Panoramica della piattaforma PXI

Lo chassis di NI PXI è la parte essenziale di un sistema PXI, paragonabile all'involucro e alla scheda madre di un computer desktop. Consente di alimentare e raffreddare il sistema, comunicando con esso tramite bus, e supporta più moduli di strumentazione all'interno dello stesso involucro. PXI utilizza la tecnologia bus PCI e PCI Express basata su PC commerciale, combinando al contempo una robusta struttura modulare CompactPCI, nonché funzionalità chiave di temporizzazione e sincronizzazione. Le dimensioni dello chassis variano da 4 a 18 slot per soddisfare le esigenze di qualsiasi applicazione, che sia un sistema portatile, da banco, embedded o montato su rack.

^{Figura 3: Gli chassis NI PXI sono disponibili in versioni da 4 a 18 slot.}

Comunicazione PCI e PCI Express

Il bus PCI si è affermato come bus standard per computer a metà degli anni '90, come bus parallelo con una larghezza di banda condivisa teorica massima di 132 MB/s. PCI Express è stato introdotto nel 2003 come versione migliorata dello standard PCI. Il nuovo standard ha sostituito il bus condiviso utilizzato per PCI con uno switch condiviso, che consente a ciascun dispositivo di accedere direttamente al bus.

A differenza del PCI, che divide la larghezza di banda tra tutti i dispositivi sul bus, PCI Express fornisce a ciascun dispositivo una propria pipeline di dati dedicata. I dati vengono trasmessi in serie sotto forma di pacchetti attraverso coppie di segnali di trasmissione e ricezione, denominate corsie, che in PCI Express 1.0 offrono una larghezza di banda teorica di 250 MB/s per corsia in ciascuna direzione. Dall'introduzione di PCI Express, lo standard ha continuato a evolversi per consentire velocità di trasmissione dati più elevate mantenendo la retrocompatibilità. PCI Express 2.0 raddoppia la larghezza di banda teorica per corsia a 500 MB/s per direzione, e PCI Express 3.0 la raddoppia a sua volta a 1 GB/s per direzione e per corsia. Più corsie possono anche essere raggruppate in X2 ("a due"), X4, X8, X12 e X16 larghezze di corsia per aumentare ulteriormente le capacità di larghezza di banda.

^{Figura 4: PCI Express fornisce un elevato throughput dei dati e un bus a bassa latenza di comunicazione, ideale per applicazioni di test e misura.}

In modo equivalente, lo standard PXI Express si è evoluto dallo standard PXI per incorporare il bus PCI Express. Questa maggiore larghezza di banda consente a PXI Express di soddisfare ancora più esigenze applicative come lo streaming di dati su disco del digitalizzatore ad alta velocità, l'analisi del protocollo digitale ad alta velocità e i sistemi DAQ per il conteggio di grandi canali per test strutturali e acustici.

Poiché il backplane PXI Express integra PCI Express pur preservando la compatibilità con i moduli PXI, gli utenti beneficiano di una maggiore larghezza di banda pur mantenendo la retrocompatibilità con i sistemi PXI esistenti. PXI Express specifica slot ibridi PXI Express per fornire segnali sia per PCI sia PCI Express. Con le linee elettriche PCI Express che collegano il controller dello slot di sistema agli slot ibridi del backplane, PXI Express fornisce un percorso ad alta larghezza di banda dal controller agli slot del backplane. Utilizzando un bridge PCI Express-to-PCI, PXI Express fornisce la segnalazione PCI a tutti gli slot PXI e PXI Express per garantire la compatibilità con i moduli PXI ibridi compatibili sul backplane. In tal modo, questi slot ibridi PXI Express forniscono una retrocompatibilità che non è disponibile con i connettori a pettine per schede per computer desktop, in cui un singolo slot non può supportare sia i segnali PCI che i segnali PCI Express.

