Vantaggi della progettazione di temporizzazione e sincronizzazione NI PXI

Temporizzazione e sincronizzazione sono parte integrante dei sistemi di misurazione e controllo. Scopriamo le strategie comuni per ottenere tempistiche e sincronizzazione delle prestazioni. Vedremo come NI PXI fornisce preziosi vantaggi hardware e software per semplificare la progettazione di sistemi flessibili in grado di soddisfare i requisiti di temporizzazione e sincronizzazione di oggi.

​L'hardware NI PXI Express è la soluzione migliore per costruire sistemi flessibili, multicanale e multistrumento, come evidenziano le sue capacità di temporizzazione e sincronizzazione. La generazione di clock di alta qualità e la condivisione di clock campione, timebase e trigger low-skew sono fondamentali per molte misurazioni e applicazioni.  

​La qualità del clock influenza direttamente i seguenti fattori:

• Rumore di misura
• ​Distorsione
• Precisione di frequenza

​È necessaria la sincronizzazione tra clock, timebase e trigger condivisi per i seguenti scopi:

• Ottimizzare i tempi di test
• Allineare stimoli e risposte
• Combinare diversi strumenti per effettuare misurazioni composite
• ​Costruire sistemi di acquisizione su larga scala
• ​Aggregare i dati provenienti da fonti diverse  

​Mentre la complessità della gestione di temporizzazione e sincronizzazione dei sistemi può spesso scalare in modo esponenziale con le dimensioni e i diversi componenti del sistema, la piattaforma NI PXI Express offre numerose funzionalità integrate che facilitano la sincronizzazione di I/O diversi all'interno di un singolo chassis PXI Express per prestazioni di livello elevato. Con l'assortimento di hardware aggiuntivo di temporizzazione e sincronizzazione PXI Express, è possibile espandere la sincronizzazione per costruire strumenti multichassis e interfacciarsi con protocolli temporali standardizzati comuni anche su larga scala.  

​Le caratteristiche integrate degli chassis e dei controller PXI Express hanno diversi impieghi:

• Instradamento e condivisione di clock di campionamento e trigger tra dispositivi I/O PXI Express
  • Include percorsi PXI_STAR di lunghezza corrispondente sul backplane per ridurre skew e jitter.
  • Ottiene una sincronizzazione migliore di 1 ns per i dispositivi abilitati NI-TClk
• Dati ed eventi di timestamp
• Goditi la facilità d'uso fornita dalle API NI-TClk e NI-DAQmx di alto livello che stabiliscono automaticamente e dinamicamente le connessioni backplane necessarie per clock e trigger
• Accedi e stabilisci manualmente i tuoi percorsi quando hai bisogno di un controllo a basso livello

​Per il livello successivo di precisione o estendibilità, puoi espandere le funzionalità del sistema PXI Express con aggiornamenti di temporizzazione e sincronizzazione per eseguire le seguenti attività:

• Importazione ed esportazione di clock e trigger
• ​Utilizzo di percorsi DSTAR con trigger differenziali corrispondenti della massima qualità
• ​Interfacciamento con protocolli e standard di temporizzazione comuni come GPS, IEEE 1588, IEEE 802.1AS, IRIG-B, Automotive Ethernet ed EtherCAT
• ​Generazione di clock di riferimento OCXO o rubidio ad alte prestazioni
• ​Generazione di clock a frequenza arbitraria ad alta precisione
• Estensione delle funzionalità di sincronizzazione tra chassis

