​PXIシステムのコントローラを選択する際の注意事項

​PXIコントローラは、PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) システムの主要な処理および管理ユニットです。システムコントローラスロットに取り付けると、PXIバックプレーンでのデータ転送の調整、ソフトウェアプログラムの実行、ユーザ操作またはネットワーク統合のための外部インタフェースを提供します。NI PXIコントローラには、組込コントローラとリモートコントローラがあります。組込コントローラには、外部PCを使用せずにPXIシステムを実行するのに必要なすべての機能が搭載されています。一方、リモートコントローラでは、デスクトップPC、ノートブックPC、サーバコンピュータからPXIシステムを制御できます。

コントローラの仕様は以下の要素に直接影響します。

• 処理電力―コントローラ内のプロセッサによって決まり、CPUコア数、クロック速度、データ処理、並列処理、マルチタスク処理に影響します。
• ​メモリ―RAMの容量と速度によって決まります。大きなデータセットがリアルタイムで効率的にバッファおよび処理される方法に影響し、レイテンシを低減してPXIモジュール間の高スループット通信を可能にします。
• ​データスループット―PCI Expressのレーン幅と生成量によって決まり、高速集録またはストリーミングに重要なコントローラとモジュール間の最大データレートを定義します。
• ​リアルタイムパフォーマンス―プロセッサの選択とオペレーティングシステムによって、レイテンシと確定性に影響を及ぼします。
• オペレーティングシステム―Microsoft Windows、デスクトップLinux、またはNI Linux Real-Timeから選択します。
• ​I/Oおよび接続性―USB、イーサネット、Thunderbolt™、その他のフロントパネルポートにより、周辺機器の統合とリモートアクセスが可能です。

​適切なコントローラを選択することで、PXIシステムは今日の最も要求の厳しいテストおよび測定アプリケーションに必要な演算能力、データスループット、および接続性を確実に提供します。NI PXIコントローラは汎用性を重視して設計されており、以下の例を含む広範なユースケースをサポートしています。

• 生産テストシステム―製造環境における電子機器、PCB、アセンブリの自動テスト。
• ​検証および特性評価―機能検証テスト、音響およびオーディオテスト、電気部品の特性評価。
• ​高速データ収集―RF記録/再生、無線通信プロトタイピング、高スループット信号解析。
• ​HIL (hardware-in-the-loop)―自動車、航空宇宙、工業用組込システム用のリアルタイムシミュレーションおよび制御。

NI PXIコントローラの詳細。

このセクションでは、組込コントローラとリモートコントローラを比較します。 

組込コントローラ

組込コントローラは、PXIシャーシに直接取り付ける自己完結型のコンピュータで、外部PCを必要としません。NI組込コントローラは、PXIシステム用に特別に設計された高性能で信頼性の高いコンピューティングを提供します。事前構成済みのオペレーティングシステムオプション、堅牢な設計、長期サポートにより、デプロイメントを加速し、設計検証から量産試験に至るまで安定した運用を保証します。

組込コントローラの主な機能

• 柔軟なオペレーティングシステム―Windows、デスクトップLinux、またはLinux Real-Timeから選択して、アプリケーションおよび統合のニーズを満たすことができます。
• ハイパフォーマンスコンピューティング―強力なプロセッサと高速データスループットにより、要求の厳しいテストおよび測定ワークロードを処理します。
• 合理化されたソフトウェア開発―NIソフトウェアとの緊密な統合により、セットアップ、構成、およびデプロイメントを簡素化します。
• 長期的な拡張性―安定したパフォーマンスとライフサイクルのサポートにより、何年にもわたって安定した運用が可能です。
• ハードウェアベースのセキュリティ―Windows 11用TPM 2.0によるセキュアブートやデバイス暗号化などのハードウェアベースのセキュリティ機能を有効にします。

^{図1. このNI PXIe-1081シャーシには、NI PXIe-8842組込コントローラおよびその他のNIの計測器が取り付けられています。}

リモートコントローラ

リモートコントローラは、MXI-ExpressまたはThunderbolt高速インタフェースを使用してPXIシャーシを外部ホストコンピュータに接続します。 この構成により、PXIシステムは既存のデスクトップまたはノートブックPCの処理能力、ストレージ、および表示機能を使用することができ、組込制御に代わる柔軟でコスト効率の高い方法を提供します。 図2はノートブックPCベースのリモートコントローラのセットアップを示し、図3はデスクトップPCベースのリモートコントローラのセットアップを示します。

^{図2. NI PXI Expressシャーシ、Thunderboltリモート制御モジュール、Thunderbolt 3+ M2Mケーブル、およびThunderbolt 3+ポートを備えたノートブックPCを含む、ノートブックPCベースのリモートコントローラのセットアップ。}

^{図3. NI PXI Expressシャーシ、リモート制御 モジュール、MXIe ケーブル、リモート制御用デバイス (PCIカード)、およびデスクトップPCを含む、デスクトップPCベースのリモートコントローラのセットアップ。}

