NI PXIを使用した複数計測器の同期ハードウェア

更新済み 2026/08/14

概要

最新のテストシステムは、信号の整合性とテストの信頼性を確保するために、チャンネル間の正確なタイミングと同期が不可欠である、増大するチャンネル数を管理する必要があります。それと同時に、チームは、結果をより迅速に提供し、市場投入までの時間を短縮しなければならないというプレッシャーにも直面しています。

このホワイトペーパーでは、複数の同種のPXIモジュールを1つの計測器として動作させるドライバレベルの機能であるNIの同期された複数計測器セッション (SMIS) について説明します。NI-TClkは、NI PXI統合タイミング/トリガアーキテクチャに基づいて構築されており、構成を簡素化し、コードの重複を減らし、外部ケーブルなしで正確なアライメントを実現します。

NI InstrumentStudio™ソフトウェアと複数のプログラミング言語のサポートを組み合わせることにより、SMISは要件の変化に適応する拡張性、保守性、高スループットのテストシステムを実現し、セットアップの高速化、スケーラブルなパフォーマンス、測定から自動化までのシームレスなパスを実現します。

背景:ますます複雑になるテスト

最近の自動テストシステムは、数十から数百のチャンネルと多様な信号タイプを持つ、ますます複雑なデバイスを検証する必要があります。これらの要求を満たすには、以下の要件を満たすシステムが必要です。

多チャンネル構成をサポートする
複雑さを増すことなくスケールアップできる能力がある
高速実行により、テストカバレッジを最大化し、サイクル時間を最小化する

厳密な同期を必要とするアプリケーションでは、計測器間でクロックとトリガを分配することが大きな課題です。レイテンシ、スキュー、およびジッタは、測定確度とシステムの信頼性を低下させる可能性があります。

箱型計測器を使用した従来のテスト設定には、いくつかの制限があります。

各計測器の手動構成には時間がかかり、エラーが発生しやすくなります。
同期用の物理的なケーブル配線では、遅延と不確定性が発生します。
複数のAPIとドライバを使用すると、ソフトウェアの複雑さとメンテナンスの負担が増加します。

NI PXIハードウェアでは、同期と拡張性がプラットフォームに組み込まれています。 PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) は、単一のコンパクトなシャーシに複数の計測器を統合するモジュール式の業界標準アーキテクチャです。PXIバックプレーンは、以下のリソースを提供します。

基準クロック―すべてのモジュールに共通のタイミングソースを分配
トリガバス―協調動作用にトリガ信号を経路設定
Starトリガバス―正確なタイミングアライメントのための低スキュートリガを提供

高度な同期では、NIの特許取得済みのNI-TClkテクノロジーにより、PXI計測器全体でサンプリングクロックとトリガをナノ秒未満でアライメントでき、スキューとジッタを自動的に補正して、外部ケーブルや複雑なキャリブレーションの必要性を排除します。

箱型計測器とNI PXIプラットフォームの異種同期の比較

^{図1. NI-TClkによる箱型計測器およびPXIプラットフォームの異種同期の比較}

同期された複数計測器セッション (SMIS)

NI-TClkは異種計測器間で強力な同期を提供しますが、同じタイプの複数の計測器に対しては、同種計測器の同期用に選択された計測器ドライバが強化されたことにより、構成プロセスがさらに簡素化されました。

SMISを使用すると、同じモデルの複数のモジュールを1つのソフトウェアセッションにグループ化できます。この抽象化は以下の目標を達成するのに役立ちます。

複数の計測器を1つのユニットとして構成および制御
コードの複雑さを軽減し、冗長な構成手順を排除
同期、確度、テストスループットを快速向上

この機能は現在、NI-SCOPE、NI-Digital Patternなどの一部のNIドライバ、および一部のRFドライバでサポートされています。InstrumentStudioには、NI LabVIEW、NI TestStand、Python、C/C++、C#などで簡単にコード構成できる機能が自動的に統合されています。

