zu 250 MB/s pro Lane (x4 = 1 GB/s)
  • PCI Express Gen 2 – 500 MB/s pro Lane (x4 = 2 GB/s)
  • PCI Express Gen 3 – 1 GB/s pro Lane (x4 = 4 GB/s oder höher)

PXI-Express-Backplane-Bandbreite bestimmt, wie schnell der Controller Daten an I/O-Module in einem Chassis übertragen kann. Wenn Sie z. B. ein PXI-Express-Chassis verwenden, das PCI Express Gen 3 (4 GB/s) unterstützt, aber einen auf PCI Express Gen 1 (1 GB/s) beschränkten Controller auswählen, kommt es zu Engpässen bei 1 GB/s, was die Leistung für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie RF oder Hochkanal-DAQ verringert. Durch die Abstimmung der PCI-Express-Generierung des Controllers mit dem Chassis wird ein optimaler Durchsatz und eine optimale Systemeffizienz gewährleistet. Weitere Informationen zur Backplane-Bandbreite finden Sie im Whitepaper There are two main types of bandwidths to consider: the overall system bandwidth and the memory bandwidth.

Speicherbandbreite

Speicherbandbreite legt fest, wie schnell die CPU auf Daten vom RAM zugreifen und diese verarbeiten kann – entscheidend für Echtzeit-Leistung, Multitasking und datenintensive Anwendungen wie Signalanalyse und maschinelles Lernen. DDR4/DDR5-Hochgeschwindigkeitsspeicher mit Multichannel-Architektur sorgt für eine reibungslose Ausführung, insbesondere bei der Ausführung mehrerer Apps oder virtueller Maschinen.

Berechnen der theoretischen Speicherbandbreite

Formel: (Kanäle×Byte pro Übertragung×Takt)/1024
 
Beispiel: PXIe-8881 bietet (4×8×2666)/1024=83 GB/s Speicherbandbreite

Die Speicherbandbreite muss höher sein als die PCI-Express-Bandbreite des Systems, um Engpässe zu vermeiden, da CPU und Module gleichzeitig Daten aus dem Speicher streamen können. Wenn die Speicherbandbreite zu gering ist, kann selbst eine Hochgeschwindigkeits-PCI-Express-Gen-3-Backplane nicht mit vollem Potenzial arbeiten, was die Leistung in Hochdurchsatzanwendungen beeinträchtigt.

PXI-Controller-Auswahlmatrix nach Bandbreiten-Kategorie

Tabelle 3 hilft Ihnen bei der Auswahl eines Controllers, der basierend auf Ihrem geschätzten Anwendungsdurchsatz Ihren Bandbreitenanforderungen entspricht. Die Berücksichtigung dieser Faktoren kann dazu beitragen, dass Ihr System Daten effizient und ohne Engpässe erfassen und verarbeiten kann.

^{Tabelle 3. PXI-Controller-Empfehlungen nach Bandbreiten-Kategorie}

3. Arbeitsspeicher (RAM) und Speicher 

RAM fungiert als Kurzzeitspeicher des Controllers und speichert während der Testausführung vorübergehend Daten. Ausreichender RAM reduziert Engpässe zwischen Messgeräten und Controller, was eine reibungslose Datenübertragung über die PXI-Express-Backplane und eine effiziente Verarbeitung großer Datensätze ermöglicht.

Hochleistungsanwendungen wie RF-Analyse, Mischsignalerfassung, HIL-Simulation und Echtzeit-Signalverarbeitung profitieren von höheren RAM-Kapazitäten für schnellere Berechnungen und Multitasking. So unterstützt z. B. das PXIe-8881 bis zu 64 GB Quad-Channel DDR4-2666 RAM und das PXIe-8862 bis zu 32 GB Dual-Channel DDR4-3200 RAM für intensivere Aufgaben.

Andere Anwendungen, wie die einfache Datenerfassung, Sensorprotokollierung und Temperaturüberwachung, werden in der Regel mit 8 GB RAM effizient ausgeführt, da der Puffer- und Verarbeitungsaufwand gering ist.