リモートコントローラの主な機能

• 携帯性と現場へのデプロイメント―モバイル環境またはスペースに制約のある環境向けのノートブックPCまたはコンパクトPCとの互換性 (オンサイトITポリシーに適合するお客様提供PCのサポートを含む)。 
• コスト効率―専用の組込コントローラの代わりに既存のコンピューティングリソースを使用することで、システム全体のコストを削減できる可能性があります。 
• 高パフォーマンスと拡張性―高帯域幅データ転送および要求の厳しいアプリケーションのマルチシャーシ構成の機能を提供します。

組込オプションよりもリモートコントローラが推奨される場合もあります。例: 

• 研究開発および製造環境での自動テストシステム
• フィールドサービスおよびメンテナンス用のポータブル診断ツール
• 共有コンピューティングリソースが一般的な学術および研究機関
• 迅速な再構成を必要とする概念実証およびプロトタイピングのセットアップ

このホワイトペーパーでは、組込コントローラの選択にのみ焦点を当てています。 PXIリモートコントローラの詳細については、パンフレットを参照してください。

NI PXI組込コントローラには、NI PXIe-8822、NI PXIe-8842、NI PXIe-8862、およびNI PXIe-8881の4つの主要モデルがあります。各モデルには、異なるプロセッサタイプ、コア数、および帯域幅機能があり、以下のセクション1～3で説明します。 各モデルには、オペレーティングシステム、RAM、ストレージなど、さまざまな製品番号があり、セクション4～8で説明します。

コントローラを選択する際は、以下の重要な注意事項を確認してください。

• 検査対象デバイスのシステム要件
• プロセッサのニーズ
• 帯域幅要件
• メモリ (RAM) とストレージ
• 適切なオペレーティングシステム
• I/Oおよび接続オプション
• PXIシャーシの互換性
• 信頼性
• セキュリティニーズ

検査対象デバイスのシステム要件

PXIシステムのすべての決定は、検査対象デバイス (DUT) によって左右されます。以下のパラメータを定義すると、必要な計測器またはモジュールの種類と数、シャーシの選択肢、そして最終的にどのコントローラがシステム要件に最適かを知ることができます。 

• 信号タイプと帯域幅―アプリケーションでアナログ、デジタル、RF、または混合信号が使用されているかどうかを特定し、これらのモジュールで予想される周波数範囲と帯域幅を指定します。高帯域幅信号には、高速データ処理のために高PCI ExpressスループットおよびマルチコアCPUを備えたコントローラが必要です。
• チャンネル数と分解能―同時チャンネル数と必要な分解能 (16ビットまたは24ビットなど) を決定します。チャンネル数と分解能が増加すると、データ量も増加します。その結果、より大きなRAM容量とより高速なメモリ帯域幅を持つコントローラが必要になります。
• データレートとボリューム―ピークデータスループットとテスト中に予想される合計データ量を評価します。高速データレートのアプリケーションでは、最大PCI Express帯域幅、高速ストレージ、およびリアルタイムデータバッファに十分なRAMを提供するコントローラが必要です。
• 環境および物理的制約―動作温度、振動許容範囲、およびテスト環境によって課されるフォームファクタの制限を検討します。検査対象デバイス (DUT) が過酷な環境に設置されている場合、システムの信頼性を確保するためには、拡張環境仕様に対応したリモートセットアップまたはコントローラを選択することが重要です。
• テストの実行モードと並列化―テストの動作を検討します。連続実行する必要があるのか、確定的制御ループが必要か。 確定的制御にはリアルタイムオペレーティングシステムの利点があり、長時間のテストには高信頼性ハードウェアと拡張ストレージオプションが必要な場合があります。 複数のDUTを同時にテストする場合は、コア数の多いコントローラを選択することで並列処理とテスト全体のスループットが向上します。
• シャーシ構成―シャーシ内のPXIモジュールに必要なスループットを評価します。多くの高性能モジュールを搭載したシャーシには、最大PCI Expressレーン数、高システム帯域幅、およびボトルネックのない並列データストリームを処理する強力なCPUを備えたコントローラが必要です。

これらの要件を理解することで、選択したコントローラがアプリケーションに必要なパフォーマンス、拡張性、および信頼性を提供することができます。以下のセクションでは、組込コントローラの主要なパラメータについて説明します。 このホワイトペーパーの最後には、これらのパラメータがコントローラの選択をどのように導くかを示す3つのテストシナリオが記載されています。

1.プロセッサのニーズ

Intel® Core™ i3、i5、i7、またはXeon®のいずれであっても、自動テスト/測定システムのパフォーマンスを最適化するには、適切なプロセッサを選択することが不可欠です。プロセッサは、PXIコントローラがデータ収集、信号解析、並列処理、リアルタイム制御などのタスクをどれだけ効率的に処理できるかを決定します。プロセッサを選択する際、プロセッサのコア数、パフォーマンス、スレッド処理機能、クロック速度など、評価できる属性がいくつかあります。 