コンセプトからアプリケーションへ:計測器チャンネルのスケーリング

エンジニアが同じタイプで同じプロバイダの計測器を使用する場合でも、従来の同期方法は複雑です。各デバイスは、別々のクロック、トリガライン、およびドライバセッションで独立して動作します。チャンネル数のスケーリングや測定機能の拡張には、計測器を追加するたびに指数関数的に増加する手作業が必要です。また、計測器を追加することでフットプリントも増加します。

従来、これらの計測器を調整するには、エンジニアは以下のことを行う必要があります。

外部基準クロックを提供する
クロックとトリガを共有するための物理的接続を確立する (信号経路設定のために計測器のチャンネルの1つを犠牲にする場合が多い)
各デバイスのタイミングとトリガパラメータを手動で調整する
多くのソフトウェアインタフェースは、箱型計測器の複数計測器同期をネイティブにサポートしていないため、複数のコードブロックを書き込み、テストし、保守する

32チャンネルオシロスコープを作成するためのオシロスコープ箱型計測器による同種同期

^{図2. 32チャンネルオシロスコープを作成するためのオシロスコープ箱型計測器による同種同期}

慎重な設定にもかかわらず、ケーブル長、クロック分布、またはトリガレイテンシに小さな変動があると、計測器間のアライメントがずれる可能性があります。これらの微妙な誤差は、特に高速または位相に敏感なアプリケーションにおいて、タイミングスキューと測定の不一致の原因となります。

NI SMISは、エンジニアがマルチチャンネルテストシステムをスケールおよび制御する方法を再定義します。この機能は、複数の計測器を1つのユニットとして扱うことで、ハードウェアレベルの同期の精度と統合されたソフトウェア構成および制御のシンプルさを兼ね備えています。モジュール式の高密度PXI計測器を使用すると、コンパクトな設置面積で多チャンネルシステムを容易に構築でき、拡張と拡張性が簡単になります。

4つのPXIe-5108 8チャンネルオシロスコープモジュールを統合32チャンネルオシロスコープとして同種同期

^{図3.4つのPXIe-5108 8チャンネルオシロスコープモジュールを統合32チャンネルオシロスコープとして同種同期}

InstrumentStudioを使用した対話式構成

InstrumentStudioは、NI PXIシステムに含まれる対話式計測ソフトウェアです。単一のワークスペースですべての計測器を構成および視覚化するための合理化された環境を提供します。

InstrumentStudioの主な機能

自動レイアウト作成―システム内の計測器モジュールを認識し、それらを1つのワークスペースにまとめます。
カスタマイズされたレイアウト管理―パネルを並べて複数の計測器の測定を実行したり、複数の計測器をタブでグループ化して測定コンテキストを切り替えることができます。
プロジェクトベースの構成―構成済みのセットアップを保存、再利用し、LabVIEWまたはTestStandにエクスポートして自動化します。
リアルタイムテストシステムデバッグ―自動化されたワークフローの実行中に、計測器の構成と測定の可視性を維持します。TestStand、LabVIEW、Python、またはその他の環境で実行を一時停止して設定を調整し、プロセスを再起動せずに再開します。

これらの機能以外にも、SMISをサポートする複数の同種のモジュールが検出されると、InstrumentStudioは自動的にそれらを1つの統合された計測器にグループ化します。これにより、1つのビューですべてのチャンネルのライブ視覚化が可能になり、単一の信号からトリガされ、時間とサンプリングレートが揃ったままで、同じクロック基準を共有する単一の計測器として動作します。その結果、ハードウェアまたはソフトウェアの追加構成を必要とせずに、正確なタイミングおよび同期相関が得られます。必要に応じて、カスタムレイアウトオプションを使用して各モジュールを個別に操作することができます。

^{図4. InstrumentStudioのこのスクリーンショットは、すべての信号が自動的に同期された2台のNI PXIe-5108 8チャンネルオシロスコープから使用可能な16チャンネルの同期オシロスコープチャンネル13個を示しています。}

