Présentation de la plate-forme PXI

Le châssis PXI est le composant principal d’un système PXI et peut être comparé au boîtier mécanique et à la carte mère d’un PC de bureau. Il fournit l’alimentation, le refroidissement et un bus de communication au système, et prend en charge plusieurs modules d’instrumentation dans le même boîtier. Le PXI utilise la technologie commerciale de bus PCI et PCI Express de PC tout en combinant un boîtier modulaire CompactPCI robuste, ainsi que des fonctions clés de cadencement et de synchronisation. La taille des châssis varie de 4 à 18 emplacements afin de s’adapter aux besoins de n’importe quelle application, qu’il s’agisse d’un système portable, sur table, monté en baie ou embarqué.

^{Figure 3 : La taille des châssis PXI NI varie de 4 à 18 emplacements.}

Communications PCI et PCI Express

Le bus PCI a été adopté comme bus d’ordinateur grand public au milieu des années 90 en tant que bus parallèle avec une bande passante partagée maximale de 132 Mo/s. Le PCI Express a été lancé en 2003 en tant qu’amélioration de la norme PCI. La nouvelle norme a remplacé le bus partagé utilisé pour le PCI par un commutateur partagé, ce qui donne un accès direct individuel au bus à chaque périphérique.

Contrairement au PCI, qui répartit la bande passante entre tous les périphériques du bus, le PCI Express fournit à chaque périphérique son propre pipeline de données dédié. Les données sont envoyées en série par paquets via des paires de signaux de transmission et de réception appelés voies, qui permettent une bande passante théorique de 250 Mo/s par direction et par voie pour le PCI Express 1.0. Depuis l’introduction du PCI Express, la norme n’a cessé d’évoluer pour obtenir des débits de données plus rapides tout en conservant la rétrocompatibilité. Le PCI Express 2.0 double la bande passante théorique par voie à 500 Mo/s par direction, et le PCI Express 3.0 la double à nouveau à 1 Go/s par direction et par voie. Plusieurs voies peuvent également être regroupées en largeurs de voies x2 (« par deux »), x4, x8, x12 et x16 en vue d’augmenter davantage les capacités de bande passante.

^{Figure 4 : Le PCI Express fournit un débit de données élevé et un bus de communication à faible latence, ce qui est idéal pour les applications de test et de mesure.}

De manière équivalente, la norme PXI Express a évolué à partir de la norme PXI pour intégrer le bus PCI Express. Cette bande passante accrue permet au PXI Express de répondre à davantage de besoins d’applications tels que le streaming de données de numériseur haute vitesse sur disque, l’analyse de protocole numérique haute vitesse et les systèmes DAQ à grand nombre de voies pour les tests structurels et acoustiques.

Étant donné que le fond de panier PXI Express intègre le PCI Express tout en conservant la compatibilité avec les modules PXI, les utilisateurs bénéficient d’une meilleure bande passante tout en maintenant la rétrocompatibilité avec les systèmes PXI existants. Le PXI Express spécifie les emplacements hybrides PXI Express pour fournir des signaux à la fois pour le PCI et le PCI Express. Avec des lignes électriques PCI Express qui connectent le contrôleur d’emplacements du système aux emplacements hybrides du fond de panier, le PXI Express fournit un chemin à large bande passante allant du contrôleur aux emplacements du fond de panier. Par l’intermédiaire d’un pont PCI Express-PCI, le PXI Express fournit une signalisation PCI à tous les emplacements PXI et PXI Express pour assurer la compatibilité avec les modules PXI compatibles hybrides dans le fond de panier. Ce faisant, ces emplacements hybrides PXI Express offrent une rétrocompatibilité qui n’est pas disponible avec les connecteurs de bord de carte de PC de bureau, dans lesquels un emplacement unique ne peut pas prendre en charge à la fois les signaux PCI et PCI Express.