コア数

コア数を増やすと、複数のタスクを並列で実行できます。これは、RF信号解析、データロギング、または制御ループなどのマルチスレッドアプリケーションには不可欠です。

^{表1. プロセッサコア数と一般的なユースケース}

プロセッサのパフォーマンスを比較する

プロセッサのパフォーマンスを比較する場合、CPUベンチマークは、クロック速度やコア数などの仕様を超える実際のパフォーマンスを測定することで、異なる世代やベンダ間でより包括的な比較を提供します。PassMark CPU Benchmarksなどのツールは、シングルコアおよびマルチコアのパフォーマンスを数量化し、実際のシナリオにおけるプロセッサのパフォーマンスをより正確に把握します。 異なるコントローラのベンチマークスコアを正規化するには、コントローラのCPUベンチマークスコアをPXIe-8842スコアの15,778で除算してCPUマークを計算します。たとえば、PXIe-8842の正規化されたCPUマークは1 (15,778 ÷15,778 = 1) ですが、PXIe-8881のスコアは2.04 (32,177 ÷15,778 = 2.04) です。このスコアを正規化すると、さまざまなベンダのさまざまなコントローラのCPUマーク比をより簡単に比較できます。同じブランドを持つすべてのプロセッサが同じパフォーマンスを提供するわけではありません。各プロセッサは異なる優先度で最適化されています。たとえば、PXIe‑8881で使用されているIntel Xeon W‑2295は、高スループットワークロード用に設計された18コアにより、マルチスレッドCPUマークスコア2.04を達成しています。これに対し、他の市場コントローラに搭載されているIntel Xeon W‑11865MREのスコアは約1.24です。 

^{図4. NI PXI組込コントローラ用マルチスレッドCPUマーク}

スレッド処理機能

スレッド処理とは、CPUが複数の命令シーケンス (スレッド) を同時に実行する機能のことです。

• シングルスレッド―各コアは一度に1つのスレッドを処理するため、並列処理が制限されます。
• マルチスレッド―各コアは複数のスレッドを処理できるため、コンカレントワークロードにおけるリソース使用率とパフォーマンスが向上します。最近のほとんどのCPUでは、各物理コアが2つのスレッドを同時に実行するハイパースレッディングを使用して、効率を高めています。

C++やPythonなどの従来の言語では、エンジニアはスレッドの作成、ロックやセマフォによる同期の管理、コア間でのタスクの手動分散など、低レベルのスレッド処理コードを作成する必要があります。これにより、競合状態やデッドロックなどの問題が複雑になり、リスクが高まります。

NI LabVIEWおよびNI TestStandは、以下の方法で並列テストの実行を簡素化します。

• LabVIEWは、並列プログラミングを簡素化するグラフィカルプログラミング環境です。データフローモデルは本質的に並列性をサポートし、ランタイムはCPUコアの割り当てを自動的に管理します。独立したノードは、入力データが使用可能になると即座に実行され、エンジニアはUI、集録、および解析スレッドを分離するように実行システムを構成することで、パフォーマンスをさらに最適化できます。
• TestStandは、複数の検査対象デバイス (DUT) を同時にテストできるテスト管理ソフトウェアです。 従来、並列テストの実行には、コンピュータのOSと並列操作の仕組み、および計測器がハングアップする可能性のある競合やデッドロックを発生させずに複数のDUT間で計測器リソースを共有する方法に関する深い知識が必要です。 TestStandは、スレッドを自動的に作成および管理し、CPUコア全体に分散し、共有リソースの同期を処理する事前定義されたプロセスモデルを提供することで、この複雑さの大部分を排除します。エンジニアは、DUTの数とリソースルールを構成できるため、並列テストは従来の方法よりもはるかに簡単でコスト効率に優れています。 テストコストを削減する並列テストアーキテクチャの詳細。

マルチコアプロセッサとLabVIEWやTestStandなどのソフトウェアを組み合わせることで、エンジニアや開発者は低レベルのスレッドコードを書かずに高いスループットと応答性を実現できます。NIのツールは、スレッドの作成、スケジューリング、リソースの共有を自動的にシームレスに処理するため、エンジニアはマルチコアCPUを最大限に活用しながらテストロジックに集中できます。 

クロック速度と確定性に優れた性能

クロック速度 (GHz) は、高速データ収集、HILシステム、スペクトル解析などの自動テストシステムにおいて、シングルスレッド、時間依存タスクに重要です。クロック速度が速いほど、レイテンシが減少し、確定性が向上するため、制御ループの短縮、サンプリングレートの向上、ジッタの低減が可能になります。シングルスレッド操作では、CPUが高速なほどループの実行とタイミングの確度が向上します。クロック速度を比較する場合は、アーキテクチャの違いが実際のパフォーマンスに大きな影響を与えるため、同じCPU生成内で行ってください。

^{表2. CPUクロック速度の階層と推奨されるユースケース}

^{図5. レイテンシとクロック速度}

リアルタイムタスクでは、コア数よりも低レイテンシと高クロック速度を優先します。GHz定格が高いほど熱出力と消費電力が増加するため、適切な冷却が不可欠です。ハイパースレッディングはシングルスレッドのパフォーマンスを改善しません。リアルタイムタスクでは、物理コアの速度に焦点を当てることで最適な結果が得られます。