InstrumentStudioを使用すると、ハードウェアのセットアップから最初の測定まで数秒で完了するため、システムの立ち上げとデバッグがシンプルになります。要件の進化やチャンネルの増加に応じて、PXIシャーシに別のモジュールを追加することで、既存の構成をセットアップに使用できます。

対話式測定から自動化へ

システムの構成が完了したら、次のステップは自動化です。ここで、NI PXIモジュール式計測器が真価を発揮します。NI PXIシステムはソフトウェア駆動型であるため、NI LabVIEW+を使用した手動測定から自動ワークフローへの移行は、従来の箱型計測器やその他のソフトウェア環境よりも大幅に合理化されます。

汎用言語を使用して箱型計測器をプログラミングすると、多くの場合大きな摩擦が生じます。エンジニアは、以下の問題の多くに頻繁に直面します。

複雑な接続設定 (USB、TCP/IPなど) では、手動での構成とトラブルシューティングが必要
大きなデータセットのフェッチ時またはコマンド実行時の一貫性のない動作
処理エラーまたはパワーシーケンス異常によるロックアップ
遅延の追加、バイナリ転送、または安定性を維持するためにレジストリ設定を変更するなどの追加手順

これらの課題により、箱型計測器との基本的な通信でさえ、同期を考慮しなくても時間がかかり、エラーが起こりやすくなります。複数の計測器を調整するには、デバイス間でタイミング、トリガ、およびデータ収集を調整する必要があります。これには、カスタムロジックと広範囲なテストが必要になることがよくあります。従来のプログラミング環境では、通常、並列実行には手動スレッド処理とリソース管理が伴い、オーバーヘッドとエラーのリスクが大きくなります。LabVIEWは、組込の並列化と直感的なデータフロープログラミングにより、コンカレント操作を簡単に実装できるという利点があります。

LabVIEWでの従来のマルチ計測器プログラミング

^{図5. LabVIEWでの従来のマルチ計測器プログラミング}

このサンプルは、SMISを使用しない複数のオシロスコープのプログラミングの複雑さを示します。各計測器には独自の構成と集録ブロックが必要なため、コードの反復と手動同期が発生します。並列実行が容易なLabVIEWのような環境でも、開発者は各計測器を独立したエンティティとして扱い、構成や集録のための反復コードブロックを記述し、手動で同期を管理する必要がありました。

SMISを使用すると、このプロセス全体が合理化されます。複数の独立したセッションを管理する代わりに、すべての同種の計測器とチャンネルをカバーする単一のセッションを定義します。そこから構成と集録が統合操作になります。

単一セッション初期化―すべての計測器とそのチャンネルを事前に特定します。
統合された構成―タイミング、トリガ、および集録設定をすべてのデバイスに適用します。
同期測定―すべての計測器から同時にデータを取得し、完全なアライメントを確保します。

LabVIEWの同期された複数計測器セッション (SMIS)

^{図6.LabVIEWの同期された複数計測器セッション (SMIS)}

このサンプルは、SMISが複数の同種の計測器を1つのセッションに統合し、コードを大幅に簡素化し、正確な同期を保証する方法を示します。

この機能はドライバレベルで実装されており、LabVIEW、Python、C/C++、C#などで一貫して動作します。開発者は、使用する言語に関係なく、同じ簡素化されたAPIを活用できるため、開発時間を短縮でき、カスタム同期ロジックが不要になります。

NIソフトウェアのもう1つの利点は、InstrumentStudioで作成した構成をLabVIEW、TestStand、Python、C/C++、またはC#などの自動化環境に直接エクスポートできることです。この機能を使用すると、コードで設定を手動で複製する必要がなくなるため、対話式測定から自動テストへの移行が促進されます。詳細な手順については、「InstrumentStudio構成をエクスポートする方法」を参照してください。

