Intégrer des bus LXI, USB, PXI Express et d’autres standards dans un système de test hybride

Aperçu

Avec l’émergence de standards de contrôle d'instruments basés sur des bus de communication tels que les bus USB et LAN/LXI, les développeurs sont confrontés au problème posé par l’intégration de ces instruments dans leurs systèmes. L’instrumentation autonome a poursuivi son développement en tirant parti des tout nouveaux bus et standards, comme l’USB et le LXI, proposant aux utilisateurs un large éventail d’options de connexion, possédant chacune ses propres points forts. Parallèlement, un système de test peut nécessiter l’utilisation d’un bus d’instrumentation modulaire tel que le PXI ou PXI Express pour des applications qui ont besoin de souplesse logicielle, de temps de latence courts et d’une vitesse de transfert élevée. Ainsi, pour différentes raisons, l’utilisateur peut avoir besoin de combiner plusieurs bus ou d’intégrer des bus supplémentaires dans son système de test. En tirant avantage des systèmes de test hybrides qui associent des composantes de plusieurs plates-formes, il est facile d’intégrer de nouveaux bus dans un système de test existant pour prendre en compte des considérations relatives à la conception, profiter des différentes technologies du marché et augmenter la durée de vie du système. Pour intégrer des plates-formes PXI, VXI, GPIB, USB ou encore LAN/LXI dans un système, l’architecture logicielle utilisée est primordiale pour la réussite de l’intégration et la capacité d’adaptation aux changements des bus d’instrumentation.

Pour des informations techniques détaillées, vous pouvez visionner la présentation multimédia (en Anglais) : Connect to Your Instruments Using the Latest Bus Technology

Ce document fait partie de la série sur les fondamentaux pour le contrôle d'instrument.

Contenu

Systèmes de test hybride

Lors de la conception de systèmes de test, les développeurs doivent prendre en compte différentes considérations. Pour répondre aux besoins du système, il est possible de créer un système hybride qui permettra de tirer parti des différentes plates-formes de test. Dans certains cas, un système peut avoir besoin de la souplesse logicielle et de la vitesse de transfert élevée offertes par des bus d'instrumentation modulaire tels que les bus PXI et PCI Express, ainsi que des fonctionnalités spécifiques d’un instrument autonome reposant par exemple sur les bus USB ou LAN/LXI. Les systèmes de test hybrides associent des composantes de plusieurs plates-formes de test automatisé telles que PXI, PCI, GPIB, VXI, USB ou encore LAN/LXI dans un seul et même système. Par ailleurs, en utilisant des systèmes hybrides, les ingénieurs peuvent facilement intégrer de nouvelles composantes au sein de leur système existant sans avoir à en modifier la conception. La clef de ces systèmes de test hybrides consiste en une architecture extensible en couches qui contribue à rationaliser la maintenance et les mises à jour.

En concevant des systèmes de test multiplates-formes hybrides avec l’architecture à cinq couches illustrée Figure n°1, les développeurs peuvent séparer distinctement le matériel du logiciel. Cela simplifie l’intégration de plates-formes multiples et facilite la maintenance et les mises à jour en n’exigeant que des modifications mineures apportées à des couches spécifiques et non une refonte totale du système pour intégrer de nouveaux éléments. L’architecture est composée, en partant du bas, de la couche Matériel d’E/S qui contient les instruments utilisés, pouvant être basés sur différents bus d'instrumentation, y compris les bus PXI, VXI, USB ou LAN/LXI. En montant dans l’architecture, on trouve la couche Traitement qui comprend les contrôleurs embarqués et distants utilisés pour contrôler l’instrumentation modulaire et permettre la connexion avec différents bus autonomes. Plus haut, on trouve la couche Services de mesure et de contrôle avec les matériels et les drivers d’instruments qui permettent de faire le lien entre le matériel et le logiciel. La quatrième couche, la couche Application, est composée des programmes de test spécifiques, comme une mesure de multimètre numérique ou un spectre de puissance. Enfin, la couche Gestion de systèmes vient compléter l’architecture en fournissant une structure pour appeler les programmes de test, enregistrer les données, générer des rapports et gérer les utilisateurs.