適切なプロセッサを選択する際のポイント

• コア数の優先―より高いコア数を選択すると、並列処理とマルチタスク機能が向上します。 
• CPUベンチマークの比較―標準化されたパフォーマンスメトリックを使用して、市場全体でプロセッサを客観的に評価します。 
• スレッド処理機能の活用―マルチコアプロセッサをLabVIEWやTestStandなどのNIツールと組み合わせることで、複雑なコーディングを行わずに並列実行できます。 
• リアルタイムのクロック速度の重視―レイテンシと確定性が時間に敏感なアプリケーションでは、コア数よりもクロック速度が高い値を選択します。

全体として、前述の属性を理解することで、アプリケーションのパフォーマンスとコストのバランスを取ることができます。 

2.帯域幅要件

PXIシステムでは、「帯域幅」とは、コントローラ、PXIモジュール、およびその他のシステムコンポーネント間でデータを転送できるレートを指します。 帯域幅は、システムが大量のデータを処理するタスクをどの程度適切に処理するかを決定する重要な要素です。考慮すべき帯域幅には、全体的なシステム帯域幅とメモリ帯域幅の2つの主なタイプがあります。 

システム帯域幅

システム帯域幅とは、PXIコントローラとPXI Expressバックプレーン間の最大データ転送レートを指します。これにより、コントローラがシャーシに取り付けられたPXI Expressモジュールとデータを交換できる速度が決まります。

• PXI Express
  • PCI Express Gen 1 ― レーンあたり最大250 MB/s (x4 = 1 GB/s)
  • PCI Express Gen 2 ― 500 MB/s/レーン (x4 = 2 GB/s)
  • PPCI Express Gen 3 ― レーンあたり1 GB/s (x4 = 4 GB/s以上)

PXI Expressバックプレーン帯域幅は、コントローラがシャーシ内のI/Oモジュールにデータを転送できる速度を決定します。たとえば、PCI Express Gen 3 (4 GB/s) をサポートするPXI Expressシャーシを使用し、PCI Express Gen 1 (1 GB/s) に制限されたコントローラを選択すると、システムは1 GB/sでボトルネックとなり、RFまたは高チャンネルDAQなどの高速アプリケーションのパフォーマンスが低下します。コントローラのPCI Express生成をシャーシに一致させることで、最適なスループットとシステム効率を確保できます。 バックプレーン帯域幅の詳細については、ホワイトペーパー「PXI Expressシャーシの選択による効率的なデータ移動とスループット」を参照してください。

メモリ帯域幅

メモリ帯域幅は、CPUがRAMからデータにアクセスして処理する速度を定義します。これは、リアルタイムパフォーマンス、マルチタスク、および信号解析や機械学習などの大量のデータを処理するアプリケーションに重要です。マルチチャンネルアーキテクチャによる高速DDR4/DDR5メモリにより、特に複数のアプリケーションや仮想マシンを実行する場合にスムーズな実行を実現します。

理論上のメモリ帯域幅を計算する方法

式: (チャンネル数×転送あたりのバイト数×クロック速度)/1024
 
例: PXIe-8881は、(4×8×2666)/1024=83 GB/sのメモリ帯域幅を提供します。

メモリ帯域幅は、CPUとモジュールの両方がメモリから同時にデータをストリーミングするため、ボトルネックを回避するためにシステムPCI Express帯域幅よりも大きくする必要があります。メモリ帯域幅が小さすぎると、高速PCI Express Gen 3バックプレーンでも最大限の性能を発揮できず、高スループットアプリケーションのパフォーマンスに影響します。

帯域幅階層別のPXIコントローラ選択マトリクス

表3は、アプリケーションの推定スループットに基づいて、帯域幅要件に一致するコントローラを選択する際に役立ちます。これらの要素を考慮すると、システムがボトルネックなく効率的にデータを集録および処理できることを確認できます。

^{表3. 帯域幅階層別のPXIコントローラの推奨事項}

3.メモリ (RAM) とストレージ 

RAMはコントローラの短期メモリとして機能し、テスト実行中にデータを一時的に格納します。適切なRAMにより、計測器とコントローラ間のボトルネックが軽減され、PXI Expressバックプレーンでのスムーズなデータ転送と大規模なデータセットの効率的な処理が可能になります。

RF解析、ミックスドシグナル集録、HILシミュレーション、リアルタイム信号処理などの高性能アプリケーションでは、高速な計算とマルチタスクをサポートするためにRAM容量が増加します。 たとえば、PXIe-8881は最大64 GBのクワッドチャンネルDDR4-2666 RAMをサポートし、PXIe-8862は最大32 GBのデュアルチャンネルDDR4-3200 RAMを搭載して負荷の高いタスクに対応します。