Auf Ihrem System werden Daten, Software und Betriebssystemdateien gespeichert. Es beeinflusst, wie schnell Daten geschrieben, abgerufen und analysiert werden können. Es gibt zwei Hauptspeicheroptionen für Embedded-PXI-Controller von NI. Solid-State-Laufwerke (SSDs) werden aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit mit Kapazitäten bis zu 512 GB und verfügbaren Erweiterungsoptionen bevorzugt. Einige Controller – wie der PXIe-8862 – verfügen für eine sichere Datenverarbeitung in klassifizierten Umgebungen über Frontpanel-Wechsellaufwerke mit Upgrade-Optionen bis zu 960 GB.

Wenn Sie mehr Speicher für Hochgeschwindigkeitsprotokollierung (>1 GS/s) oder Langzeittests benötigen, die im Chassis verarbeitet werden sollen, sollten Sie ein PXI-Speichermodul (NI PXIe-8267) hinzufügen, um Kapazität und Leistung zu erhöhen.

4. Das richtige Betriebssystem

Das Betriebssystem bestimmt, welche Entwicklungswerkzeuge, Treiber und Automatisierungs-Frameworks für Ihre Anwendung verfügbar sind. Eine kritische Überlegung ist die Fähigkeit des Betriebssystems, Determinismus und präzises Timing zu liefern. Für Anwendungen, die eine vorhersehbare, latenzarme Reaktion erfordern – wie Hardware-in-the-Loop-Simulationen oder geschlossene Regelkreise – ist ein Echtzeitbetriebssystem erforderlich. 

Microsoft Windows

Windows ist das am häufigsten verwendete Betriebssystem für PXI-Systeme und bietet Kompatibilität mit einer Vielzahl von Test- und Messsoftware, einschließlich NI LabVIEW, NI TestStand und Tools von Drittanbietern. Die grafische Benutzeroberfläche (GUI) vereinfacht die Entwicklung, Fehlersuche und Integration in die IT-Infrastruktur eines Unternehmens. 

Die LTSC-Version (Long-Term Servicing Channel) ist eine spezielle Windows-Version für Unternehmens- und geschäftskritische Umgebungen, in denen Stabilität, Sicherheit und ein langer Lebenszyklus unerlässlich sind. Der IoT Enterprise LTSC Lifecycle umfasst 10 Jahre Support. NI-PXI-Controller werden mit Windows 10 LTSC oder Windows 11 LTSC geliefert.

Weitere Informationen zu Windows 11.

NI Linux Real-Time

NI Linux Real-Time wurde für Anwendungen entwickelt, die eine deterministische Leistung mit geringer Latenz erfordern. Der Real-Time-Kernel sorgt für vorhersehbare Reaktionszeiten, während der Headless-Betrieb (keine GUI) die Zuverlässigkeit in Embedded- und Industrieumgebungen erhöht. NI Linux Real-Time ist auch weniger anfällig für unerwartete Updates oder Hintergrundprozesse, die die Testausführung unterbrechen können. Das NI Linux Real-Time OS wird vollständig vom NI  LabVIEW Real-Time Module unterstützt.

Betriebssystem NI Linux Real-Time bietet:

• Garantierte Ausführungsdauer im ungünstigsten Fall
• Priorisierung von Programmabschnitten für optimale Leistung
• Einheitliches Schleifen-Timing (Mikrosekundengenauigkeit)

Mehr dazu:

• NI-Linux-Technologie
• Was ist ein Real-Time-Betriebssystem?
• Wann empfiehlt sich ein Real-Time-System?

Kein Betriebssystem (benutzerdefinierte Installation)

NI-PXI-Controller unterstützen die benutzerdefinierte Betriebssystemverteilung über Controller-Varianten ohne Betriebssystem, wodurch Unternehmen die Flexibilität haben, ihre eigenen Betriebssysteme zu installieren. Diese Option ist ideal für Teams mit proprietären Anforderungen, einzigartigen Sicherheitsrichtlinien oder speziellen Integrationsanforderungen.