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Figure n°1 : L’utilisation d’une architecture en couches permet aux développeurs d’associer plusieurs plates-formes, telles que les plates-formes PXI, USB et LAN/LXI, et d’étendre les systèmes à l’aide de nouvelles technologies.
 

Bus d’instrumentation autonome : GPIB, USB et LAN y compris LXI

Il existe un large éventail de bus pour les instruments autonomes, notamment les bus GPIB, USB, LAN/LXI et série. Les divers bus d’instrumentation ont des points forts différents ; certains sont donc mieux adaptés que d’autres à des applications spécifiques. Avec le GPIB, les utilisateurs bénéficient d’une technologie de bus d’instrumentation qui a fait ses preuves et d’un large éventail d’instruments tandis qu’avec le bus USB, les développeurs peuvent tirer parti de sa grande disponibilité et de sa facilité de connexion. Avec le bus LAN/LXI, les utilisateurs sont à même de répondre aux besoins des applications distribuées et distantes. La grande variété des bus d’instrumentation disponibles permet aux utilisateurs de choisir l’instrument adapté à leurs besoins en s’appuyant sur des facteurs comme les fonctionnalités de mesure, la bande passante, le temps de latence, les performances et la connectivité.

GPIB
Spécialement conçu pour les applications de test, de mesure et de contrôle d'instruments, le GPIB (General Purpose Interface Bus) s’est imposé 30 années durant comme un bus de communication robuste et fiable et occupe, aujourd’hui encore, une place importante. Utilisant un bus parallèle, le GPIB fournit aux utilisateurs un bus d’instrumentation avec un temps de latence faible. La révision IEEE 488.2-1987 a renforcé le standard en définissant précisément comment les contrôleurs et les instruments communiquent via le GPIB. De plus, la révision IEEE 488.1-2003 a défini un mode de transfert de données haute vitesse augmentant la bande passante d’un facteur huit afin d’offrir aux utilisateurs 8 Mo pour le contrôle d’instruments GPIB. N’étant pas issu de l’industrie du PC, le bus GPIB ne se trouve généralement pas en standard sur un PC. En règle générale, il faut utiliser une carte enfichable, comme la PCI-GPIB, ou des convertisseurs externes, comme le GPIB-USB, afin que le PC puisse contrôler des instruments GPIB. Avec près de dix millions de matériels d’instrumentation sur le marché, le GPIB a longtemps été le bus de communication le plus utilisé pour les instruments autonomes.

USB
Le bus USB (Universal Serial Bus) est devenu un bus de communication largement utilisé pour les instruments autonomes en raison de sa présence en standard sur les PC, de sa facilité d’utilisation plug-and-play et de sa bande passante élevée. Les ordinateurs étant désormais équipés de ports USB, les ingénieurs peuvent tirer parti de la facilité de connexion et de configuration pour intégrer rapidement des instruments basés USB dans leur système. L’USB 2.0 a permis l’apparition d’une nouvelle catégorie de périphériques haute vitesse qui peut atteindre une vitesse de transfert maximale de 480 Mbits/s. En outre, les spécifications USB TMC (USB Test and Measurement Class) répondent aux exigences en termes de communication de toute une gamme de matériels de test et mesure, des simples capteurs aux châssis dotés de multiples fonctions de mesure. L’USB TMC définit un protocole à partir du bus USB qui permet une communication semblable au GPIB, si bien que du point de vue de l'utilisateur, le périphérique USB se comporte exactement comme un matériel GPIB. Il est possible, par exemple, d’utiliser la fonction VISA Write pour envoyer la requête “*IDN?” et d’avoir recours à la fonction VISA Read pour lire la réponse. Le protocole USB TMC supporte des demandes de service, des déclenchements et d’autres opérations spécifiques au GPIB.