Temporizzazione e sincronizzazione

Uno dei vantaggi chiave di un sistema NI PXI è costituito dall'integrazione di sincronizzazione e temporizzazione. Uno chassis PXI incorpora un clock di riferimento di sistema a 10 MHz dedicato, un bus trigger PXI, un bus trigger stella e un bus locale slot-to-slot per soddisfare l'esigenza di temporizzazione e sincronizzazione avanzate. Questi segnali di temporizzazione sono segnali dedicati in aggiunta all'architettura di comunicazione. Il clock a 10 MHz all'interno dello chassis può essere esportato o sostituito con un riferimento di stabilità più elevato. Ciò consente la condivisione del clock di riferimento a 10 MHz tra più chassis e altri strumenti che possono accettare un riferimento a 10 MHz. Condividendo questo riferimento a 10 MHz, i clock a frequenza di campionamento più elevata possono eseguire il phase-lock loop (PLL) al riferimento stabile, migliorando l'allineamento del campione di più strumenti PXI. Oltre al clock di riferimento, PXI fornisce otto linee logiche transistor-transistor (TTL) come bus di trigger. Questo permette a qualsiasi modulo del sistema di impostare un trigger che può essere visto da qualsiasi altro modulo. Infine, il bus locale fornisce un mezzo per stabilire una comunicazione dedicata tra moduli adiacenti. 

Basandosi sulle capacità PXI, PXI Express fornisce anche un clock di sistema differenziale a 100 MHz, segnalazione differenziale e trigger a stella differenziale. Utilizzando il clock e la sincronizzazione differenziale, i sistemi PXI Express beneficiano di una maggiore immunità al rumore per gli orologi della strumentazione e della capacità di trasmissione a frequenze più elevate. Gli chassis PXI Express forniscono queste funzionalità di temporizzazione e sincronizzazione più avanzate in aggiunta a tutti i segnali di temporizzazione e sincronizzazione PXI standard.

^{Figura 5: Le funzionalità di temporizzazione e sincronizzazione degli chassis PXI e PXI Express offrono la migliore integrazione della strumentazione e dei moduli IO}

Oltre ai metodi basati sul segnale di sincronizzazione PXI e PXI Express, questi sistemi possono anche sfruttare i metodi di sincronizzazione utilizzando il tempo assoluto. Una varietà di sorgenti tra cui GPS, IEEE 1588 o IRIG può fornire tempo assoluto con l'uso di un modulo di temporizzazione aggiuntivo. Questi protocolli trasmettono informazioni sul tempo in un pacchetto in modo che i sistemi possano correlare la loro temporizzazione. I sistemi PXI sono stati implementati su grandi distanze senza la condivisione di clock fisici o trigger. Si affidano invece a fonti come il GPS per sincronizzare le misurazioni.

Potenza e raffreddamento

I moduli di I/O e strumentazione inclusi in uno chassis PXI variano per la quantità di potenza richiesta. Lo chassis NI PXI Express fornisce almeno 38,25 W di potenza e raffreddamento a ogni slot periferico; alcuni chassis estendono ulteriormente la capacità di raffreddamento degli slot fornendo 58 W o 82 W di raffreddamento a un singolo slot. Questa potenza e queste capacità di raffreddamento extra sono compatibili con funzionalità avanzate di moduli ad alte prestazioni, come digitalizzatori e moduli I/O e RF digitali ad alta velocità, possibili in applicazioni che richiedono acquisizione continua o test ad alta velocità. Poiché la scelta dello chassis varia in base alla potenza totale del sistema, è sempre consigliabile eseguire un calcolo energetico complessivo quando si configura un nuovo sistema.

^{Figura 6: Lo chassis PXIe-1085 da 24 GB/s include ventole ad alte prestazioni sostituibili sul campo.}

Come definito dalle specifiche hardware PXI, tutti gli chassis PXI contengono uno slot per controller di sistema situato nello slot più a sinistra del telaio (slot 1). Le opzioni del controller includono moduli di controllo remoto che consentono il controllo del sistema PXI da un computer desktop, una workstation, un server o un laptop, nonché controller embedded ad alte prestazioni. Scegli tra Microsoft OS (Windows 10/11), Real-Time OS (NI Linux Real-Time) o nessun OS come punto di partenza più semplice da cui distribuire la tua immagine IT o installare il tuo sistema operativo come RHEL, OpenSUSE o Ubuntu.