Cadencement et synchronisation

L’un des principaux avantages d’un système PXI est le cadencement et la synchronisation intégrés. Un châssis PXI intègre une horloge de référence système dédiée de 10 MHz, un bus de déclenchement PXI, un bus de déclenchement en étoile et un bus local d’emplacement à emplacement pour répondre aux besoins avancés en matière de cadencement et de synchronisation. Ces signaux de cadencement sont des signaux dédiés, en plus de l’architecture de communication. L’horloge de 10 MHz dans le châssis peut être exportée ou remplacée par une référence de stabilité plus élevée. Cela facilite le partage de l’horloge de référence de 10 MHz entre plusieurs châssis et d’autres instruments qui peuvent accepter une référence de 10 MHz. En partageant cette référence de 10 MHz, les horloges à fréquence d’échantillonnage plus élevée peuvent effectuer une boucle à phase asservie (PLL) sur la référence stable, améliorant ainsi l’alignement des échantillons de plusieurs instruments PXI. En plus de l’horloge de référence, le PXI fournit huit voies TTL (Transistor-Transistor Logic) comme bus de déclenchement. Cela permet à un module du système de définir un déclenchement visible à partir de n’importe quel autre module. Enfin, le bus local fournit un moyen d’établir une communication dédiée entre des modules adjacents. 

S’appuyant sur les capacités du PXI, le PXI Express fournit également une horloge système différentielle de 100 MHz, une signalisation différentielle et des déclenchements différentiels en étoile. En utilisant l’horloge différentielle et la synchronisation, les systèmes PXI Express bénéficient d’une immunité au bruit accrue pour les horloges d’instrumentation et de la capacité de transmettre les signaux à des fréquences plus élevées. Les châssis PXI Express fournissent ces capacités avancées de cadencement et de synchronisation, en plus de toutes les signalisations de cadencement et de synchronisation PXI standard.

^{Figure 5 : Les capacités de cadencement et de synchronisation des châssis PXI et PXI Express offrent la meilleure intégration de l’instrumentation et des modules d’E/S.}

En plus des méthodes de synchronisation PXI et PXI Express basées sur les signaux, ces systèmes peuvent également tirer parti des méthodes de synchronisation utilisant le temps absolu. Une variété de sources, y compris les normes GPS, IEEE 1588 ou IRIG, peuvent fournir le temps absolu avec l’utilisation d’un module de cadencement supplémentaire. Ces protocoles transmettent des informations relatives au temps dans un paquet afin que les systèmes puissent corréler leur temps. Les systèmes PXI ont été déployés sur de grandes distances sans partage d’horloges physiques ou de déclencheurs. Au lieu de cela, ils s’appuient sur des sources telles que la norme GPS pour synchroniser leurs mesures.

Alimentation et refroidissement

Les modules d’E/S et d’instrumentation installés sur un châssis PXI varient en termes de puissance requise. Les châssis PXI Express NI fournissent au moins 38,25 W d’alimentation et de refroidissement à chaque emplacement périphérique. Certains châssis poussent encore plus loin la capacité de refroidissement des emplacements et peuvent fournir 58 W ou 82 W de refroidissement à un emplacement unique. Cette puissance et ce refroidissement supplémentaires rendent possibles les capacités avancées des modules hautes performances, tels que les numériseurs, les modules d’E/S numériques haute vitesse et les modules RF, dans des applications qui peuvent nécessiter une acquisition continue ou des tests haute vitesse. La puissance totale des châssis varie, il est donc toujours préférable d’effectuer un budget de puissance au niveau du système lors de la configuration d’un nouveau système.

^{Figure 6 : Le châssis PXIe-1085 24 Go/s est équipé de ventilateurs hautes performances remplaçables sur site.}

Comme défini dans les spécifications du matériel PXI, tous les châssis PXI incluent un emplacement de contrôleur système situé dans l’emplacement le plus à gauche du châssis (emplacement 1). Les options de contrôleur comprennent des modules de contrôle à distance permettant de contrôler le système PXI à partir d’un ordinateur de bureau, d’une station de travail, d’un serveur ou d’un ordinateur portable, ainsi que des contrôleurs embarqués hautes performances dotés d’un système d’exploitation Microsoft (Windows 7/10) ou d’un système d’exploitation temps réel (LabVIEW Real-Time).

