PXI仕様チュートリアル

内容

概要

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)仕様は、測定およびオートメーション用の堅固なPCベースプラットフォームを定義しています。PXIでは高速PCI(Peripheral Component Interconnect)バスを使用しており、今日のデスクトップコンピュータソフトウェアおよびハードウェア設計における事実上の標準となっています。PXIは、PCIの電気的バス仕様にCompactPCIの堅固なモジュール式Eurocardメカニカルパッケージを組み合わせたもので、それにテストおよび測定、データ収集、製造アプリケーション用の完全システムを定義する機械、電気、およびソフトウェア機能が追加されています。ナショナルインスツルメンツがPXI仕様を開発し、1997年にオープン業界規格として発表しました。現在、PXI仕様は60を超える企業メンバーで構成されるグループのPXI Systems Allianceによって管理されています。PXIはオープン規格であるため、どのベンダーでもPXI製品を作成することができます。PICMG規定の規格であるCompactPCIとPXIモジュールは、同じシステム内で同時使用しても競合することはありません。CompactPCIとPXI間の相互運用性は、PXI仕様の主要な特性です。PXI仕様の全資料は、PXI Systems Allianceのウェブサイトからダウンロードできます。

 

PCIからPCI Expressへの進化により、PC産業における利用可能なバス帯域幅が急激に向上すると同時に、PCI ExpressをPXI規格に統合することによってPXIがより多くのアプリケーションニーズを満たすことが可能になりました。PXI ExpressおよびCompactPCI Expressの成功を確実にするため、CompactPCIを管理するPICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)とPXIを管理する(PXI Systems Alliance)のエンジニアは、PCI Expressテクノロジをバックプレーンに統合すると同時に、既存システムとの互換性を維持することに力を注ぎました。PCI Express技術を活用して、PXI ExpressではPXIモジュールとのソフトウェア/ハードウェア互換性を保持しながら、使用可能なPXI帯域幅を132 MB/sから6GB/sの45倍に拡大しました。この性能強化により、従来高価で独自技術のハードウェアのみで構成されていたアプリケーションでも採用されるようになっています。PXI Expressについての詳細は、PXI Express仕様チュートリアルを参照してください。

 

機械特性

PXI specificationでは、厳しい環境下での使用にも耐えられるようPXIシステム要件を定義しています。PXIでは、高性能IECコネクタおよびCompactPCIで使用される堅固なEurocardパッケージシステムが使用されています。またPXIには、特別な冷却システムおよび環境要件が含まれ、工業用環境における運用にも使用できます。

高性能コネクタシステム

PXIは、CompactPCIと同様の高度なピンソケットコネクタシステムを使用しています。これらの高密度(2 mmピッチ)インピーダンスマッチコネクタは、国際電気技術委員会(IEC-1076)によって定義されているもので、あらゆる状況下で最も優れた電気性能を実現します。これらのコネクタは、高性能アプリケーションで広範囲に使用されており、とくに電子通信業界で顕著です。IECコネクタの電気特性を利用することで、PXIシステムでは単一バスセグメントにおけるスロット数をデスクトップPCよりも多く提供します。

Eurocardメカニカルパッケージ

PXIおよびCompactPCIの機械的特性は、工業用環境(たとえばVMEやVXI)におけるアプリケーションで長い歴史を持つEurocard仕様(ANSI 310-C、IEC-297、IEEE 1101.1、IEEE 1101.10、およびP1101.11)によって管理されています。これらの電子パッケージ規格は、厳しい工業用環境下でのラックマウント設置に耐えられるコンパクトで強固なシステムを定義します。PXIには大(6U = 23.335×16 cm)、小(3U = 10×16 cm)、2種類のモジュールサイズがあり、3Uが最も多く使用されているサイズです。小さいサイズのため、高性能電子機器を小型化できます。また、アダプタを使用することで6Uシステムですべての3Uサイズモジュールを使用することもできます。PXIは、バスセグメントの一番左側にあるシステムスロット、システムコントローラの場所を定義します。この配置は、CompactPCIで使用可能な多数の構成の一部です。システムスロットを一か所に定義することで統合を容易に行うことができ、異なるベンダーのコントローラとシャーシ間の互換性が高まります。