​Mentre PXI Gen 1 ha rappresentato un enorme passo avanti nella standardizzazione di sistemi complessi e flessibili, PXI Express, come ultima evoluzione della piattaforma PXI, offre un grado più elevato di sincronizzazione con i dispositivi di I/O di misura pur rimanendo retrocompatibile con PXI Gen 1. PXI Express mantiene il clock backplane a 10 MHz così come il bus di trigger PXI single-ended e il segnale di trigger a stella PXI abbinato alla lunghezza fornito dalle specifiche PXI originali. PXI Express aggiunge anche un clock differenziale a 100 MHz e trigger a stella differenziale al backplane per offrire una maggiore immunità al rumore e una precisione di sincronizzazione leader del settore (rispettivamente 100 ps e 150 ps skew tra due moduli). Il clock a frequenza più elevata di 100 MHz può essere particolarmente utile per ridurre il rumore di fase di dispositivi a frequenza di campionamento più alta come gli oscilloscopi che guidano i clock di campionamento basati sul clock backplane. Questi segnali di clock e trigger (PXI_CLK10, PXI_TRIG, PXI_STAR e PXI_DSTARA/B/C) possono essere importati ed esportati in altri chassis PXIe e dispositivi di terze parti utilizzando dispositivi di timing NI PXI Express in grado di controllare lo slot di timing del sistema PXI Express. Inoltre, i sistemi PXI Express possono sincronizzare il rispettivo clock e attivare segnali a protocolli time-aware come IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS, IRIG-B e PPS attraverso interfacce time-protocol NI specializzate. Per ulteriori dettagli e moduli NI supportati, vedi la tabella 1 più avanti in questo documento.

^{Figura 1: Caratteristiche di temporizzazione e sincronizzazione} dello chassis PXIe

​Il rumore di fase e la stabilità dei clock di riferimento del sistema backplane sono caratteristiche importanti dello chassis PXI, poiché indicano il grado di affidabilità della sincronizzazione dei moduli all'interno del sistema. Grazie alla scelta dei componenti e al design backplane di NI PXI Express, le prestazioni del sistema differenziale PXI Express 100 MHz in termini di rumore di fase su chassis a 18 slot sono le migliori della categoria rispetto ad altri chassis disponibili sul mercato.

​È possibile impostare il ciclo di blocco di fase (PLL) dei clock di riferimento del sistema a 10 MHz e 100 MHz su una sorgente di clock di stabilità superiore a quella sul backplane dello chassis. In tal modo i moduli PXI con frequenza di campionamento più elevata ottengono un migliore allineamento dei campioni su più strumenti. La circuiteria PLL dello chassis NI PXI è progettata per sopprimere più rumore quando si blocca a un riferimento esterno, consentendo così una trasmissione più pulita della sorgente di clock con maggiore stabilità. Con chassis di altri fornitori, a seconda del rumore di fase della sorgente del clock di sistema richiesto dall'applicazione, potrebbe essere necessario bloccare in fase il clock di riferimento esterno a ciascun modulo singolarmente, anziché a livello di sistema al backplane dello chassis, con conseguente aumento della complessità e dei costi del sistema.

​Le funzionalità di temporizzazione e sincronizzazione di NI PXI Express funzionano con due diversi tipi di architetture di sincronizzazione, basate sul segnale e basate sul tempo, consentendoti di ottenere la flessibilità e la personalizzazione di cui hai bisogno quando sviluppi applicazioni che richiedono diversi livelli di prestazioni.

^{Figura 2: Performance dell'architettura di sincronizzazione basata sul segnale e sul tempo}

​Con un'architettura di temporizzazione e sincronizzazione basata sul segnale NI PXI Express, clock e trigger sono fisicamente collegati tra moduli e chassis. Ciò genera tipicamente la massima precisione di sincronizzazione. Tuttavia, con distanze dei cavi di collegamento tra i sottosistemi superiori a determinate soglie (circa 200 m), queste prestazioni non sono raggiungibili a causa della deriva del clock e del rumore.

​Se la distanza richiesta tra chassis sincronizzati è troppo grande per consentire ai cavi di trasmettere in modo affidabile segnali di clock e trigger, è necessario utilizzare un'architettura di sincronizzazione basata sulla temporizzazione. La sincronizzazione della base temporale può anche essere un aspetto importante dell'integrazione con altri sistemi o DUT che si basano su protocolli temporali. La soluzione di temporizzazione e sincronizzazione NI PXI Express consente di utilizzare protocolli di riferimento temporali assoluti come IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS e IRIG-B per ottenere la sincronizzazione su grandi distanze.