Contrôleurs embarqués PXI

Les contrôleurs embarqués PXI éliminent la nécessité de disposer d’un PC externe tout en fournissant une solution informatique embarquée hautes performances et compacte pour votre système de mesure PXI ou PXI Express. Ces contrôleurs embarqués présentent des spécifications étendues de température, de choc et de vibration. Ils sont livrés en étant équipés d’une longue liste de fonctionnalités telles que les processeurs intégrés les plus récents, les disques durs, la mémoire, Ethernet, les ports vidéo/série/USB et d’autres périphériques. La fourniture de ces périphériques sur la face-avant du contrôleur permet de minimiser le coût global du système, car vous n’avez pas besoin d’acheter des cartes PXI ou PXI Express individuelles pour accéder à des fonctionnalités similaires. Le contrôleur est livré pré-configuré avec LabVIEW Real-Time ou Microsoft Windows et tous les drivers de périphériques sont pré-installés. Les contrôleurs embarqués de NI disposent également de cycles de vie gérés et offrent le support fournisseurs afin d’assurer la longévité du système de test et la compatibilité avec l’écosystème PXI.

Les contrôleurs embarqués PXI sont généralement construits à l’aide de composants PC standard dans un boîtier PXI compact. Le test de performances effectué par le service R&D de NI assure également le développement de contrôleurs optimisés pour les applications de test et de mesure, afin de garantir que le code et les algorithmes s’exécutent plus rapidement. Par exemple, le PXIe-8880 intègre un processeur Intel Xeon E5-2618L v3 2,3 GHz à huit cœurs (3,4 GHz maximum en mode monocœur, Turbo Boost), jusqu’à 24 Go de RAM DDR4, un disque SSD, deux ports Gigabit Ethernet, le déclenchement SMB et des périphériques PC standard tels que deux ports USB 3.0, quatre ports USB 2.0, DisplayPort et GPIB.

Au lancement d’un nouveau contrôleur embarqué PXI, Ni le propose à la vente peu de temps après que les principaux fabricants d’ordinateurs, comme Dell ou HP, aient mis sur le marché des ordinateurs dotés du même processeur mobile embarqué hautes performances. Étant donné que NI commercialise des contrôleurs embarqués PXI depuis plus de 15 ans, l’entreprise a développé une relation professionnelle étroite avec les principaux fabricants de processeurs tels qu’Intel et Advanced Micro Devices (AMD). Par exemple, NI est membre associé de l’Intel Embedded Alliance, qui donne accès aux modèles et feuilles de route des produits Intel les plus récents.

^{Figure 7 : Le contrôleur embarqué PXIe-8880, doté du processeur Intel Xeon E5 à huit cœurs, est idéal pour les applications de test et de mesure hautes performances, à haut débit et calculs intensifs.}

Outre les performances de calcul, la bande passante d’E/S joue un rôle critique dans la conception de systèmes d’instrumentation. À mesure que les systèmes de test et de mesure modernes deviennent plus complexes, on observe un besoin croissant d’échanger de plus en plus de données entre les instruments et le contrôleur du système. Avec l’introduction du PCI Express et du PXI Express, les contrôleurs embarqués NI ont répondu à ce besoin et fournissent désormais jusqu’à 24 Go/s de bande passante système au fond de panier du châssis PXI Express.

^{Figure 8 : NI a fourni en continu la technologie de traitement la plus récente et la plus puissante à la plate-forme PXI au cours des 20 dernières années.}

Contrôleurs montés en baie

Afin de disposer d’une autre option de calcul et de contrôle, NI propose des contrôleurs externes 1U montés en baie. Ils intègrent des processeurs multicœurs hautes performances permettant d’effectuer des calculs intensifs et sont dotés de plusieurs disques durs amovibles pour obtenir une capacité de stockage de données élevée et un streaming haute vitesse sur disque. Ces contrôleurs sont conçus pour être utilisés avec les contrôleurs à distance MXI-Express et MXI-4 pour l’interfaçage avec les châssis PXI ou PXI Express. Dans cette configuration, les périphériques PXI/PXI Express du système PXI sont affichés comme des périphériques PCI/PCI Express locaux dans le contrôleur monté en baie.