Controller embedded NI PXI

I controller embedded PXI eliminano la necessità di un PC esterno e forniscono una soluzione computerizzata integrata in chassis ad alte prestazioni ma compatta per il tuo sistema di misura PXI o PXI Express. Questi controller embedded hanno specifiche di temperatura, resistenza agli urti e vibrazioni estese e offrono numerose funzionalità, come le più recenti CPU integrate, disco rigido, memoria, Ethernet, video, comunicazione seriale, USB e altre periferiche. Fornendo queste periferiche sul pannello frontale del controller, il costo complessivo del sistema è ridotto al minimo perché non è necessario acquistare singole schede PXI o PXI Express per ottenere funzionalità simili. Il controller viene fornito preconfigurato con NI LabVIEW Real-Time o Microsoft Windows e tutti i driver preinstallati. I controller embedded di NI hanno gestiscono anche i cicli di vita e offrono supporto ai fornitori per garantire la longevità del sistema di test e la compatibilità con l'ecosistema PXI.

I controller embedded PXI sono tipicamente costruiti utilizzando componenti standard per PC in un piccolo pacchetto PXI. Il benchmarking delle prestazioni eseguito dall'R&D di NI assicura inoltre lo sviluppo di controller ottimizzati per applicazioni di test e misura, al fine di garantire che codice e algoritmi funzionino più velocemente. Ad esempio, NI PXIe-8881 offre opzioni di processore fino a 18 core Xeon (4,6 GHz massimo in modalità single-core, turbo boost), fino a 64 GB di RAM DDR4, unità a stato solido, trigger SMB e periferiche PC standard come Thunderbolt™, porte Gigabit Ethernet, USB, DisplayPort e GPIB.

NI rilascia un nuovo controller embedded PXI poco dopo che i principali produttori di computer come Dell o HP rilasciano computer dotati dello stesso processore mobile embedded ad alte prestazioni. Poiché NI si occupa del rilascio di controller embedded PXI da oltre 15 anni, ha sviluppato uno stretto rapporto di lavoro con produttori di processori chiave come Intel e Advanced Micro Devices (AMD). Ad esempio, NI è membro associato di Intel Embedded Alliance, che offre accesso alle roadmap e ai campioni di prodotto Intel più recenti.

^{1. 64 Gb di RAM DDR4 | 2. Streaming ad alta larghezza di banda | 3. Protezione con TPM v1.2 | 4. Fino a un processore Xeon a 18 core | 5. 2 porte Thunderbolt™ | 6. Porta GPIB | 7. 2 porte Ethernet Gigabit | 8. Porte USB | 9.Display Port | 10.Porte USB 3 | 11.Watchdog/trigger SMB esterno}

^{Figura 7: Il controller embedded PXIe-8881, dotato di opzioni di processore fino a uno Xeon 18 Core, è ideale per applicazioni di test e misura ad alte prestazioni, ad alta produttività e ad alta intensità computazionale.}

Oltre alle prestazioni di calcolo, la larghezza di banda I/O gioca un ruolo critico nella progettazione di sistemi di strumentazione. Poiché i moderni sistemi di test e misurazione diventano sempre più complessi, cresce la necessità di scambiare sempre più dati tra gli strumenti e il controller di sistema. Con l'introduzione di PCI Express e PXI Express, i controller embedded NI ora soddisfano questa esigenza e offrono fino a 24 GB/s di larghezza di banda di sistema al backplane dello chassis PXI Express.

^{Figura 8: NI fornisce la più recente e potente tecnologia di elaborazione alla piattaforma PXI da più di 20 anni.}

Controller montati su rack

Per fornire un'opzione di calcolo e controllo alternativa, NI offre controller esterni 1U per montaggio su rack. Sono dotati di processori multicore ad alte prestazioni per calcoli complessi e di più dischi rigidi rimovibili per un'elevata capacità di archiviazione dei dati e streaming ad alta velocità su disco. Questi controller sono progettati per l'utilizzo con i controller remoti MXI-Express e MXI-4 per l'interfacciamento con chassis PXI o PXI Express. In questa configurazione, i dispositivi PXI/PXI Express nel sistema PXI appaiono come dispositivi PCI/PCI Express locali nel controller di montaggio su rack.