基本的なデータ収集、センサロギング、温度監視などの他のアプリケーションは、データバッファと処理の必要性が最小限であるため、通常8 GBのRAMで効率的に実行されます。

ストレージは、データ、ソフトウェア、オペレーティングシステムファイルを保存する場所です。データの書き込み、取得、解析の速度に影響します。 NI-PXI組込コントローラには、2つの主なストレージオプションがあります。ソリッドステートドライブ (SSD) は、最大512 GBの容量と使用可能な拡張オプションを備え、速度、信頼性、および耐久性の点で推奨されています。機密環境における安全なデータ処理のため、PXIe-8862などの一部のコントローラには、最大960 GBまでのアップグレードオプション付きのフロントパネル取り外し可能ドライブが装備されています。

シャーシ内で高速ロギング (>1 GS/s) または長時間のテストを処理するためにより多くのストレージが必要な場合は、PXIストレージモジュール (NI PXIe-8267) を追加して容量とパフォーマンスを拡張することを検討してください。

4. 適切なオペレーティングシステム

OSによって、アプリケーションで使用可能な開発ツール、ドライバ、および自動化フレームワークが決まります。確定性と正確なタイミングを提供するOSの能力が重要な考慮事項です。Hardware-in-the-Loopシミュレーションや閉ループ制御など、予測可能で低レイテンシの応答を必要とするアプリケーションには、リアルタイムオペレーティングシステムが必要です。 

Microsoft Windows

Windowsは、PXIシステムで最も広く使用されているOSで、NI-LabVIEW、NI-TestStand、他社製ツールなど、さまざまなテスト/測定ソフトウェアとの互換性があります。グラフィカルユーザインタフェース (GUI) により、開発、デバッグ、およびエンタープライズITインフラストラクチャとの統合が簡素化されます。 

長期保守チャンネル (LTSC) バージョンは、安定性、セキュリティ、および長いライフサイクルが不可欠なエンタープライズおよびミッションクリティカルな環境向けに設計されたWindowsの特殊版です。IoT Enterprise LTSCライフサイクルのサポート期間は10年です。NI PXIコントローラには、Windows 10 LTSCまたはWindows 11 LTSCが付属しています。

Windows 11の詳細。

NI Linux Real-Time

NI Linux Real-Timeは、確定的で低レイテンシのパフォーマンスを必要とするアプリケーション向けに設計されています。リアルタイムカーネルは予測可能な応答時間を保証し、ヘッドレス (GUIなし) 操作は組込および工業環境の信頼性を高めます。NI Linux Real-Timeは、予期しない更新やバックグラウンドプロセスによるテスト実行の中断の影響も受けません。NI Linux Real-Time OSはNI LabVIEW Real‐Timeモジュールに完全対応しています。

NI Linux Real-Time OSには以下が含まれます。

• 最低実行時間の保証
• 最適なパフォーマンスを得るためのプログラムセクションの優先
• 一貫したループタイミング (マイクロ秒精度)

詳しくは以下をご覧ください。

• NI Linuxテクノロジ
• リアルタイムOSとは
• リアルタイムシステムを採用するメリット

OSなし (カスタムインストール)

NI PXIコントローラは、「OSなし」コントローラバリアントによるカスタムOSデプロイメントをサポートしているため、組織は独自のオペレーティングシステムを柔軟にインストールできます。このオプションは、独自の要件、固有のセキュリティポリシー、または特殊な統合ニーズを持つチームに最適です。

このアプローチでは、最大限のカスタマイズが可能ですが、OSのデプロイメントとドライバの統合には高度な専門知識が必要です。たとえば、NIハードウェアドライバは一部のLinuxディストリビューションでのみ使用可能です。PXIモジュールを確実に機能させるには、RHEL、Ubuntu、またはOpenSUSEなどのサポートされているディストリビューションを使用することをお勧めします。

また、NIハードウェアおよびソフトウェアのオペレーティングシステムの互換性を表示するオンラインのNI-OS Compatibility Checkerを使用することもできます。選択したハードウェア/ドライバ/ソフトウェアの組み合わせが、目的のオペレーティングシステムでサポートされているかどうかを確認することができます。

NI Platform on Linux Desktopの詳細。

5.I/Oおよび接続オプション

PXI組込コントローラは、PXI Expressバックプレーンを介した高速通信を提供するだけでなく、外部システムへのインタフェースとしても機能します。 I/O帯域幅とは、Thunderbolt、USB、イーサネット、DisplayPort™、NVMeストレージなどのポートを介したコントローラと外部デバイス間のデータ転送レートを指します。これらの接続により、データロギング、リモート制御、視覚化、外部計測器との統合が可能になります。

I/O帯域幅は、高速の外部データ転送を必要とするデータ集約型ワークフローや分散テストシステムにとって非常に重要になります。たとえば、以下の例が挙げられます。

• ThunderboltまたはNVMeを使用した大容量データセットの外部ストレージへのストリーミング
• イーサネットを介したリモート監視または制御
• 視覚化のための複数の高解像度ディスプレイの接続

