PXI 플랫폼 개요

PXI 섀시는 PXI 시스템의 중추이며 데스크탑 PC의 기계식 케이스 및 마더 보드에 비교할 수 있습니다. PXI 섀시는 시스템에 전원, 냉각 및 통신 버스를 제공하고 동일한 케이스 내에서 여러 계측 모듈을 지원합니다. PXI는 상용 PC 기반 PCI 및 PCI Express 버스 기술을 사용하면서 견고한 CompactPCI 모듈형 패키징과 주요 타이밍 및 동기화 기능을 결합합니다. 섀시의 크기는 휴대용, 벤치탑, 랙 마운트 또는 임베디드 시스템 등 모든 어플리케이션의 요구에 맞게 4~18개의 슬롯으로 구성됩니다.

^{그림 3: NI PXI 섀시의 크기는 슬롯 4개에서 18개까지 다양합니다.}

PCI 및 PCI 익스프레스 통신

PCI 버스는 이론적으로 최대 132MB/s의 공유 대역폭을 가진 병렬 버스로 1990년대 중반부터 주류 컴퓨터 버스로 사용되기 시작했습니다. PCI Express는 PCI 표준의 개선을 위해 2003년에 도입되었습니다. 새로운 표준은 PCI에 사용된 공유 버스를 공유 스위치로 대체하여 각 디바이스에 버스에 대한 직접 액세스를 제공합니다.

버스의 모든 디바이스 간에 대역폭을 나누는 PCI와 달리 PCI Express는 각 디바이스에 전용 데이터 파이프 라인을 제공합니다. PCI Express 1.0은 레인이라고 하는 송수신 신호쌍을 통해 패킷으로 데이터를 직렬 전송하여 의 각 레인의 방향당 250MB/s의 이론적 대역폭을 지원합니다. PCI Express가 도입된 이후로 표준은 계속해서 빠른 데이터 속도를 허용하면서 이전 버전과의 호환성을 유지하도록 발전해 왔습니다. PCI Express 2.0은 레인당 이론적 대역폭을 방향당 500MB/s로 두 배로 늘리고 PCI Express 3.0은 레인당 방향당 대역폭을 1GB/s로, 다시 두 배로 늘립니다. 여러 레인을 x2(두 배), x4, x8, x12 및 x16 레인 폭으로 그룹화하여 대역폭 기능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

^{그림 4: PCI Express는 테스트 및 측정 어플리케이션에 이상적인 데이터 처리량이 크고 통신 지연 시간이 낮은 버스를 제공합니다.}

마찬가지로, PXI Express 표준은 PCI Express 버스를 포함하도록 PXI 표준에서 발전했습니다. 이렇게 증가된 대역폭을 통해 PXI Express는 디스크를 이용한 고속 디지타이저 데이터 스트리밍, 고속 디지털 프로토콜 분석 및 구조 및 음향 테스트를 위한 다채널 DAQ 시스템과 같은 더 많은 어플리케이션 요구를 충족시킬 수 있습니다.

PXI Express 백플레인은 PCI Express를 통합하면서도 PXI 모듈과의 호환성을 유지하기 때문에 사용자는 레거시 PXI 시스템과의 호환성을 유지하면서 대역폭을 늘릴 수 있습니다. PXI Express에는 PCI 및 PCI Express 신호를 모두 전달하는 PXI Express 하이브리드 슬롯이 있습니다. 시스템 슬롯 컨트롤러를 백플레인의 하이브리드 슬롯에 연결하는 PCI Express 라인을 통해, PXI Express는 컨트롤러에서 백플레인 슬롯으로 고대역폭 경로를 제공합니다. PCI Express와 PCI 간 브리지를 사용하여, PXI Express는 백플레인의 하이브리드 호환 PXI 모듈과의 호환성을 위해 모든 PXI 및 PXI Express 슬롯에 PCI 신호를 제공합니다. 그렇게 함으로써,이 PXI Express 하이브리드 슬롯은 단일 슬롯으로 PCI 및 PCI Express 신호를 모두 지원하지 못하는 데스크탑 PC 카드의 커넥터에는 없는 이전 버전과의 호환성을 제공합니다.