Dieser Ansatz bietet zwar maximale Anpassungsmöglichkeiten, erfordert jedoch fortgeschrittene Kenntnisse in der Betriebssystemverteilung und Treiberintegration. NI-Hardwaretreiber sind beispielsweise nur für ausgewählte Linux-Distributionen verfügbar. Daher wird empfohlen, unterstützte Distributionen wie RHEL, Ubuntu oder OpenSUSE zu verwenden.

Sie können auch die Online-NI-OS-Kompatibilitätsprüfung verwenden, in der die Kompatibilität von Hardware und Software mit dem Betriebssystem angezeigt wird. Lesen Sie diese Informationen, um sicherzustellen, dass Ihre ausgewählte Hardware-/Treiber-/Softwarekombination auf Ihrem gewünschten Betriebssystem unterstützt wird.

Weitere Informationen zur NI-Plattform auf Linux Desktop.

5. I/O und Anschlussmöglichkeiten

PXI-Embedded-Controller bieten nicht nur Hochgeschwindigkeitskommunikation über die PXI-Express-Backplane, sondern dienen auch als Schnittstelle zu externen Systemen. I/O-Bandbreite bezieht sich auf die Datenübertragungsrate zwischen dem Controller und externen Geräten über Ports wie Thunderbolt, USB, Ethernet, DisplayPort™ und NVMe-Speicher. Diese Verbindungen ermöglichen Datenprotokollierung, Fernsteuerung, Visualisierung und Integration mit externen Geräten.

Die I/O-Bandbreite ist für datenintensive Workflows oder verteilte Testsysteme, die eine schnelle externe Datenübertragung erfordern, kritisch, z. B.:

• Streaming großer Datensätze auf externen Speicher mit Thunderbolt oder NVMe
• Fernüberwachung oder Steuerung über Ethernet
• Anschließen mehrerer hochauflösender Displays zur Visualisierung

Wenn Ihre Anwendung Daten intern im PXI-Express-Chassis verarbeitet, ist die I/O-Bandbreite weniger kritisch: Sie ist eher eine "gut zu wissende" Funktion. Bei Systemen, die auf externe Konnektivität angewiesen sind, kann dies jedoch die Leistung erheblich beeinträchtigen.

Gängige I/O-Schnittstellen an PXI-Embedded-Controllern von NI

• Ethernet (RJ-45): Netzwerkanbindung, Fernbedienung, Datenübertragung
• USB (2.0/3.0/3.2): Peripherieanschlüsse (Tastaturen, Laufwerke, Geräte)
• Thunderbolt 4: Konnektivität externer Hochgeschwindigkeitsgeräte
• DisplayPort: Verbindung für GUI und Fehlersuche überwachen
• Seriell (RS-232/RS-485): Steuerung von Legacy-Messgeräten und Industriegeräten
• GPIB: Steuerung von Legacy-Messgeräten (optional bei ausgewählten Modellen)
• Trigger-Ports: Leitung von PXI-Triggern zur Backplane
• Wechselspeicher (U.2 NVMe SSD): Speicherkapazität erweitern oder aktualisieren
• Reset-Taste und LEDs: Systemrücksetz- und visuelle Zustandsanzeigen

Abbildung 6. Detailliertes Diagramm des PXIe-8862 mit Wechselfestplatte

6. PXI-Chassi-Kompatibilität

PXI-Embedded-Controller sind in einem PXI-Chassis untergebracht. Das PXI-Chassis ist mehr als nur ein mechanischer Rahmen – es definiert die Backplane-Architektur, die Stromversorgung, die Kühlleistung und die Datenbandbreite für Ihren Embedded-Controller und PXI-Module. Die Wahl des richtigen Chassis gewährleistet optimale Leistung, Kompatibilität und Skalierbarkeit Ihres Testsystems.

Die Auswirkungen der PXI-Controller-Wahl verstehen

Alle NI-Controller sind mechanisch und elektrisch mit jedem PXI-Chassis kompatibel und funktionieren daher unabhängig von Ihrer Konfiguration. Die Kompatibilität garantiert jedoch keine optimale Leistung. Um den höchsten Durchsatz und die höchste Stabilität zu erzielen, müssen Sie ein Chassis auswählen, das den Bandbreiten- und Leistungsanforderungen des Controllers entspricht.