アプリケーションがPXI Expressシャーシ内でデータを処理する場合、I/O帯域幅の重要性は低くなります。オプションの機能となります。ただし、外部接続に依存するシステムでは、パフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。

NI PXI組込コントローラの一般的なI/Oインタフェース

• イーサネット (RJ-45)―ネットワーク接続、リモート制御、データ転送
• USB (2.0/3.0/3.2)―周辺機器の接続 (キーボード、ドライブ、計測器)
• Thunderbolt 4―高速外部デバイス接続
• DisplayPort―GUIおよびデバッグ用のモニタ接続
• シリアル (RS-232/RS-485)―レガシー計測器および工業用デバイス制御
• GPIB―レガシー計測器制御 (一部のモデルではオプション)
• トリガポート―PXIトリガのバックプレーントリガバスとの接続
• 取り外し可能なストレージ (U.2 NVMe SSD)―ストレージ容量の拡張またはアップグレード
• リセットボタンとLED―システムリセットと状態表示器

図6. 取り外し可能なハードドライブを搭載したPXIe-8862の詳細図

6.  PXIシャーシの互換性

PXI組込コントローラは、PXIシャーシ内に収納されています。PXIシャーシは単なる機械的フレームではありません。組込コントローラおよびPXIモジュールで使用可能なバックプレーンアーキテクチャ、電力供給、冷却能力、およびデータ帯域幅を定義します。適切なシャーシを選択することで、テストシステムのパフォーマンス、互換性、および拡張性を最適に保つことができます。

PXIコントローラ選択の影響を理解する

すべてのNIコントローラは、機械的および電気的にあらゆるPXIシャーシと互換性があるため、設定に関係なく機能します。ただし、互換性は最適なパフォーマンスを保証するものではありません。最高のスループットと安定性を得るには、コントローラの帯域幅と所要電力に一致するシャーシを選択する必要があります。

• パフォーマンスへの影響―低帯域幅シャーシに高速コントローラを取り付けると、システムPCI Express帯域幅が無駄になります。たとえば、NI PXIe-8862コントローラ (PCI Express Gen 3) をNI PXIe-1071シャーシ (PCI Express Gen 1) で使用する場合、シャーシ内のモジュールはGen 3の最大速度を使用できません。 
• システム不安定―電力または冷却が不十分だと、過熱やシャットダウンの原因になります。これは、82 W冷却シャーシを必要とするNI PXIe-8881コントローラにのみ適用されます。PXI組込コントローラを動作させるには、システムスロットが必要です。これらのシャーシにはシステムスロットがないため、MXIeまたはThunderbolt内蔵シャーシ (NI PXIe-1083またはNI PXIe-1090など) では使用できません。

組込コントローラフォームファクタ

PXI組込コントローラの物理的フォームファクタは、PXIシャーシとの互換性を決定します。ほとんどのPXIシャーシには4スロットのシステムコントローラスペースがありますが、一部の他社製シャーシには1つのシステムスロットのみが装備されています。シングルスロットコントローラは4スロットシャーシで動作できますが、使用可能なスペースを十分に活用できません。逆に、4スロットコントローラは、1つのシステムスロット用に設計されたシャーシには装着できません。

つまり、シャーシとコントローラの選択は、データ移動とシステム全体のスループットに直接影響します。PXIシステムのパフォーマンスを最適化するためのガイダンスについては、このホワイトペーパーでデータの移動とスループットを最大化する方法を参照してください。

詳しくは以下をご覧ください。

• NIシャーシ設計
• コントローラとシャーシの互換性の確認
• 完全なシステム互換性の検証

7.  信頼性

PXI組込コントローラは、制御されたラボから製造現場、フィールドテストのセットアップまで、さまざまな環境でのミッションクリティカルな連続操作のために設計されています。信頼性は、環境許容範囲と温度管理によって実現されます。

環境許容範囲

• 動作温度:
  • 0℃～55℃ (コントローラ用)。
  • PXIe-8881システムは、CPUのパフォーマンス制限により、全負荷で動作温度が40℃に低下します。
• デューティサイクル:
  • コントローラ―最大CPU使用率100%、1日0.3 SSD書き込み (24時間365日)。
  • 標準HDD―20%デューティサイクル (8時間/日、5日/週) (PCなど)。

温度管理

• 高性能CPUと高密度実装のPXIシステムは大量の熱を発生し、管理を誤ると安定性を損なう可能性があります。
• ベストプラクティスには、高電力コントローラを高性能シャーシとペアにして最適な冷却を行うことが含まれます。 
  例: NI PXIe-8881コントローラ (8コアCPU) を搭載したNI PXIe-1095シャーシ (82 W/スロット冷却) は、計算負荷の高いマルチスロットシステムの排熱ヘッドルームを確保します。

8.セキュリティニーズ

テストシステムの接続性が向上し、エンタープライズネットワークへの統合が進むと、データの保護とシステムの整合性の維持が不可欠になります。 コントローラを含むすべてのNI製品に堅牢なセキュリティプロトコルを実装しています。プラットフォームレベルのセキュリティの詳細については、「PXI製品セキュリティ」を参照してください。