^{Figure 9 : Les contrôleurs montés en baie avec des contrôleurs à distance MXI-Express ou MXI-4 peuvent être utilisés pour contrôler des châssis PXI ou PXI Express.}

Contrôle du PXI via PC

Grâce à la technologie MXI-Express, les modules de contrôle à distance PXI fournissent une connexion simple et transparente entre une machine hôte, comme un PC de bureau, et le châssis/les instruments PXI. Au démarrage, l’ordinateur reconnaît tous les modules périphériques du système PXI comme des cartes PCI, ce qui permet davantage d’interactions avec ces périphériques via le contrôleur. Le contrôle du PXI via PC est composé d’une carte PCI/PCI Express dans votre ordinateur et d’un module PXI/PXI Express dans l’emplacement 1 de votre système PXI, connectés par un câble en cuivre ou à fibre optique. Les câbles en cuivre présentent une capacité de débit de données plus élevée, mais sont généralement plus courts (1 à 10 mètres), tandis que les câbles à fibre optique sont disponibles dans des options beaucoup plus longues (jusqu’à 100 mètres), mais peuvent avoir une capacité de débit de données plus faible. La plupart des PC sont immédiatement compatibles avec les solutions de contrôle à distance PXI. De plus, la compatibilité avec les périphériques MXI-Express est étendue à davantage de PC grâce au logiciel MXI-Express BIOS Compatibility de NI.

Contrôle du PXI via ordinateur portable

De manière équivalente, vous pouvez contrôler un système PXI Express à partir d’un ordinateur portable à l’aide du module de contrôle à distance PXIe-8301 de National Instruments. Le contrôle du PXI Express via ordinateur portable est composé d’un module PXI Express dans l’emplacement 1 de votre châssis et d’un câble Thunderbolt 3™ branché à votre ordinateur portable.

^{Figure 10 : Les modules de contrôle à distance permettent le contrôle de bureau d’un ou de plusieurs châssis PXI.}

^{Figure 11 : Le module de contrôle à distance PXIe-8301 est idéal pour les applications ultra-portables.}

Configurations multichâssis

Grâce aux configurations multichâssis, il est possible que deux châssis PXI ou plus soient gérés par un seul contrôleur maître. En tant que système unifié, plusieurs châssis peuvent tirer parti d’avantages tels que la synchronisation entre les châssis, la séparation des types d’instruments permettant d’optimiser le débit de données et les transferts pair-à-pair entre les instruments dans des châssis distincts.

Le chaînage en série constitue la méthode la plus courante pour former un système multichâssis. Une topologie de chaîne en série est composée d’un ou de plusieurs châssis esclaves (en aval) connectés en série à un châssis maître (en amont), qui est contrôlé par un PC ou un contrôleur embarqué PXI. Lorsque vous utilisez une topologie de chaîne en série, chaque châssis esclave est visible et contrôlable par la machine hôte.

^{Figure 12 : Un module d’interface hôte PXIe-8364 est placé dans un emplacement périphérique du châssis maître contenant un contrôleur embarqué. Un châssis supplémentaire est connecté en série en raccordant le PXIe-8364 à un PXIe-8360 dans l’emplacement du contrôleur système du châssis esclave. Des modules supplémentaires peuvent être utilisés pour connecter jusqu’à huit châssis en série.}

Alors que la solution ci-dessus nécessite un module supplémentaire dans un emplacement périphérique pour le chaînage en série, certains modules de contrôle à distance PXI intègrent une capacité de chaînage en série grâce à l’inclusion de deux ports : un pour la connexion en amont et un pour la connexion en aval.

^{Figure 13 : Un PC de bureau avec un PCIe-8375 est connecté à un châssis PXI Express maître via un module de contrôle à distance PXIe-8375. Le PXIe-8375 dispose d’un port supplémentaire pour le chaînage en série, ne nécessitant qu’un seul PXIe-8375 en plus. Un port sera inutilisé sur le dernier châssis en aval de ce système.}

Certaines cartes d’interface hôte comprennent deux ports en aval, ce qui permet de créer une topologie en étoile. Plutôt que de raccorder deux châssis esclaves en série (chaînage en série), la topologie en étoile connecte deux châssis esclaves en parallèle, permettant à chaque châssis de communiquer directement avec l’hôte plutôt que via un châssis intermédiaire.