• Leistungseinbußen: Ein Hochgeschwindigkeits-Controller in einem Chassis mit geringer Bandbreite verschwendet PCI-Express-Bandbreite. Wenn z. B. ein NI-PXIe-8862-Controller (PCI-Express-Gen 3) in einem NI-PXIe-1071-Chassis (PCI-Express-Generation 1) verwendet wird, können die Module im Chassis nicht die volle Gen-3-Geschwindigkeit nutzen. 
• Systeminstabilität: Unzureichende Leistung oder Kühlung kann zu Überhitzung und Abschaltung führen. Dies gilt nur für den Controller NI PXIe-8881, der ein 82-W-Kühl-Chassis erfordert. PXI-Embedded-Controller benötigen einen Slot. Sie funktionieren nicht in MXIe- oder Thunderbolt-integrierten Chassis (z. B. NI PXIe-1083 oder NI PXIe-1090), da diese Chassis keinen System-Slot enthalten.

Embedded-Controller-Formfaktor

Der physikalische Formfaktor von PXI-Embedded-Controllern bestimmt die Kompatibilität mit PXI-Chassis. Die meisten PXI-Chassis verfügen über einen Systemcontroller-Steckplatz mit vier Slots, während einige Chassis von Drittanbietern nur einen einzigen System-Slot bieten. Ein Controller mit einem Slot kann zwar in einem Chassis mit vier Slots betrieben werden, nutzt jedoch den verfügbaren Platz nicht vollständig aus. Umgekehrt kann ein Controller mit vier Slots nicht in ein Chassis passen, das für einen einzelnen Slot ausgelegt ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl von Chassis und Controller die Datenübertragung und den Gesamtsystemdurchsatz direkt beeinflusst. Informationen zum Optimieren der Leistung von PXI-Systemen finden Sie in diesem Whitepaper zur Maximierung von Datenübertragung und Datendurchsatz.

Mehr dazu:

• NI-Chassis-Designs
• Kompatibilität von Controller und Chassis prüfen
• Vollständige Systemkompatibilität validieren

7. Zuverlässigkeit

PXI-Embedded-Controller sind für den kontinuierlichen, geschäftskritischen Betrieb in unterschiedlichen Umgebungen ausgelegt – von kontrollierten Labors über Fertigungsbereiche bis hin zu Feldtests. Zuverlässigkeit wird durch Umweltverträglichkeit und thermisches Management erreicht.

Umweltverträglichkeit

• Betriebstemperatur:
  • 0 °C bis 55 °C für Regler.
  • Die Betriebstemperatur des PXIe-8881 beträgt unter Volllast aufgrund eingeschränkter CPU-Leistung 40°C.
• Tastgrad:
  • Controller: Bis zu 100% CPU-Auslastung und 0,3 SSD-Schreibvorgänge pro Tag für 24/7-Betrieb.
  • Standard-Festplatten: 20% Tastgrad (8 Stunden/Tag, 5 Tage/Woche), wie PCs.

Wärmemanagement

• Hochleistungs-CPUs und dicht besiedelte PXI-Systeme erzeugen erhebliche Wärme, die die Stabilität beeinträchtigen kann, wenn sie nicht verwaltet werden.
• Bewährte Methoden sind die Kombination von leistungsstarken Controllern mit leistungsstarken Chassis für eine optimale Kühlung. 
  Beispiel: Chassis des Typs NI PXIe-1095 (82 W pro Slot-Kühlung) mit einem Controller des Typs NI PXIe-8881 (8-Kern-CPU) sorgen für thermische Kopffreiheit bei rechenintensiven Systemen mit mehreren Slots.

8. Sicherheitsbedürfnisse

Mit zunehmender Vernetzung und Integration von Testsystemen in Unternehmensnetzwerke ist der Schutz von Daten und die Wahrung der Systemintegrität unerlässlich. Wir implementieren robuste Sicherheitsprotokolle für alle Produkte von NI, einschließlich Controller. Erfahren Sie mehr zur Plattformsicherheit bei PXI-Produktsicherheit.