 

追加電子パッケージ仕様

CompactPCIで定義されるすべての機械仕様は直接PXIシステムに適用されますが、PXIにはシステム統合を簡素化するための追加要件が含まれます。PXI仕様では、すべてのシャーシの強制空冷が必須であり、温度、湿度、振動、衝撃などの完全環境テストを推奨しています。すべてのPXI製品に対してこれらのテスト結果のドキュメントを作成するよう義務付けられています。動作温度および保管温度の定格もすべてのPXI製品に必要です。また、PXI仕様では国際標準に準拠するための電磁波および感受性テストも要求されています。

 

電気特性

計測アプリケーションの多くでは、標準ISA、PCI、またはCompactPCI のバックプレーンで直接実行できないタイミング機能が要求されます。PXIモジュール式計測は、専用システム基準クロック、PXIトリガバス、スタートリガバス、スロット間ローカルバスを装備することで、上級タイミング、同期、側波帯通信に対応しています。PXIではすべてのPCIバスの利点を活かしながらこれらの機能を追加します。

 

システム基準クロック

PXIバックプレーンには、計測器システムまたは制御システム内の複数モジュールを同期するために、共通の基準クロックが組み込まれています。各周辺スロットでは、等間隔トレースで転送し、スロット間でスキュー値が1 ns未満の10 MHz TTLクロックを提供します。10 MHzクロックの確度はシャーシによって異なりますが、通常は25 ppm未満で位相ロックループ(PLL)メソッドを基に信頼性のある同期を行うことができます。たとえば、複数の100 MHzデジタイザは、それぞれ個別の電圧制御水晶発振器(VCXO)100 MHzクロックを容易に10 MHzシステム基準クロックと同期できます。10 MHzクロックの確度は、ボードをシャーシのスタートリガスロット(スロット2)に取り付けることで向上できます。たとえば、NI PXI-6608をスロット2に配置すると高確度10 MHzがバックプレーンに駆動されるため、クロックエラーは75 ppm未満に減ります。

PXIトリガバス

PXIは、モジュール間の同期および通信用に8つのトリガバスラインを定義しています。トリガ、クロック、ハンドシェイク信号はトリガバスラインを使用して共有することができます。トリガは、1つのモジュールから無制限に複数モジュールへ渡すことができるため、マスタからのデジタルトリガ信号をスレーブ測定デバイスへ分配することができます。トリガバスを使用することで可変周波数サンプルクロックの伝送が可能になるため、複数モジュールはサンプルクロックまたは可変周波数タイムベースを直接共有することができます。たとえば、データ収集 (DAQ) モジュールでは、トリガバスを介して44.1 Ksps CDオーディオサンプルレートを使用し、44.1 KHzの倍数であるクロックを直接共有できます。

スタートリガバス

トリガバスには、特別のスタートリガスロット(PXIシャーシではスロット2)からスター構成に配置された各スロット用の個別トリガラインがあります。PXIスターライン長は、スタートリガスロットから1 ns内の伝播遅延に一致します。この機能は、低遅延と低スキューのスタートリガスロットにあるマスター測定モジュールから、開始/停止トリガ信号を分配できる高速同期を行います。または、スタートリガバスを介して可変周波数クロック信号を1 nsスキュー未満でモジュールへ伝播することもできます。

ローカルバス

PXIローカルバスは、各周辺機器スロットを左および右に隣接する周辺機器スロットと接続するデイジーチェーンバスです。周辺機器スロットの右側のローカルバスは、隣接するスロットの左側のローカルバスに接続します。各ローカルバスは13ラインの幅があり、カード間で最高42 Vのアナログ信号を渡すことができます。または、PCI帯域幅に影響を及ぼさない高速側波帯の通信経路を提供することが可能です。