この機能により、コードで設定を手動で複製する必要がなくなります。代わりに、エクスポートされた構成が計測器ドライバによってロードされ、一貫性が確保され、エラーが減少します。検証済みのセットアップを再利用することで、開発期間を短縮し、デバッグを最小限に抑え、自動テストが対話式測定と同じ条件を確実に反映できるようにします。

以下のデモビデオでは、従来の並列実行とSMISの活用の違いを説明します。SMISは、開発を加速しながら、コードの複雑さを軽減し、可読性を向上させ、正確なタイミングアライメントを保証します。

同期された複数計測器セッション (SMIS) の注意事項

SMISセッションは、複数のデバイス間で測定を調整する効率的なアプローチを提供します。ただし、この方法には、テスト設計者が考慮する必要があるいくつかの制約があります。

均一性要件―SMISは特定のPXIモジュールに限定され、セッション内のすべての計測器はモデルと構成が一致している必要があります。たとえば、4チャンネルと8チャンネル、または異なるメモリを持つ同じモデルのデバイスを組み合わせることはできません。
単一シャーシの制限―同期は、同じシャーシに取り付けられたデバイスに制限されます。複数のシャーシに拡張するには、NI-TClkが必要です。

同種設定では、同期された複数計測器セッションが効率的で実装が簡単です。異種システムまたはマルチシャーシ構成では、NI-TClkが推奨され、最新の自動テストアーキテクチャに必要な柔軟性と精度を提供します。

正確なチャンネルアライメントの重要性

多チャンネルシステムにおいて、特に正確なタイミング相関や位相コヒーレンスに依存するアプリケーションでは、チャンネル間の緊密なアライメントが不可欠です。SMISを使用しない場合、適切に構成された計測器でもサンプルタイミングにわずかな変化が生じ、デバイス間のスキューが数ナノ秒になります。

SMISなしで複数のPXIオシロスコープをプログラミングする場合のタイミング変動

^{図7. SMISなしで複数のPXIオシロスコープをプログラミングする場合のタイミング変動}

最新のテストシステムには、単に正確な測定を行うだけでなく、速度、拡張性、シンプルさが求められます。NI PXIモジュール式計測器をSMIS機能と併用すると、複数のモジュールが同じクロックと共通のトリガを共有できるため、このばらつきを解消できます。この機能によって、一貫性のある完全に整列されたデータセットが生成され、詳細な解析が可能になり、エンジニアがマルチチャンネルシステムを構成および自動化する方法が変わります。

複数のPXIオシロスコープモジュールでSMISを使用して正確なチャンネルアライメントを実現

^{図8. 複数のPXIオシロスコープモジュールでSMISを使用して正確なチャンネルアライメントを実現}

まとめ

SMISを使用すると、以前は数十回の反復呼び出しと手動による同期が必要だった作業が1つのセッションで実行できるようになり、コードの複雑さが軽減され、LabVIEW、Python、C/C++などの開発が迅速化されます。この統合されたアプローチにより、余分なハードウェアやカスタムロジックを使用せずに正確なタイミングアライメントが保証され、エンジニアは最小限の労力で少数のチャンネルから数百のチャンネルまで拡張できます。

PXIアーキテクチャは、プログラミングの効率性だけでなく、ハードウェアレベルで優れたデータスループットと同期を実現します。複雑なデバイスを検証する場合でも、大規模な製造テストを実行する場合でも、PXIはデータへの高速アクセス、信頼性の高いパフォーマンス、要件の変化に応じて拡張できる柔軟性を確保します。

NI PXIの真の価値は、テスト方法に応じて進化できることにあります。NI PXIハードウェアは、モジュール式ハードウェア、インテリジェントソフトウェア、およびSMISのようなドライバレベルの革新を組み合わせることで、迅速なデプロイ、保守、将来の課題に備えた自動テストシステムの構築を可能にします。

次のステップ

参考資料

MicrosoftおよびWindowsはMicrosoftグループ各社の商標です。

NI PXIを使用した複数計測器の同期 ハードウェア

概要

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