Darüber hinaus arbeiten wir mit führenden Prozessorherstellern zusammen, um sicherzustellen, dass die neuesten NI-Controller mit erweiterter hardwarebasierter Sicherheit wie TPM 2.0 ausgestattet sind. Das Trusted Platform Module (TPM) ist ein spezieller Chip, der kryptografische Schlüssel sicher speichert, einen sicheren Start ermöglicht, die Integrität der Firmware überprüft, die Festplattenverschlüsselung unterstützt und die Authentifizierung erleichtert. TPM 2.0 ist jetzt Standard in den meisten Embedded-Controllern von NI und bietet verbesserte Sicherheit und Kompatibilität mit modernen Cybersicherheits-Frameworks, einschließlich Windows-11-Funktionen wie sicherer Boot und Geräteverschlüsselung

Mehr dazu:

• Windows 11-Sicherheit und die Vorteile für Testanwendungen
• TPM - Häufig gestellte Fragen

China TPM 2.0

NI-Controller sind sowohl mit Standard-TPM 2.0 als auch mit China TPM 2.0 erhältlich. China TPM 2.0 entspricht den chinesischen Regierungsvorschriften und verwendet lokale kryptografische Algorithmen (SM2, SM3, SM4) anstelle internationaler Standards (RSA, SHA, AES). China TPM 2.0 ist für Produkte erforderlich, die in China eingesetzt werden, um lokale Sicherheitsstandards zu erfüllen. Wenn Ihr System in China verwendet wird, wählen Sie die Option China TPM. Prüfen Sie hier die TPM-Unterstützung für bestimmte Controller. 

Darüber hinaus verfügen einige PXI-Embedded-Controller von NI über herausnehmbare Laufwerksoptionen für die sichere Datenverarbeitung in klassifizierten Umgebungen. Weitere Informationen finden Sie im PXIe-8822/42/62 – Erste Schritte.

Durch Bewertung Ihrer Anwendungsanforderungen und unter Berücksichtigung von Faktoren wie Rechenleistung und Systembandbreite bis hin zur Sicherheit können Sie bei der Auswahl Ihres Controllers eine sichere und fundierte Entscheidung treffen.

Die folgenden drei Testszenarien veranschaulichen, wie spezifische Anwendungsanforderungen die Auswahl von Messgeräten, Chassis und Controllern vorantreiben – und liefern praktische Einblicke in die Entwicklung eines kostengünstigen und optimierten PXI-Systems.

Testszenario 1: Einfache automatisierte Validierung für Unterhaltungselektronik

Ein Kunde erstellt ein kostengünstiges automatisiertes Testsystem zur Validierung von Unterhaltungselektronik wie Smart Home-Geräten, Wearables oder Handheld-Geräten.

Wichtige Anforderungen

• Niedriger Datendurchsatz: Bis zu 100 MB/s für digitale I/O, Sensormessungen und einfache Analogerfassung. 
• Zuverlässige Leistung: Kann ohne Verzögerung Testskripte ausführen, Ergebnisse protokollieren und grundlegende Analysen durchführen. 
• Windows-Betriebssystemkompatibilität: Stellt die Integration mit LabVIEW, TestStand und Python-basierten Tools sicher. 
• Skalierbare Messgeräte: Unterstützt mehrere PXI-Module für I/O, Stromversorgung und Messung. 
• Budgetfreundlich: Priorisiert niedrige Gesamtbetriebskosten bei minimalem Einrichtungsaufwand.

Geräteauswahl

Das System umfasst folgende Module:

• NI PXIe-6509: Digital-I/O mit 96 Kanälen zur Gerätesteuerung und Statusüberwachung.
• NI PXIe-4300: 8-Kanal-Analogeingang zur Sensorvalidierung.
• NI PXIe-4112: programmierbares Netzteil für Prüflinge.
• NI PXIe-2527: Multiplexer für Signalführung und -umschaltung.

Diese Geräte erfordern eine moderate Bandbreite und profitieren von synchronisierter Triggerung und Timing.