PCI機能

PXIは、デスクトップPCI仕様で定義されているパフォーマンス機能と同じ機能を提供しますが、例外が1つあります。PXIおよびCompactPCIシステムには、各バスセグメントで7つの周辺スロットがありますが、デスクトップPCIシステムでは3つです。その他はすべてのPCI機能がPXI/CompactPCIに適用します。

  • 33 MHzパフォーマンス
  • 32および64ビットデータ転送
  • 132 Mbytes/s(32ビット)および264 Mbytes/s(64ビット)ピークデータレート
  • PCI-PCIブリッジを介したシステム拡張
  • 3.3 Vマイグレーション
  • プラグアンドプレイ機能

PXI Express

PXI Expressは、PXIのタイミング/同期機能を保持するだけでなく、PXIに必要な既存の差動型コネクタと高性能で低コストな差動信号伝達が可能だという技術的なメリットを活かして、いくつかの新しい機能も追加します。既存のPXI機能上に構築されたPXI Expressは差動システムクロック、差動信号、差動スタートリガの追加タイミングおよび同期機能を提供します。差動クロックおよび同期を使用することで、PXI Expressシステムの計測クロックの耐ノイズ性、そして高周波数でのクロック信号の転送機能が向上します。システムパフォーマンスを向上できるだけでなく、高周波数クロックも最新のプロセスに適合し、低コストの製品でクロック乗算回路を取り除くこともできるようになります。

 

ソフトウェア特性

PXIでは、電気的要件に加えてソフトウェア要件を定義することでシステム統合をさらに簡素化します。これらの要件には、標準のオペレーティングシステムのフレームワークが含まれます。適切な構成情報およびすべての周辺デバイス用のソフトウェアドライバも必要です。

一般ソフトウェア要件

PXI仕様はMicrosoft Windowsオペレーティングシステムを基にしたPXIシステム用のソフトウェアフレームワークを提示しています。これにより、コントローラはLabVIEW、Measurement Studio、Visual Basic、Visual C/C++などの業界基準のAPI(アプリケーションプログラミングインタフェース)を使用できます。また、モジュールおよびシャーシのベンダーから入手する必要のある特定のソフトウェアコンポーネントもあります。PXIコンポーネントには、システム構成とシステム機能を定義する初期化ファイルが必要です。さらに、PXIでは計測業界で広く普及しているVISA(仮想計測ソフトウェアアーキテクチャ)をVXI、GPIB、シリアル、およびPXI計測器の構成および制御に使用するよう特定しています。

PXI Express

PXI Expressシステムは、既存のソフトウェアへの技術的投資を維持できるようソフトウェア互換性を提供します。PCI ExpressはPCIと同じOSモデルを使用するため、PXIなどのPCIベースシステム、そしてPXI ExpressなどのPCI Expressベースシステムの間でソフトウェアの互換性が保証されます。これにより、ベンダーやユーザはPCI Expressベースのシステムでドライバやアプリケーションソフトウェアを変更する必要がありません。

 

まとめ

PXIモジュール式計測は、一般向けのPC技術を利用した測定およびオートメーションユーザのための工業用コンピュータプラットフォームです。事実上の標準であるPCIバスを使用することで、PXIモジュール式計測システムは広く利用されているソフトウェアやハードウェアのコンポーネントを活用することが可能となります。PXIシステムで実行するソフトウェアアプリケーションやOSは、一般のデスクトップコンピュータで既に使用されているものなので、ユーザも使い慣れています。PXIは、工業用の堅牢な本体と搭載された多数のI/O用スロット、高度なタイミング/トリガ機能などにより、あらゆるニーズを満たすことができます。

PXIハードウェアのアーキテクチャ、ソフトウェアアーキテクチャ、またPXIシステムの構成方法については、PXIシステムを参照してください。

 

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