LAN/LXI
Le LAN (Local Area Network) est une technologie bien implantée, largement utilisée dans les systèmes de mesure et dans d’autres domaines incluant la mise en réseau et le stockage de données à distance. Disponible sur la plupart des ordinateurs actuels, le LAN s’est imposé avec succès comme bus de communication pour les instruments autonomes et convient parfaitement aux systèmes distribués et au contrôle distant. Étant donné que le LAN supporte de grandes longueurs de câbles en utilisant des commutateurs, des routeurs et des répéteurs, les utilisateurs ne sont pas obligés de limiter l’instrumentation au niveau local et peuvent distribuer des instruments autonomes dans l’ensemble du système. Par ailleurs, les spécifications VXI-11 fournissent un ensemble de protocoles normalisé pour la communication avec les instruments basés messages via TCP/IP. Partie intégrante des spécifications VXIbus, les spécifications VXI-11 définissent un protocole pour les instruments en réseau à utiliser pour la communication entre contrôleur et matériel via un réseau TCP/IP. Le standard LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) définit un sous-ensemble d’instruments autonomes LAN. Le standard LXI définit des classes d’instruments basés sur le LAN et inclut des spécifications de cadencement optionnelles reposant sur la technologie IEEE 1588 ainsi que des spécifications de déclenchement optionnelles avec le bus de déclenchement LXI. En mettant en œuvre ces spécifications supplémentaires du standard LXI, les utilisateurs peuvent ajouter un niveau de cadencement et de synchronisation aux systèmes de contrôle distant et distribué basse fréquence.


Avec tous ces bus d’instrumentation, les utilisateurs restent confrontés aux mêmes problématiques qu’avec les instruments autonomes. Ces derniers présentent certes des avantages dans la mesure où ils peuvent fournir des performances ou des fonctionnalités spécifiques, mais ce sont des instruments propriétaires, définis par le fournisseur. De ce fait, les développeurs se heurtent à une intégration et une capacité d'extension limitées et sont contraints de travailler avec un modèle de logiciel propriétaire.

Bus d’instrumentation modulaire : PCI, PXI, PCI Express et PXI Express

Dans le cadre de l’instrumentation modulaire, les développeurs peuvent tirer parti de standards ouverts multi-fournisseurs et de la diversité des options logicielles pour créer une solution définie par l’utilisateur adaptée aux besoins de leur application spécifique. En utilisant une architecture modulaire et des standards ouverts, les utilisateurs peuvent facilement intégrer des composantes provenant de fournisseurs différents dans un système unique et dimensionner le système en fonction de leurs besoins. Grâce à la vitesse de transfert élevée, au temps de latence faible et à la souplesse logicielle, les développeurs peuvent créer un système de test défini par l'utilisateur capable de répondre aux besoins de nombreuses applications en termes de performances. Les bus d’instrumentation modulaire fournissent une vitesse de transfert plus élevée et un temps de latence plus court que les bus d’instrumentation autonome. Cela permet aux utilisateurs de répondre aux besoins de nombreuses applications comme le transfert de données en streaming. En tirant parti d’un logiciel ouvert et de la puissance de traitement du PC, il est possible d’extraire toutes les mesures nécessaires à partir des données transmises par les instruments modulaires. Cela permet aux utilisateurs de concevoir un système adapté à leurs besoins et de n’acheter que les composantes indispensables à l’application.

PCI et PXI
Apparu au début des années 1990, le PCI a été utilisé dans un premier temps comme un bus de remplacement du bus ISA fragmenté. Le bus PCI a apporté des avantages par rapport aux bus précédents, tels que l’indépendance du processeur, l’isolation bufférisée, le bus mastering et un fonctionnement véritablement plug-and-play. Bien que d’une manière générale il ne soit pas utilisé directement pour le contrôle d’instruments, le bus PCI est utilisé pour connecter des périphériques GPIB ou série pour le contrôle d’instruments. Par ailleurs, du fait de sa bande passante élevée, le PCI est utilisé comme un bus porteur pour les instruments modulaires dans lesquels le bus d’E/S est intégré au matériel de mesure.