^{Figura 9: I controller montati su rack con controller remoti MXI-Express o MXI-4 possono essere utilizzati per controllare chassis PXI o PXI Express.}

Controllo PC di PXI

Attraverso la tecnologia MXI-Express, i moduli di controllo remoto NI PXI forniscono una connessione semplice e trasparente tra una macchina host, come un PC desktop, e lo chassis e gli strumenti PXI. Durante l'avvio, il computer riconosce tutti i moduli periferici del sistema PXI come schede PCI, consentendo un'ulteriore interazione con questi dispositivi attraverso il controller. Il controllo PC di PXI consiste in una scheda PCI/PCI Express nel computer e un modulo PXI/PXI Express nello slot 1 del sistema PXI, collegato con cavo in rame o fibra ottica. I cavi in rame offrono una maggiore capacità di trasmissione dei dati, ma sono generalmente più corti (da 1 metro a 10 metri), mentre i cavi in ​​fibra ottica, disponibili con metrature molto più lunghe (fino a 100 metri o più), possono avere una minore capacità di trasmissione dei dati. La maggior parte dei PC sono immediatamente compatibili con le soluzioni di controllo remoto PXI. Inoltre, la compatibilità con i dispositivi MXI-Express è estesa a un numero ancora maggiore di PC attraverso il software MXI-Express BIOS Compatibility di NI.

Controllo laptop di PXI

È possibile controllare in modo equivalente un sistema PXI Express da un laptop utilizzando il modulo di controllo remoto NI PXIe-8301. Il controllo laptop di PXI Express è costituito da un modulo PXI Express nello slot 1 dello chassis e da un cavo Thunderbolt 3™ collegato al laptop.

^{Figura 10: I moduli di controllo remoto consentono il controllo desktop di uno o più chassis PXI.}

^{Figura 11: Il modulo di controllo remoto PXIe-8301 è ideale per applicazioni ultraportatili.}

Configurazioni multichassis

Le configurazioni multichassis consentono di gestire due o più chassis PXI da un unico controller master. Come sistema unificato, più chassis possono trarre vantaggio dalla sincronizzazione trasversale tra gli chassis, dalla separazione dei tipi di strumenti per ottimizzare il throughput dei dati e dai trasferimenti peer-to-peer tra strumenti in chassis separati.

Il metodo più comune per formare un sistema multichassis è costituito dal collegamento in serie. Tale tipo di collegamento è costituito da uno o più chassis slave (a valle) collegati in serie a uno chassis master (a monte) che viene controllato attraverso un controller embedded PC o PXI. Quando si utilizza una topologia con collegamento in serie, ogni chassis slave è visibile e controllabile dalla macchina host.

^{Figura 12: Un modulo di interfaccia host PXIe-8364 è collocato in uno slot periferico dello chassis master contenente un controller incorporato. Un telaio aggiuntivo è collegato in serie collegando il PXIe-8364 a un PXIe-8361 nello slot del controller di sistema del telaio slave. Possono essere utilizzati moduli aggiuntivi per collegare in serie fino a otto chassis.}

Mentre questa soluzione richiede un modulo aggiuntivo in uno slot periferico per il collegamento in serie, alcuni moduli di controllo remoto PXI contengono funzionalità di collegamento in serie integrate attraverso l'inclusione di due porte, una per il collegamento a monte e una per il collegamento a valle.

^{Figura 13: Un PC desktop con NI PCIe-8381 è collegato a uno chassis master PXI Express attraverso un modulo di controllo remoto PXIe-8381. Il PXIe-8381 dispone di una porta aggiuntiva per il collegamento in serie, che richiede solo un PXIe-8381 aggiuntivo. L'ultimo chassis a valle di questo sistema avrà una porta inutilizzata.}

Alcune schede di interfaccia host contengono due porte a valle, consentendo una topologia a stella. Anziché collegare due chassis slave in serie, la topologia a stella collega due chassis slave in parallelo, permettendo a ciascun chassis di comunicare direttamente all'host piuttosto che attraverso uno chassis intermedio.

^{Figura 14: La scheda di interfaccia host NI PCIe-8363 contiene due collegamenti MXI-Express, che consentono di controllare due chassis PXI Express attraverso un PC desktop utilizzando una topologia a stella.}

NI offre più di 600 moduli PXI diversi. Poiché PXI è uno standard industriale aperto, sono disponibili quasi 1.500 prodotti da oltre 70 diversi fornitori di strumenti. Inoltre, poiché PXI è direttamente compatibile con CompactPCI, è possibile utilizzare qualsiasi modulo 3U CompactPCI anche in un sistema PXI.