さらに、主要なプロセッサ製造元と協力して、最新のNIコントローラがTPM 2.0などの高度なハードウェアベースのセキュリティを備えていることを確認します。 Trusted Platform Module (TPM) は、暗号キーを安全に格納し、セキュアブートを有効にし、ファームウェアの整合性を検証し、ディスク暗号化をサポートし、認証を促進する専用チップです。TPM 2.0は、ほとんどのNI組込コントローラで標準となり、セキュリティが強化され、セキュアブートやデバイス暗号化などのWindows 11機能を含む最新のサイバーセキュリティフレームワークとの互換性があります。

詳しくは以下をご覧ください。

• Windows 11のセキュリティとテストアプリケーションの利点
• TPMに関するよくある質問

中国版TPM 2.0

NIコントローラは、標準版TPM 2.0と中国版TPM 2.0の両方のオプションから選択できます。中国版TPM 2.0は、中国政府の規制に準拠しており、国際標準 (RSA、SHA、AES) の代わりにローカル暗号アルゴリズム (SM2、SM3、SM4) を使用します。 中国で展開する製品は、地域のセキュリティ基準を満たすために中国版TPM 2.0が必要です。システムが中国で使用される場合は、中国版TPMオプションを選択します。 ここで、特定のコントローラのTPMサポートを確認してください。 

さらに、一部のNI PXI組込コントローラには、機密環境における安全なデータ処理のための取り外し可能なドライブオプションがあります。詳細については、『PXIe-8822/42/62 スタートアップガイド』を参照してください。

アプリケーション要件を評価し、処理能力、システム帯域幅、セキュリティなどの要素を考慮することで、コントローラを選択する際に十分な情報に基づいた確実な判断を下すことができます。

以下の3つのテストシナリオは、特定のアプリケーション要件が計測器、シャーシ、コントローラの選択をどのように促進するかを示し、コスト効率に優れた最適化されたPXIシステムを構築するための実用的な洞察を提供します。

テストシナリオ1:家電製品の基本的な自動検証

スマートホームデバイス、ウェアラブルデバイス、ハンドヘルドガジェットなどの家電製品を検証するコスト効率の高い自動テストシステムを構築しているお客様。

主な要件

• 低データスループット―デジタルI/O、センサ測定、および基本的なアナログ集録で最大100 MB/s。 
• 信頼性の高いパフォーマンス―テストスクリプトの実行、結果のロギング、基本的な解析を遅延なく実行できます。 
• Windows OSの互換性―LabVIEW、TestStand、Pythonベースのツールと確実に統合できます。 
• 拡張性のある計測器―I/O、電力、および測定用に複数のPXIモジュールをサポートします。 
• 予算に優しい―セットアップの複雑さを最小限に抑えながら、低い総所有コストを優先します。

計測器の選択

システムには以下のモジュールが含まれています。

• NI PXIe-6509:デバイス制御およびステータス監視用の96チャンネルデジタルI/O。
• NI PXIe-4300:センサ検証用の8チャンネルアナログ入力。
• NI PXIe-4112:検査対象デバイス (DUT) に電力を供給するプログラマブル電源。
• NI PXIe-2527:信号経路設定およびスイッチング用のマルチプレクサ。

これらの計測器には中程度の帯域幅が必要で、同期トリガとタイミングの恩恵を受けます。

シャーシの選択

NI PXIe-1088シャーシ

• PXI Expressスロット数: 9
• システム帯域幅: 最大8 GB/s
• コンパクトで手頃な価格、ベンチトップまたはラックマウント型のセットアップに最適。

このシャーシは選択されたすべての計測器をサポートし、アプリケーションに十分な帯域幅を提供します。

コントローラの推奨事項

NI PXIe-8822組込コントローラ

^{表4. NI PXIe-8822組込コントローラ仕様}

このシナリオでPXIe-8822が適切に動作する理由

• バランスのとれたパフォーマンス―ハイエンド仕様に過剰な投資をすることなく、汎用検証タスクに最適です。
• 優れた拡張性―デジタルI/O、アナログ入力、または電力測定用の追加のPXIモジュールをサポートします。
• コンパクトで信頼性が高い―低消費電力とソリッドステートストレージにより、ラボ環境や本番環境に適しています。

テストシナリオ2:セーフティクリティカルスマートデバイスの大容量機能テスト

スマート火災/ガス検知システムの製造元は、年間数百万台のセーフティクリティカルデバイスを検証し、製造するために、標準化された自動テストプラットフォームを必要としています。システムは、品質を損なわず、複雑な機能を処理し、大量生産のために効率的に拡張する必要があります。