^{Figure 14 : La carte d’interface hôte PCIe-8362 présente deux connexions MXI-Express, ce qui permet de contrôler deux châssis PXI Express via un PC de bureau à l’aide d’une topologie en étoile.}

NI propose plus de 600 modules PXI différents. Le PXI étant une norme industrielle ouverte, environ 1 500 produits sont commercialisés par plus de 70 fournisseurs d’instruments différents. De plus, étant donné que le PXI est directement compatible avec le CompactPCI, il est possible d’utiliser n’importe quel module CompactPCI 3U dans un système PXI.

Une idée reçue courante concernant le faible encombrement du PXI est que ces économies d’espace se font au détriment des performances.

Il est important de comprendre que la plate-forme PXI peut offrir ces économies d’espace non pas en réduisant les performances, mais en modularisant le système. Chaque instrument en boîtier traditionnel nécessite un système de circuit de traitement, un affichage et une interface physique distincts. En ce qui concerne les systèmes d’instrumentation basés sur PXI, ces fonctions sont désignées pour des composants spécifiques partagés entre plusieurs instruments. Un contrôleur embarqué PXI agit comme un hub central de traitement et de contrôle pour les différents instruments du châssis PXI. Il fournit également une interface humaine par l’intermédiaire de sa connectivité à des périphériques externes tels qu’un moniteur vidéo, un clavier et une souris.

^{Figure 15 : NI propose plus de 600 modules PXI différents.}

Le logiciel qui s’exécute sur le contrôleur embarqué interagit avec les différents instruments PXI pour définir la fonctionnalité réelle du système de test. Avec ces fonctions standard dédiées à un contrôleur embarqué offrant des performances de pointe, les instruments PXI doivent contenir uniquement les circuits d’instrumentation réels, ce qui fournit des performances efficaces dans un encombrement réduit.

Le développement et le fonctionnement d’un système PXI ou PXI Express sous Windows sont identiques à ceux d’un PC sous Windows standard. Par conséquent, vous n’avez pas besoin de réécrire de logiciel d’application existante ou d’apprendre de nouvelles techniques de programmation lorsque vous passez d’un système PC à un système PXI. Le PXI permet de réduire le temps de développement et d’automatiser rapidement les instruments en utilisant le langage G dans LabVIEW, un langage de programmation graphique intuitif qui est la norme du secteur pour le test, ou NI LabWindows™/CVI pour le développement en C. Vous pouvez également utiliser d’autres langages de programmation, tels que ceux relevant de Visual Studio .NET, Visual Basic, Python et C/C++. De plus, les contrôleurs PXI peuvent exécuter des applications développées avec des logiciels de gestion de tests tels que TestStand. Le logiciel de gestion de tests comprend non seulement un séquenceur de test, mais aussi une architecture de test complète qui vous offre la flexibilité de personnaliser le comportement en vue de répondre à des besoins spécifiques tels que le séquençage, le branchement/bouclage, la génération de rapports et l’intégration de base de données. Le logiciel de gestion de tests et l’instrumentation modulaire PXI fournissent une solution intégrée permettant de simplifier le développement des tests tout en réduisant la maintenance pour réussir sur le long terme.

Comme alternative aux systèmes sous Windows, vous pouvez utiliser une architecture logicielle temps réel pour les applications sensibles au temps nécessitant des vitesses de boucle déterministes et un fonctionnement sans interface utilisateur (sans clavier, ni souris, ni moniteur). Les systèmes d’exploitation temps réel vous aident à hiérarchiser les tâches afin que la plus critique d’entre elles prenne toujours le contrôle du processeur, réduisant ainsi le jitter. Il est possible de simplifier le développement de systèmes temps réel en utilisant des versions temps réel d’environnements de développement standard tels que les modules LabVIEW Real-Time et LabWindows/CVI Real-Time. Les ingénieurs qui construisent des systèmes de test PXI dynamiques ou hardware-in-the-loop peuvent utiliser des logiciels de test temps réel tels que VeriStand pour réduire davantage le temps de développement.

^{Figure 16 : TestStand gère le code de test d’un système PXI quel que soit le langage de programmation utilisé.}

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