타이밍 및 동기화

PXI 시스템의 주요 장점 중 하나는 통합된 타이밍 및 동기화입니다. PXI 섀시는 고급 타이밍 및 동기화 요구사항을 만족시키기 위해 전용 10MHz 시스템 참조 클럭, PXI 트리거 버스, 스타 트리거 버스 및 슬롯 간 로컬 버스를 제공합니다. 이 타이밍 신호는 통신 아키텍처에 추가된 전용 신호입니다. 섀시 내 10MHz 클럭은 반출되거나 안정성이 더 높은 참조 클럭으로 교체될 수 있습니다. 이를 통해 여러 섀시를 비롯하여 10MHz 참조 클럭을 수용할 수 있는 다른 계측기 간에 10MHz 참조 클럭을 공유할 수 있습니다. 이 10MHz 참조 클럭을 공유함으로써, 더 높은 샘플 속도 클럭은 안정적인 참조 클럭에 대해 PLL(위상 고정 루프)을 적용하여 여러 PXI 계측기의 샘플 정렬을 개선합니다. 참조 클럭 외에도 PXI는 트리거 버스로 8개의 TTL (트랜지스터-트랜지스터 로직) 라인을 제공합니다. 이를 통해 시스템의 모든 모듈은 다른 모듈에서 볼 수 있는 트리거를 설정할 수 있습니다. 마지막으로, 로컬 버스는 인접 모듈 간 전용 통신을 설정하는 수단을 제공합니다. 

PXI 기능을 기반으로, PXI Express는 100MHz 차동 시스템 클럭, 차동 신호 및 차동 스타 트리거도 제공합니다. 차동 클럭킹 및 동기화를 사용하여, PXI Express 시스템은 계측 클럭에 대한 노이즈 내성 향상과 고주파수 전송 기능을 장점으로 갖습니다. PXI Express 섀시는 모든 표준 PXI 타이밍 및 동기화 신호에 추가적으로 이러한 고급 타이밍 및 동기화 기능을 제공합니다.

^{그림 5: PXI 및 PXI Express 섀시의 타이밍 및 동기화 기능은 동급 최고의 계측 및 I/O 모듈 통합 기능을 제공합니다.}

PXI와 PXI Express를 동기화하는 신호 기반 방법 외에도 이 시스템은 절대 시간을 사용하는 동기화 방법을 활용할 수 있습니다. GPS, IEEE 1588 또는 IRIG를 포함한 다양한 소스에 타이밍 모듈을 추가하면 절대 시간을 제공할 수 있습니다. 이 프로토콜은 시간 정보를 패킷으로 전송하여 시스템이 시간을 조정할 수 있도록 합니다. 물리적인 클럭이나 트리거를 공유하지 않고 멀리 떨어지게 배치된 PXI 시스템도 있습니다. 대신 그러한 시스템은 GPS와 같은 소스를 사용하여 측정을 동기화합니다.

전원 및 냉각

PXI 섀시에 들어가는 I/O 및 계측 모듈은 필요한 전력량에 따라 다양합니다. NI PXI Express 섀시는 모든 주변 슬롯에 38.25W 이상의 전력 및 냉각을 제공합니다. 일부 섀시는 슬롯 냉각 용량을 더욱 높여 단일 슬롯에 58W 또는 82W의 냉각을 제공할 수 있습니다. 이러한 추가 전력 및 냉각 기능은 연속 수집이나 고속 테스트가 필요한 어플리케이션에서 디지타이저, 고속 디지털 I/O 및 RF 모듈과 같은 고성능 모듈의 고급 기능을 가능하게 합니다. 섀시의 총전력은 다양하므로 항상 새로운 시스템을 구성할 때 시스템 수준의 전력 예산을 수립하는 것이 가장 좋습니다.

^{그림 6: PXIe-1085 24 GB/s 섀시에는 현장 교체가 가능한 고성능 팬이 포함되어 있습니다.}

PXI 하드웨어 스펙에서 정의된 바에 의하면, 모든 PXI 섀시의 시스템 컨트롤러 슬롯(슬롯 1)은 가장 왼쪽 슬롯에 있습니다. 컨트롤러 옵션에는 데스크탑, 워크스테이션, 서버, 노트북에서 PXI 시스템 컨트롤을 허용하는 원격 컨트롤러와 Microsoft OS (Windows 7/10) 또는 리얼타임 OS(LabVIEW Real-Time)를 지원하는 고성능 임베디드 컨트롤러가 있습니다.