Le performance del sistema PXI restano elevate nonostante l'ingombro minimo.

La piattaforma PXI è in grado di offrire questo risparmio di spazio senza compromettere le performance, ma semplicemente adottando un approccio modulare del sistema. I tradizionali strumenti stand-alone richiedono sistemi di circuiti di elaborazione, display e interfaccia fisica separati. Per i sistemi di strumentazione basati su PXI, queste funzioni sono concepite per componenti specifici condivisi tra più strumenti. Un controller embedded PXI funge da hub centrale di elaborazione e controllo per tutti i diversi strumenti nel telaio PXI. Fornisce anche una HMI attraverso la sua connettività a periferiche esterne, come monitor video, tastiera e mouse.

^{Figura 15: NI offre più di 600 moduli PXI diversi.}

Il software in esecuzione sul controller incorporato interagisce con i diversi strumenti PXI per definire l'effettiva funzionalità del sistema di test. Con queste funzioni standard assegnate a un controller integrato che offre prestazioni all'avanguardia, gli strumenti PXI devono contenere solo la circuiteria della strumentazione effettiva, che fornisce prestazioni efficaci con un ingombro ridotto.

Lo sviluppo e il funzionamento di un sistema PXI o PXI Express basato su Windows non è diverso da quello di un PC standard basato su Windows. Non è quindi necessario riscrivere il software applicativo esistente o imparare nuove tecniche di programmazione quando si passa da un sistema basato su PC a PXI. Utilizzando PXI, puoi ridurre i tempi di sviluppo e automatizzare rapidamente i tuoi strumenti utilizzando NI LabVIEW, un ambiente di programmazione grafica intuitivo che costituisce lo standard del settore per i test. Puoi anche sfruttare l'architettura aperta della piattaforma per sviluppare programmi di misurazione e analisi specifici dell'applicazione utilizzando LabVIEW, Python, C/C++ e altri linguaggi.

Una vasta gamma di strumenti PXI come oscilloscopi, multimetri digitali, generatori di forme d'onda, VST e altro ancora sono supportati dal software NI InstrumentStudio™, che fornisce quadri strumenti interattivi pronti all'uso per il controllo e la configurazione degli strumenti, il salvataggio dei dati e l'esportazione delle configurazioni degli strumenti. InstrumentStudio fornisce anche un ulteriore livello di automazione, ad esempio nel sequenziamento delle app e nell'integrazione di misure personalizzate scritte utilizzando LabVIEW o Python.

^{Figura 16: InstrumentStudio fornisce un ambiente interattivo basato sulla configurazione per il controllo degli strumenti, l'esecuzione delle misure e lo sviluppo di sequenze di test per una validazione più rapida.}

​Inoltre, i controller PXI possono eseguire applicazioni sviluppate con software di gestione dei test come TestStand. Il software di gestione dei test include non solo funzionalità di esecuzione di test, ma anche un'architettura di test completamente funzionale che offre la flessibilità di personalizzare il comportamento per soddisfare esigenze specifiche come sequenziamento, branching/looping, generazione di report e integrazione di database. Il software di gestione dei test insieme alla strumentazione modulare PXI fornisce una soluzione integrata che può semplificare lo sviluppo dei test e ridurre la manutenzione per un successo a lungo termine.

​In alternativa ai sistemi basati su Windows, è possibile utilizzare un'architettura software in tempo reale per applicazioni di temporizzazione critiche che richiedono velocità di loop deterministiche e funzionamento headless (senza tastiera, mouse o monitor). I sistemi operativi in tempo reale ti aiutano a dare la giusta priorità alle attività, in modo che l'attività più critica assuma sempre il controllo del processore, riducendo il jitter. È possibile semplificare lo sviluppo di sistemi in tempo reale utilizzando versioni real-time di ambienti di sviluppo standard del settore come i moduli NI LabVIEW Real-Time. Gli ingegneri che costruiscono sistemi di test PXI dinamici o hardware-in-the-loop possono utilizzare software di test in tempo reale come VeriStand per ridurre ulteriormente i tempi di sviluppo.

^{​Figura 17: TestStand gestisce il codice di test di un sistema PXI indipendentemente dal linguaggio di programmazione utilizzato.}

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