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​的​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​の​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​的​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。