PXI 임베디드 컨트롤러

PXI 임베디드 컨트롤러는 외부 PC가 필요 없으며 PXI 또는 PXI Express 측정 시스템을 위한 고성능의 소형 섀시 임베디드 컴퓨터 솔루션을 제공합니다. 이 임베디드 컨트롤러는 향상된 온도, 충격 및 진동 사양을 가지며 최신 통합 CPU, 하드 드라이브, 메모리, 이더넷, 비디오, 시리얼, USB 및 기타 주변 장치와 같은 광범위한 기능을 포함합니다. 컨트롤러의 프런트패널에 이러한 주변 장치를 제공함으로써 유사한 기능을 얻기 위해 개별 PXI 또는 PXI Express 카드를 구입할 필요가 없기 때문에 전체 시스템 비용이 최소화됩니다. 컨트롤러는 LabVIEW Real-Time 또는 Microsoft Windows 및 모든 디바이스 드라이버가 사전 설치된 상태로 사전 설정되어 제공됩니다. NI의 임베디드 컨트롤러는 또한 수명 주기가 관리되며 벤더 지원을 제공되므로 테스트 시스템 수명과 PXI 에코 시스템과의 호환성이 보장됩니다.

PXI 임베디드 컨트롤러는 일반적으로 소형 PXI 케이스에 표준 PC 부품을 사용하여 구축됩니다. 또한 NI R&D가 수행한 성능 벤치마킹을 통해 컨트롤러는 테스트 및 측정 어플리케이션에 최적화되어 개발되므로 코드와 알고리즘이 더 빠르게 실행됩니다. 예를 들어, PXIe-8880에는 2.3GHz 8 코어 Intel Xeon E5-2618L v3 프로세서(단일 코어에서 최대 3.4GHz, 터보 부스트 모드), 최대 24GB의 DDR4 RAM, SSD, 2개의 기가비트 이더넷 포트, SMB 트리거를 비롯하여 2개의 USB 3.0 포트, 4개의 USB 2.0 포트, DisplayPort 및 GPIB와 같은 표준 PC 주변 장치가 있습니다.

NI는 새로운 PXI 임베디드 컨트롤러를 출시할 때 Dell이나 HP 같은 주요 컴퓨터 제조업체가 동일한 고성능 임베디드 모바일 프로세서를 갖춘 컴퓨터를 출시한 직후에 컨트롤러를 제공합니다. NI는 15년 넘게 PXI 임베디드 컨트롤러를 출시하는 사업을 해왔기 때문에 Intel 및 AMD (Advanced Micro Devices)와 같은 주요 프로세서 제조업체와 긴밀한 협력 관계를 구축했습니다. 예를 들어, NI는 최신 Intel 제품 로드맵 및 샘플에 대한 액세스를 제공하는 Intel 임베디드 얼라이언스의 준회원입니다.

^{그림 7: 8코어 Intel XeonE5 프로세서가 특징인 PXIe-8880 임베디드 컨트롤러는 고성능, 높은 처리량, 계산 집약적인 테스트 및 측정 어플리케이션에 이상적입니다.}

연산 성능 외에도 I/O 대역폭은 계측 시스템 설계에서 중요한 역할을 합니다. 최신 테스트 및 측정 시스템이 더욱 복잡해짐에 따라 계측기와 시스템 컨트롤러 간에 점점 더 많은 데이터를 교환해야 할 필요성이 증가하고 있습니다. PCI Express 및 PXI Express가 도입되면서 NI 임베디드 컨트롤러는 이러한 요구를 충족시켰으며 이제 최대 24 GB/s의 시스템 대역폭을 PXI Express 섀시 백플레인에 제공합니다.

^{그림 8: NI는 지난 20년 동안 계속 가장 강력한 최신 프로세싱 기술을 PXI 플랫폼에 제공했습니다.}

랙 마운트 컨트롤러

대체 연산 및 컨트롤 옵션을 제공하기 위해 NI는 외부 1U 랙 마운트 컨트롤러를 제공합니다. 이 컨트롤러들은 고속 연산을 위한 고성능 멀티코어 프로세서와 높은 데이터 저장 용량과 고속 디스크 스트리밍을 위한 여러 개의 착탈식 하드 드라이브를 포함합니다. 또한 PXI 또는 PXI Express 섀시와의 인터페이스를 위해 MXI-Express 및 MXI-4 원격 컨트롤러와 함께 사용하도록 설계되었습니다. 이 설정에서 PXI 시스템의 PXI/PXI Express 디바이스는 랙 마운트 컨트롤러에서 로컬 PCI/PCI Express 디바이스로 나타납니다.