Le PXI allie les caractéristiques électriques du bus PCI et le conditionnement mécanique Eurocard durci et modulaire du CompactPCI ; il propose aussi des bus de synchronisation spécialisés et des fonctionnalités logicielles clés. Cela fait de lui une plate-forme de déploiement à la fois hautes performances et économique dédiée aux systèmes de test, de mesure et de contrôle. Ces systèmes sont utilisés dans des applications telles que le test en production, la défense et l’aéronautique, le contrôle industriel, l’automobile et le test industriel. Grâce à la communication basée PCI, le PXI bénéficie de temps de latence courts et d’une vitesse de transfert élevée à 132 Mo/s. De plus, le PXI fournit un cadencement et un déclenchement supplémentaires avec une horloge de référence de 10 MHz, huit lignes pour le bus de déclenchement et des lignes de déclenchement en étoile qui fournissent des lignes de déclenchement dédiées avec un déphasage entre les modules de l'ordre de la nanoseconde. Le PXI est fréquemment utilisé comme plate-forme pour l’instrumentation modulaire proposant une alternative intéressante à l’instrumentation autonome traditionnelle grâce à des matériels de mesure hautes performances compacts dotés de capacités de cadencement et de synchronisation intégrées.

PCI Express
Comme les applications PC consomment de plus en plus de bande passante, le bus PCI atteint ses limites physiques dans bon nombre de situations. Par conséquent, le PCI-SIG, organisme de normalisation qui définit le PCI, a introduit le PCI Express, avec pour principaux objectifs de fournir une interface évolutive et économique adaptée à de nombreux secteurs, et de garantir la compatibilité avec les logiciels et les drivers de cartes PCI. La compatibilité avec le modèle d’adressage PCI est maintenue afin de garantir le fonctionnement identique de l'ensemble des applications et des drivers existants. Évolution du PCI, le PCI Express fournit un canal de communication de base de 250 Mo/s dans chaque direction dans une configuration x1 et jusqu’à 4 Go/s dans une configuration x16. De plus, chaque emplacement PCI Express a une bande passante dédiée alors que, dans le PCI, la bande passante était partagée entre les différents emplacements. Conçu dans le but de répondre aux besoins de compatibilité, le PCI Express utilise une architecture en couches qui garantit la compatibilité avec les prochaines générations ainsi que la comptabilité logicielle avec le PCI. Comme le bus PCI, le PCI Express n’est pas utilisé directement pour le contrôle d’instruments mais comme bus de périphériques permettant de connecter des matériels GPIB aux PC pour le contrôle d’instruments. Du fait de sa vitesse exceptionnelle, le PCI Express peut servir de bus porteur pour les instruments modulaires.

PXI Express (PXIe)
Si l’utilisation du PCI dans le fond de panier de communication a contribué à l’adoption rapide du PXI, ce dernier va satisfaire les besoins d’un nombre encore plus grand d’applications en intégrant le PCI Express au standard PXI. En tirant parti de la technologie PCI Express dans le fond de panier, PXIe fait passer la bande passante du PXI de 132 Mo/s à 6 Go/s, soit une progression d’un facteur 45, tout en garantissant la compatibilité logicielle et matérielle avec les modules PXI. Cette amélioration des performances permet au PXI de faire son apparition dans de nouveaux domaines d’applications qui étaient pour la plupart réservés uniquement à des matériels propriétaires onéreux. Grâce à la comptabilité logicielle du PCI Express, l’architecture logicielle standard fournie par le PXI sera transposée dans le PXIe. Pour assurer la compatibilité matérielle, les spécifications CompactPCI Express définissent un nouvel emplacement hybride qui permet aux ingénieurs d'installer des modules avec une architecture PCI ou PCI Express. Avec cette technologie, ingénieurs et fournisseurs peuvent préserver leurs investissements en systèmes et produits PXI grâce à la compatibilité à la fois logicielle et matérielle.