Chassis-Auswahl

NI-PXIe-1088-Chassis

• 9 PXI-Express-Slots
• Bis zu 8 GB/s Systembandbreite
• Kompakt und kostengünstig – ideal für Tisch- oder Rack-Installationen.

Dieses Chassis unterstützt alle ausgewählten Geräte und bietet ausreichend Bandbreite für die Anwendung.

Controller-Empfehlung

NI PXIe-8822 Embedded-Controller

^{Tabelle 4. Technische Daten des NI-PXIe-8822-Embedded-Controllers}

Warum PXIe-8822 für dieses Szenario gut geeignet ist

• Ausgewogene Leistung: Ideal für universelle Validierungs-Tasks ohne übermäßige Investitionen in High-End-Spezifikationen.
• Erweiterbar: Unterstützt zusätzliche PXI-Module für digitale E/A, Analog-Eingang oder Leistungsmessungen.
• Kompakt und zuverlässig: Niedriger Stromverbrauch und Festkörperspeicher machen es geeignet für Labor- oder Produktionsumgebungen.

Testszenario 2: Hochvolumen-Funktionstest für sicherheitskritische Smart Devices

Ein Hersteller intelligenter Brand- und Gaserkennungssysteme benötigt eine standardisierte, automatisierte Testplattform, um jährlich Millionen sicherheitskritischer Geräte zu validieren und herzustellen. Das System muss bei der Qualität keine Kompromisse eingehen, komplexe Funktionen handhaben und für die Serienproduktion effizient skalieren.

Wichtige Anforderungen

• Hohe Testabdeckung: Funktionale Validierung von Sensoren, drahtlosen Protokollen, Embedded-Software und Benutzeroberflächen.
• Automation: Möglichkeit, Hunderte von Tests über Nacht durchzuführen, um die Validierung zu beschleunigen und den manuellen Aufwand zu reduzieren.
• Datenintegrität: Genaue Messungen und Rückverfolgbarkeit für Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und einen langen Produktlebenszyklus (10+ Jahre).
• Skalierbarkeit: Unterstützung für parallele Prüflinge und einfache Replikation von Teststände für Volumenwachstum.
• Standardisierung: Gemeinsame Hardware-/Softwarearchitektur für Validierung und Produktion, um Zykluszeit und Wartungsaufwand zu reduzieren.

Geräteauswahl

• NI PXIe-4300: Analogeingang für Sensorkalibrierung und Umgebungsmessungen.
• NI PXIe-6571: Messgerät für Digitalmuster zum Funktionstest eingebetteter Schnittstellen.
• NI PXIe-4112: programmierbares Netzteil für die Prüflingsstromabfolge.
• NI PXIe-2532B: Matrixschalter zur Signalweiterleitung und -schaltung.

Chassis-Auswahl

Chassis des Typs NI PXIe-1095

• 18 PXI-Express-Slots für Konfigurationen mit hoher Dichte.
• Bis zu 24 GB/s Systembandbreite für parallele Prüflinge.
• Fortgeschrittene 82-W-Kühlung für lang andauernden Hochlastbetrieb.

Controller-Empfehlung

NI PXIe-8862 Embedded-Controller

^{Tabelle 5. Technische Daten des NI-PXIe-8862-Embedded-Controllers}

Warum PXIe-8862 für dieses Szenario gut geeignet ist

• Ausgewogene Leistung: Führt umfangreiche Funktionstests und Automatisierung durch, ohne übermäßig in die Spezifikationen der Xeon-Klasse zu investieren.
• Kosteneffizienz: Niedrigere Kosten als beim PXIe-8881 bei gleichzeitiger Unterstützung von Setups mit mehreren Slots und hoher Dichte.
• Skalierbarkeit: Funktioniert nahtlos mit PXIe-1095-Chassis für parallele Prüflinge.
• Zuverlässigkeit: Festkörperspeicher und robustes Design gewährleisten die Verfügbarkeit sicherheitskritischer Geräte.