^{그림 9: MXI-Express 또는 MXI-4 원격 컨트롤러가 있는 랙 마운트 컨트롤러를 사용하여 PXI 또는 PXI Express 섀시를 제어할 수 있습니다.}

PXI의 PC 컨트롤

PXI 원격 제어 모듈은 MXI-Express 기술을 통해 데스크탑 PC와 같은 호스트 컴퓨터와 PXI 섀시 및 계측기 사이를 간단하고 투명하게 연결합니다. 시작하는 동안 컴퓨터는 PXI 시스템의 모든 주변기기 모듈을 PCI 보드로 인식하므로 컨트롤러를 통해 이러한 디바이스와 추가 상호 작용할 수 있습니다. PC로 PXI를 제어할 때의 구성은 컴퓨터의 PCI/PCI Express 보드와 PXI 시스템의 슬롯 1에 있는 PXI/PXI Express 모듈을 구리나 광섬유 케이블로 연결한 형태로 이루어집니다. 구리 케이블은 더 높은 데이터 처리량을 제공하지만 일반적으로 길이가 짧으며(1~10미터), 광섬유 케이블 중에는 훨씬 더 길이가 긴(최대 100미터) 것도 있지만 데이터 처리량이 낮을 수 있습니다. 대부분의 PC는 PXI 원격 제어 솔루션과 즉시 호환됩니다. 또한 MXI-Express 디바이스와의 호환성은 NI의 MXI-Express BIOS Compatibility 소프트웨어를 통해 더 많은 PC로 확장됩니다.

노트북으로 PXI 제어

같은 방식으로 노트북으로도 NI의 PXIe-8301 원격 제어 모듈을 사용하여 PXI Express 시스템을 제어할 수 있습니다. PXI Express을 노트북으로 제어할 때의 구성은 섀시 중 하나의 슬롯에 있는 PXI Express 모듈과 노트북에 연결된 Thunderbolt 3™ 케이블로 이루어집니다.

^{그림 10: 원격 제어 모듈을 사용하면 하나 이상의 PXI 섀시를 데스크탑으로 제어할 수 있습니다.}

^{그림 11: PXIe-8301 원격 제어 모듈은 휴대성이 뛰어난 어플리케이션에 이상적입니다.}

다중 섀시 설정

다중 섀시 설정을 통해 단일 마스터 컨트롤러로 둘 이상의 PXI 섀시를 관리할 수 있습니다. 다중 섀시는 통합 시스템으로써, 섀시 간 동기화, 계측기 유형 분리를 통한 데이터 처리량 최적화 및 떨어진 섀시의 계측기 간 피어 대 피어 전송과 같은 이점을 활용할 수 있습니다.

다중 섀시 시스템을 구성하는 가장 일반적인 방법은 데이지 체인을 사용하는 것입니다. 데이지 체인 토폴로지는 PC 또는 PXI 임베디드 컨트롤러를 통해 제어되는 마스터 (업스트림) 섀시에 직렬로 연결된 하나 이상의 슬레이브 (다운스트림) 섀시로 구성됩니다. 데이지 체인 토폴로지를 사용하는 경우 호스트 머신에서 각 슬레이브 섀시를 보고 제어할 수 있습니다.

^{그림 12: PXIe-8364 호스트 인터페이스 모듈은 임베디드 컨트롤러가 포함된 마스터 섀시의 주변장치 슬롯에 배치됩니다. PXIe-8364를 슬레이브 섀시의 시스템 컨트롤러 슬롯에 있는 PXIe-8360에 연결하여 추가 섀시가 데이지 체인 방식으로 연결됩니다. 추가 모듈을 사용하여 최대 8개의 섀시를 데이지 체인으로 연결할 수 있습니다.}

위의 솔루션에는 데이지 체인을 위해 주변장치 슬롯에 추가 모듈이 필요하지만 일부 PXI 원격 제어 모듈에는 업스트림 연결용 포트와 다운스트림 연결용 포트 두 개를 포함하는 내장형 데이지 체인 기능이 있습니다.

^{그림 13: PCIe-8375가 탑재된 데스크탑 PC가 PXIe-8375 원격 제어 모듈을 통해 마스터 PXI Express 섀시에 연결됩니다. PXIe-8375에는 데이지 체인을 위한 추가 포트가 있으므로 추가 PXIe-8375 하나만 있으면 됩니다 이 시스템의 마지막 다운스트림 섀시에는 사용되지 않는 포트가 하나 남게 됩니다.}

일부 호스트 인터페이스 카드는 두 개의 다운스트림 포트가 있어서 스타 토폴로지를 구성할 수 있습니다. 스타 토폴로지에서는 두 슬레이브 섀시가 직렬로 연결(데이지 체인)되지 않고 병렬로 연결되므로 각 섀시가 중간 섀시를 통하지 않고 호스트와 직접 통신할 수 있습니다.