主な要件

• 高テストカバレッジ―センサ、ワイヤレスプロトコル、組込ソフトウェア、およびユーザインタフェースの機能検証。
• 自動化―数百のテストを一晩で実行して検証を迅速化し、手作業を削減します。
• データの整合性―正確な測定とトレーサビリティにより、規制コンプライアンスと長い製品ライフサイクル (10年以上) を実現します。
• 拡張性―並列DUTテストをサポートし、テストステーションのレプリケーションを容易にして容量を増やすことができます。
• 標準化―検証と製造で共通のハードウェア/ソフトウェアアーキテクチャにより、サイクル時間とメンテナンスのオーバーヘッドを削減します。

計測器の選択

• NI PXIe-4300―センサキャリブレーションおよび環境測定用のアナログ入力。
• NI PXIe-6571―組込インタフェースの機能テスト用のデジタルパターン計測器。
• NI PXIe-4112―DUT電源シーケンス用のプログラマブル電源。
• NI PXIe-2532B―信号経路設定およびスイッチング用のマトリクススイッチ。

シャーシの選択

NI PXIe-1095シャーシ

• 高密度構成用の18 PXI Expressスロット。
• 最大24 GB/sのシステム帯域幅 (並列DUTテスト用)。
• 長時間の高負荷動作のための高度な82 W冷却。

コントローラの推奨事項

NI PXIe-8862組込コントローラ

^{表5. NI PXIe-8862組込コントローラ仕様}

このシナリオでPXIe-8862が適切に動作する理由

• バランスのとれたパフォーマンス―Xeonクラスの仕様に過剰な投資をすることなく、大量の機能テストと自動化に対応できます。
• コスト効率―PXIe-8881よりも低コストでありながら、複数スロットの高密度セットアップをサポートします。
• 拡張性―並列DUTテスト用にPXIe-1095シャーシとシームレスに動作します。
• 信頼性―ソリッドステートストレージと堅牢な設計により、セーフティクリティカルなデバイスのアップタイムを確保します。

テストシナリオ3:ワイヤレスシステム用の高帯域幅RF検証

5Gワイヤレスモジュール、RFフロントエンドデバイス、および高速トランシーバを検証する自動テストシステムを開発しているお客様。システムは、リアルタイム信号解析および記録/再生のために、大きなデータストリームを処理する必要があります。

主な要件

• 高データスループット―RF記録/再生および複数チャンネル信号集録用に最大4 GHzの即時帯域幅でストリーミングを維持します。
• Windows OSとの互換性―LabVIEW、TestStand、およびNI RFmx 測定パーソナリティおよびAPIとのシームレスな統合。
• スケーラブルアーキテクチャ―複数のRF計測器をサポートし、マルチシャーシ構成に拡張します。
• 堅牢な温度管理―高性能CPUおよび高密度RFモジュールには高度な冷却機能が必要です。

計測器の選択

• NI PXIe-5842―最大54 GHzまでのRF信号生成および解析用のベクトル信号トランシーバ (VST)。
• NI PXIe-5668―広帯域測定用の高性能RF信号アナライザ。
• NI PXIe-7903―リアルタイム信号処理およびデータストリーミング用のFPGAコプロセッサモジュール。
• NI PXIe-6674T―位相コヒーレント測定用のタイミングおよび同期モジュール。

これらの計測器は、高いPCI Express帯域幅を必要とし、確定的トリガの恩恵を受けます。

シャーシの選択

NI PXIe-1095シャーシ

• PXI Expressスロット数: 18
• スロットあたりの冷却能力: 最大82 W
• マルチシャーシの拡張性を実現する24 GB/sのシステム帯域幅
• 最大スループットと熱ヘッドルームを必要とするRFおよびFPGA集約型アプリケーションに最適です。

コントローラの推奨事項

NI PXIe-8881組込コントローラ

^{表6. NI PXIe-8881組込コントローラ仕様}

このシナリオでPXIe-8881が適切に動作する理由

• 極端帯域幅―複数チャンネルRFストリーミングおよびFPGAデータ移動をボトルネックなく処理します。
• 演算処理能力―8コアIntel Xeon CPUは、リアルタイム解析と複雑な信号処理をサポートします。
• 熱信頼性―PXIe-1095シャーシの高電力RFモジュール用に設計されています。
• 拡張性―大規模RFテストシステム用のマルチシャーシ構成をサポートします。

適切なNI PXIコントローラの選択は、処理速度、帯域幅、メモリなど、アプリケーション要件によって異なります。以下の一般的なガイダンスを出発点として、NI System Advisorでシステムを構成することができます。 モデルと製品番号を比較するには、NI PXIコントローラのパンフレットを参照してください。

^{表7. アプリケーション別の推奨NI PXIコントローラ}

• 今すぐPXIシステムを構築する
• NI PXI組込コントローラ設計のメリットを確認する
• テストシステム構築の基礎を学ぶ

^{Windowsは、Microsoft Corporationの米国およびその他の国における登録商標です。}

^{登録商標Linux®は、全世界における商標保持者Linus Torvalds氏から排他的ライセンスを受けているLMI (Linux Mark Institute) からの許諾により使用しています。}

^{ThunderboltおよびThunderboltのロゴは、米国および/またはその他の国におけるIntel Corporationとその子会社の登録商標です。}