Testszenario 3: Hochbandbreiten-RF-Validierung für drahtlose Systeme

Ein Kunde entwickelt ein automatisiertes Testsystem zur Validierung von 5G-Funkmodulen, RF-Frontend-Geräten und Hochgeschwindigkeits-Transceivern. Das System muss große Datenströme für die Echtzeitsignalanalyse und Aufzeichnung/Wiedergabe verarbeiten.

Wichtige Anforderungen

• Hoher Datendurchsatz: Unterstütztes Streaming von bis zu 4 GHz momentaner Bandbreite für RF-Aufnahme/Wiedergabe und Mehrkanalsignalerfassung.
• Windows-Betriebssystemkompatibilität: Nahtlose Integration mit LabVIEW, TestStand und NI RFmx Persönlichkeiten und APIs für Messungen.
• Skalierbare Architektur: Unterstützung für mehrere RF-Messgeräte und Erweiterung auf Konfigurationen mit mehreren Chassis.
• Robustes Wärmemanagement: Leistungsfähige CPU und dichte RF-Module erfordern eine erweiterte Kühlung.

Geräteauswahl

• NI PXIe-5842: Vektorsignal-Transceiver (VST) für RF-Signalerzeugung und -analyse bis zu 54 GHz.
• NI PXIe-5668: Hochleistungs-RF-Signalanalysator für Breitbandmessungen.
• NI PXIe-7903: FPGA-Coprozessormodul für Signalverarbeitung und Daten-Streaming in Echtzeit.
• NI PXIe-6674T: Timing- und Synchronisationsmodul für phasenkohärente Messungen.

Diese Geräte erfordern eine hohe PCI-Express-Bandbreite und profitieren von deterministischen Triggern.

Chassis-Auswahl

Chassis des Typs NI PXIe-1095

• 18 PXI-Express-Slots
• Bis zu 82 W pro Slot Kühlleistung
• 24 GB/s Systembandbreite für Skalierbarkeit auf mehreren Chassis
• Ideal für RF- und FPGA-intensive Anwendungen, die maximalen Durchsatz und thermische Headroom erfordern.

Controller-Empfehlung

NI PXIe-8881 Embedded-Controller

^{Tabelle 6. Technische Daten des NI-PXIe-8881-Embedded-Controllers}

Warum PXIe-8881 für dieses Szenario gut geeignet ist

• Extreme Bandbreite: Verarbeitet Mehrkanal-RF-Streaming und FPGA-Datenbewegungen ohne Engpässe.
• Leistung berechnen: Die Intel Xeon CPU mit 8 Kernen unterstützt Echtzeitanalysen und komplexe Signalverarbeitung.
• Thermische Zuverlässigkeit: Für Hochleistungs-RF-Module in PXIe-1095-Chassis konzipiert.
• Skalierbarkeit: Unterstützt Multi-Chassis-Konfigurationen für große RF-Testsysteme.

Die Auswahl des richtigen NI-PXI-Controllers hängt von Ihren Anforderungen ab, z. B. Verarbeitungsgeschwindigkeit, Bandbreite, Speicher usw. Sie können die folgende allgemeine Richtlinie als Ausgangspunkt nutzen und noch heute mit dem NI System Advisor​ ein System konfigurieren. Informationen zum Vergleichen von Modellen und Artikelnummern finden Sie in der NI PXI Controller Broschüre.

^{Tabelle 7. Empfohlene NI-PXI-Controller nach Anwendung}

• Noch heute ein PXI-System erstellen
• Entdecken Sie die Designvorteile von PXI-Embedded-Controllern
• Erfahren Sie mehr über die Grundlagen beim Aufbau eines Testsystems

^{Windows ist eine in den USA und anderen Ländern eingetragene Marke der Microsoft Corporation.}

^{Die eingetragene Marke Linux® wird gemäß einer Unterlizenz von LMI verwendet. LMI ist der exklusive Lizenznehmer von Linus Torvalds, dem weltweiten Eigentümer der Marke.}

^{Thunderbolt und das Thunderbolt-Logo sind Marken der Intel Corporation oder deren Tochterunternehmen in den USA und/oder anderen Ländern.}