​Nessun oscillatore genera perfettamente la frequenza specificata. L'errore di clock è comunemente descritto da tre componenti principali: precisione assoluta, stabilità a lungo termine e jitter. Mentre la sincronizzazione dei dispositivi può eliminare la stabilità a lungo termine come fonte di errore di clock tra i componenti di un sistema e mentre i PLL possono aiutare a ridurre il jitter quando si condividono i clock, non è possibile migliorare la precisione del clock senza disporre di un clock migliore. Se la precisione del clock è importante, è necessaria una sorgente di clock di alta qualità.  

​Negli chassis NI PXI Express, la sorgente di clock è un oscillatore con una precisione di 25 parti per milione (ppm). Inserendo un modulo di temporizzazione e sincronizzazione NI PXI, come il PXIe-6674T con un oscillatore OCXO che garantisce maggiore precisione e stabilità, nello slot di temporizzazione del sistema dello chassis è possibile bloccare il clock di riferimento del backplane a una sorgente di frequenza dell'oscillatore che ha una precisione di 50 parti per miliardo (ppb), oppure è possibile importare una sorgente di clock esterna. Per casi particolari in cui 50 ppb non sono sufficienti per la stabilità a lungo termine (come i sistemi che funzionano offline per giorni ma devono comunque correlare il tempo con altri sistemi e dispositivi a cui non sono connessi), il PXIe-6674T può essere combinato con una sorgente di clock PXIe-3352 al rubidio migliore del settore o tramite un oscillatore GPSDO come il PXI-6683H, PXIe-3352 o CDA-2990.

^{Figura 3: NI PXIe-6674T Modulo di temporizzazione e sincronizzazione PXI ad alte prestazioni del settore con OCXO}

​I moduli di temporizzazione e sincronizzazione NI PXI possono migliorare l'errore complessivo del clock di sistema generando e condividendo una sorgente di clock di precisione tra più dispositivi PXI.  

​I trigger di temporizzazione e i clock PXI sono configurabili a basso livello tramite driver I/O di NI e tramite il driver NI-Sync, che espone tutte le funzionalità di temporizzazione dello chassis per un utilizzo diretto da parte dei dispositivi I/O. L'aliasing intelligente del segnale rende più facile e flessibile impostare percorsi dinamici per l'attivazione che si basano sul nome del dispositivo piuttosto che sul numero di slot, semplificando così la migrazione di un'applicazione a uno chassis diverso o a un set di strumenti leggermente diverso. Questa modularità rende l'hardware NI PXI Express adatto a progetti di sistema soggetti a requisiti mutevoli e sostituzioni dei dispositivi dell'ultimo minuto, poiché il complesso lavoro di architettura di sincronizzazione e routing può essere solitamente stabilito in modo programmatico.

​Per ulteriori informazioni sulla sincronizzazione dei driver I/O di NI fai riferimento a Funzionalità di temporizzazione e sincronizzazione di NI-DAQmx.

​NI ha migliorato il driver NI-DAQmx con un approccio innovativo per configurare più moduli DAQ per la sincronizzazione. Uno chassis completo di quasi tutti i singoli moduli DAQ può essere programmato con un'unica attività multidevice. Con le attività multidevice puoi scalare la tua applicazione da uno a 544 canali utilizzando lo stesso codice DAQmx. Puoi inoltre utilizzare una singola attività DAQmx per sincronizzare automaticamente i canali su più schede con diversi tipi di misurazione.  

​Per ulteriori informazioni su DAQmx Channel Expansion in PXI Express fai riferimento a:  

​Attività multidevice DSA, SC Express e X Series 
Sincronizzazione NI-DAQmx dei moduli PXI Express

​Per le applicazioni che richiedono la sincronizzazione di strumenti modulari PXI ad alta velocità, la distribuzione di clock e i trigger necessari per ottenere questa sincronizzazione può essere impegnativa a causa delle latenze e delle incertezze di temporizzazione causate da skew e jitter. La complessità aumenta ulteriormente quando si tenta di sincronizzare strumenti eterogenei in esecuzione a diverse frequenze di campionamento.