^{그림 14: PCIe-8362 호스트 인터페이스 카드는 2개의 MXI-Express 연결을 포함하므로 스타 토폴로지를 사용하여 데스크탑 PC를 통해 2개의 PXI Express 섀시를 제어할 수 있습니다.}

NI는 600개 이상의 PXI 모듈을 판매합니다. PXI는 개방형 업계 표준이기 때문에 70개가 넘는 계측기 공급업체에서 제공하는 1,500개에 달하는 제품을 사용할 수 있습니다. 또한 PXI는 CompactPCI와 직접 호환되므로 PXI 시스템에서 모든 3U CompactPCI 모듈을 사용할 수 있습니다.

PXI는 차지하는 공간이 적어서 흔히 공간 절약 때문에 성능이 떨어질 것이라는 오해를 받습니다.

PXI 플랫폼은 성능을 낮추는 것이 아니라 시스템을 모듈화 하여 공간을 절약한다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 기존의 모든 박스형 기기에는 별도의 프로세싱 회로 시스템, 디스플레이 및 물리적 인터페이스가 필요합니다. PXI 기반 계측 시스템에서는, 이러한 기능을 갖는 구성 요소들이 여러 계측기에 의해 공유됩니다. PXI 임베디드 컨트롤러는 PXI 섀시 내 모든 계측기의 중앙 처리 및 컨트롤 허브 역할을 합니다. 또한 비디오 모니터, 키보드 및 마우스와 같은 외부 주변 장치와의 연결성을 통해 휴먼 인터페이스를 제공합니다.

^{그림 15: NI는 600개 이상의 PXI 모듈을 판매합니다.}

임베디드 컨트롤러에서 실행되는 소프트웨어는 다른 PXI 계측기와 상호 작용하여 테스트 시스템의 실제 기능을 정의합니다. 최신 성능의 임베디드 컨트롤러에 이러한 표준 기능이 구현되어 있어 PXI 모듈은 실제 계측 회로만 포함하면 되므로 작은 공간에서도 효과적인 성능을 얻을 수 있습니다.

Windows 기반 PXI 또는 PXI Express 시스템의 개발과 운영은 표준 Windows 기반 PC에서의 개발 및 운영과 별반 다르지 않습니다. 따라서, PC와 PXI 기반 시스템 간 전환할 때 기존의 어플리케이션 소프트웨어를 재작성하거나 새로운 프로그래밍 기술을 익힐 필요가 없습니다. PXI를 사용하면 LabVIEW에서 테스트용 산업 표준인 직관적인 그래픽 기반 프로그래밍 언어, G를 사용하거나, C로 개발하려면 NI LabWindows™/CVI를 사용하여 개발 시간을 단축하고 계측기를 신속하게 자동화할 수 있습니다. 또한 Visual Studio .NET, Visual Basic, Python, C/C++과 같은 다른 프로그래밍 언어를 사용할 수도 있습니다. 또한, PXI 컨트롤러는 NI TestStand와 같은 테스트 관리 소프트웨어로 개발된 어플리케이션도 실행할 수 있습니다. 테스트 관리 소프트웨어에는 테스트 실행 기능뿐 아니라 시퀀싱, 브랜칭/루핑, 보고서 생성 및 데이터베이스 통합과 같이, 특정 요구 사항을 만족하도록 동작을 사용자 정의할 수 있는 유연성을, 포괄적인 기능을 갖춘 테스트 아키텍처를 통해 제공합니다. PXI 모듈형 계측기와 함께 테스트 관리 소프트웨어는 장기적인 성공을 위해 테스트 개발을 단순화하고 유지 보수를 줄일 수 있는 통합 솔루션을 제공합니다.

Windows 기반 시스템 대신, 리얼타임 소프트웨어 아키텍처를 사용하여 결정성 있는 루프 속도 및 헤드리스 작업(키보드, 마우스 또는 모니터 없는 작업)을 요구하는 시간 결정적 어플리케이션을 구현할 수 있습니다. 리얼타임 OS를 사용하면 가장 결정적인 태스크가 프로세서를 사용하도록 태스크의 우선순위를 정하여 지터를 줄일 수 있습니다. LabVIEW Real-Time 모듈과 LabWindows/CVI Real-Time 모듈과 같은 업계 표준 개발 환경의 리얼타임 버전을 사용하여 리얼타임 시스템 개발을 간소화할 수 있습니다. 다이나믹 또는 HIL (hardware-in-the-loop) PXI 테스트 시스템을 구축하는 엔지니어들은 VeriStand와 같은 리얼타임 테스팅 소프트웨어를 사용하여 개발 시간을 더욱 단축할 수 있습니다.

^{그림 16: TestStand는 사용된 프로그래밍 언어에 관계없이 PXI 시스템의 테스트 코드를 관리합니다.}

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