Importance de l’architecture logicielle

Les systèmes hybrides permettent d’utiliser à la fois des bus d'instrumentation modulaire et des interfaces de bus disponibles dans le commerce pour les instruments autonomes. Les utilisateurs peuvent ainsi bénéficier de la vitesse élevée et de la souplesse de l’instrumentation modulaire tout en utilisant des instruments autonomes existants ou spécialisés. Le cadre logiciel employé est vital pour la réussite de l’intégration de ces différentes plates-formes dans un système unique et pour la capacité d’adaptation aux changements des bus d’instrumentation. Avec l’essor des bus commerciaux, les couches logicielles de l’architecture hybride gagnent encore en importance. Étant donné que les bus disponibles dans le commerce, par définition, évoluent très rapidement, la couche logicielle prend davantage d’importance en fournissant une couche d’abstraction permettant de s’adapter et de suivre le rythme de ces changements.

La couche Services de mesure et de contrôle, partie intégrante de la structure logicielle, comprend les drivers qui assurent le lien entre le matériel et le logiciel, et simplifient la configuration et l’intégration du matériel avec le code de test. Pour une intégration transparente du matériel avec le logiciel, les ingénieurs ont besoin de drivers qui offrent des performances rapides, une programmation souple et une API (interface de programmation d’applications) homogène et évolutive. Le standard VISA (Virtual Instrumentation Software Architecture) propose une API commune permettant de communiquer avec le logiciel driver indépendamment du bus d’instrumentation utilisé. VISA fournit un ensemble normalisé d’appels de fonctions pour la communication avec les instruments basés sur PXI, VXI, GPIB, LAN/LXI, etc. En permettant l’interchangeabilité des contrôleurs et des bus, VISA permet aux développeurs d’interchanger les contrôleurs utilisés. En outre, les drivers d’instruments sont un élément essentiel de l’application puisqu’ils isolent les fonctionnalités des instruments de manière appropriée pour les utiliser dans l’environnement de développement d'applications. Les drivers IVI (Interchangeable Virtual Instrument), standard spécifique aux drivers d’instruments, simplifient le remplacement des instruments puisqu’ils permettent aux ingénieurs d’interchanger les instruments dans un système sans modifier le logiciel de test pour des classes d’instruments spécifiques comme les oscilloscopes ou les matrices de commutation. Un driver d’instrument IVI compatible avec l’une de ces classes peut être remplacé par un instrument de la même classe, quels que soient le constructeur et la connexion du bus. En utilisant des drivers IVI, un développeur peut, par exemple, utiliser le même code pour communiquer avec un instrument PXI, VXI, GPIB ou LAN/LXI.

Résumé

Les systèmes de test hybrides permettent aux utilisateurs de combiner les bus d’instrumentation modulaire avec des bus disponibles dans le commerce pour l’instrumentation autonome. Pour tirer parti des nouveaux bus d’instrumentation PXI et PXIe ou LAN/LXI, les développeurs peuvent utiliser des systèmes de test hybrides permettant d’intégrer plusieurs plates-formes dans un système unique. La possibilité de combiner les plates-formes permet aux développeurs de tirer parti de la rapidité, de la souplesse et des logiciels personnalisables offerts par les bus d’instrumentation modulaire en conjonction avec l’instrumentation autonome. La clef pour réussir l’intégration des instruments basés sur des bus PXI, USB ou LAN/LXI dans un système consiste à mettre à profit l’abstraction et l’architecture logicielle proposées, par exemple, par les outils VISA ou IVI. Avec ces logiciels, les utilisateurs disposent d’une couche d’abstraction qui minimise les effets des changements des bus du commerce.