​In questi casi, la sincronizzazione precisa spesso implica il tentativo di condividere un clock di riferimento low-skew tra tutti gli strumenti, impiegando loop di blocco di fase (PLL) e moltiplicatori collegati a tale clock di riferimento per generare l'unico clock di campionamento di ciascun dispositivo e distribuire un trigger low-skew a tutti gli strumenti, una sorta di meccanismo di compensazione del ritardo temporale con fine tuning e una sorta di misura di calibrazione su cui basare le regolazioni. Non solo questo è complicato da fare nelle implementazioni hardware e software, ma è anche un processo delicato, poiché la minima variazione del modello dello strumento può causare la necessità di rielaborare l’intera architettura e rifare tutta la calibrazione.  

​NI PXI è il modo migliore per realizzare sistemi I/O misti, flessibili, ad alta velocità ed espandibili. Per contribuire a ridurre la complessità intrinseca della sincronizzazione degli strumenti ad alta velocità, NI ha sviluppato un metodo brevettato per la sincronizzazione, chiamato NI-TClk, che semplifica notevolmente l'aggiunta di ulteriori strumenti ad alta velocità e il mantenimento della sincronizzazione fino a una precisione di 1 ns pronta all'uso o a decine di ps con calibrazione manuale.  

​La tecnologia NI-TClk può aiutarti ad:

• ​Allineare i clock di campionamento che potrebbero non allinearsi inizialmente nonostante siano bloccati di fase al clock di riferimento a 10 MHz
• ​Abilitare l'attivazione accurata dei dispositivi sincronizzati

​La tecnologia flessibile NI-TClk è applicabile ai seguenti casi d'uso:

• ​Sincronizzazione modulare dello strumento ad alta velocità con un clock di campionamento o di riferimento.
• ​Estensione della sincronizzazione da un singolo chassis PXI a diversi chassis PXI per indirizzare sistemi ad alto numero di canali utilizzando un modulo di temporizzazione del sistema.
• ​Sincronizzazione omogenea ed eterogenea: dispositivi che funzionano con la stessa frequenza di campionamento o con frequenze di campionamento diverse utilizzando clock di campionamento interni o esterni.

​La tecnologia NI-TClk offre miglioramenti delle prestazioni della sincronizzazione modulare dello strumento PXI fin da subito. I componenti software chiave comprendono tre funzioni LabVIEW VIs/C che non richiedono l'impostazione di alcun parametro. Le architetture NI-TClk possono fornire dispositivi sincronizzati con skew di al massimo 1 ns tra ciascun dispositivo. I valori tipici osservati sono compresi tra 200 e 500 ps. La calibrazione manuale del clock di campionamento su ciascun dispositivo può abbassare lo skew a meno di 30 ps tra i dispositivi.

^{​Figura 4: Funzioni NI-TClk necessarie}

In situazioni in cui la sincronizzazione dei dispositivi ad alta velocità ed eterogenea deve essere altamente accurata, NI-TClk riduce moltissime complessità in soli tre VI. All'interno di un singolo chassis PXI, che ospita fino a 18 slot, tutti i dispositivi con capacità NI-TClk possono sincronizzarsi con questi tre VI utilizzando le funzionalità integrate dello chassis NI PXI. Nessun cavo aggiuntivo. Nessun PLL esterno. Nessun instradamento manuale. Nessun software speciale. Tutto è gestito automaticamente da NI-TClk. Né la sostituzione dei modelli con altri modelli, né la modifica degli slot degli strumenti, né la modifica delle frequenze di campionamento comporterà la necessità di rielaborare questo codice di sincronizzazione. NI-TClk si adatta automaticamente a tutte queste modifiche e fa in modo che chi esegue il test possa lavorare sulla logica delle fasi di test piuttosto che sulla risoluzione di architetture di triggering complesse. La sezione Moduli NI e dispositivi supportati da NI-TClk fornisce un elenco completo dei dispositivi I/O che supportano NI-TClk.

PXI Express integra molte funzionalità straordinarie di temporizzazione e sincronizzazione, ma è possibile aggiungerne altre tramite aggiornamenti speciali dello chassis o tramite moduli e accessori. Diamo un rapido sguardo alle opzioni:

^{Tabella 1: Prodotti PXI Express che migliorano la temporizzazione e la sincronizzazione}

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