NI PXI设计优势

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概览

National Instruments公司针对不同的测量与自动化应用提供了多种功能强大的PXI Express和PXI机箱。(见表1) NI机箱具有高性能背板和牢固而可靠的机械封装。 无论是便携式系统、台式系统、机架式系统、嵌入式系统还是集成信号调理的系统,您都能找到合适自身应用的NI机箱。 NI PXI Express机箱兼容PXI Express和CompactPCI Express模块。 此外,所有NI机箱均可与PXI和CompactPCI模块一起使用。 本文介绍了NI产品的设计特性,它们可以用来提高散热、防噪声性能,提升供电可靠性。

散热

NI的机箱在设计和验证上能够满足甚至超越大多数PXI模块对于散热的高要求。 PXI规范要求每个外围插槽最少需要25W的电源供给,并且每个插槽会散发同样的热量。 而NI PXI Express的标准功率比PXI提高了近20%,规定机箱必须提供功率至少30W的电源且散发相应的热量。

NI设计的机箱提供30W及38.25W功率电源,足以满足PXI及PXI Express的要求,每插槽均独立散热。额外的电源和散热性能提升了诸如数字化仪,高速数字I/O和RF等高性能模块的功能实现连续数据采集或高速测试应用的能力。

图1. 具有专利的NI PXIe-1062Q的背板散热风扇设计

如图1所示,许多NI PXI机箱背板装有具有专利设计的散热风扇,机箱(2)后部的气流通过导向叶片均匀流过所有模块槽 (1)。 相比直接在每个模块下安装风扇,该专利设计提高了散热能力,并减少了气流流通的盲点。 此外,机箱背板的风扇还能消除由风扇马达造成的噪声。

NI还提供插槽屏蔽卡------一种塑料的模块化PXI填充卡,可插在机箱内不用的插槽中,通过减少气流在空槽的流动来提高气流在有板卡插槽中的流动。用屏蔽卡后,安装模块上的电子器件温度可降低20%。

表1显示了NI PXI机箱相比另一个重要生产商的产品在散热性能上所体现的设计优势。  这是通过测量插入机箱的PXI模块上组​​件的平均温度来进行评估的。  NI PXIe-1075机箱在自动风扇速度设定情况下性能相近,但在最高散热性能情况下能够提供更佳的散热性能。

 

表1. NI PXI机箱及另一个主要厂商提供的产品的冷却性能比较。

NI PXI Express机箱为每个插槽提供38.25W的散热功率。 需要注意的是,这点对装满需要38.25W功耗模块的机箱依然有效。  而其它生产厂商提供的机箱没有达到这一标准。 虽然这些生产商声称他们产品的电源和散热能力超过38.25W,但这是不针对每个插槽的,并且通常需要机箱符合一些受限的或难以实现的标准。

综上,如表2所示,因为每个散热插槽都拥有38.25W的散热能力,NI PXI Express机箱的散热性能优于其他生产商所声称的高于38.25W的散热能力。  因此,可以得出结论:一个NI PXI Express机箱通过配置可以实现超过38.25W的散热性能。

噪声

NI PXI机箱设计除了先进的散热性能之外,也非常注重降低整个系统产生的噪音。 PXI系统能够适用于对噪声要求不同的机架式自动化测试环境及台式验证环境,是非常重要的一点特性。  可以通过控制风扇速度、选用合适风扇类型及风扇的安装方式,以实现机箱散热的最优化,同时也降低机箱噪声。

许多NI PXI 机箱都具有风扇速度选择开关,允许用户选择风扇速度是高速或是自动。 当风扇速度设置为自动时,机箱风扇速度根据环境温度自动控制。系统环境温度为机箱风扇的入口温度。 当温度低于30 °C时,机箱处于“噪声性能区域”,此时的噪声最小。 当环境温度超过30 °C,机箱将相应提高风扇转速。  当风扇速度设置为高速时,机箱将无视环境温度,总是提供最大气流。 该模式适用于不关注噪声的应用,用户希望系统PXI模块总处于较低的工作温度,以此提高模块长期使用寿命。

 

表3. 不同PXI Express机箱的声压级比较

NI在许多NI机箱中采用脉宽调制(PWM)风扇,与传统的电压控制风扇比较进一步降低了噪声。 通过PWM信号控制风扇,能在较大范围内控制风扇转速,从而可在设计时对机箱噪声及散热性能进行微调。

为了满足PXI规范的散热要求,NI机箱必须选用散热强劲的风扇。 多数NI机箱的风扇支架采用了减震材料,将风扇的机械振动与机箱结构隔离,进一步降低噪声。 在许多NI PXI机箱中,这些结构和风扇都放置在机箱后部,来降低传播到PXI模块的电子噪声(EMI)。

NI PXI机箱设计具有先进的散热性能,同时使整个系统的噪声产生最小化。如表3所示,将NI PXIe-1075规范和生产商A产品比较, 可以看到12 dBA的差异。 值得注意的是10分贝相当于可感知噪声差异的两倍。 这一功能加上散热设计的优势,表明了相比生产商A提供的类似的机箱,NI PXIe-1075的每个插槽能够提供更多散热功能, 同时释放更少的噪音。

电源

美国国家仪器公司为其8槽及多槽PXI及PXI Express机箱设计了具有专利的仪器级电源。 这意味着NI保障了电源的长期可用性,不必担心由电源制造商不同所造成的机箱设计变动。 相反的,依赖于单一标准PC电源供应商的PXI厂商在电源质量上没有太多的控制力。

相比在个人电脑中通常使用的ATX电源,NI采用的仪器级电源针对PXI特殊的电源需求进行了优化。  NI机箱电源为自定义设计,能够满足甚至超越PXI的最低电源需求。 利用这样的电源, NI PXI Express机箱能够将38.25W的电源传输至机箱中的所有模块。

 

表4. NI PXI Express机箱允许通过的最小电流超过了PXI规范

NI在其产品文档中列出了机箱电源可提供给模块的总电源功率。  与此相反,许多其他的生产商只列出了电源输出量。  从电源总电能中减去例如风扇和背板等机箱组件所消耗的电能,可得出用于控制器和模块的具体剩余电量。  NI PXI指导手册中清楚地列明了每个电压线路上的电流以及每个插槽上的最大功耗。

根据PXI系统联盟的定义的PXI平台规范,要求PXI Express机箱在3.3 V和+12 V背板线路上为系统控制器和模块插槽提供650 W的电源。   值得一提的是,比较来自不同生产商的PXI机箱时,必须使用“供电背板”(或类似)规范,而并不仅仅是总电源或每插槽电源。  NI可以做到实事求是,坚持定义其电源规格,无论是总电源、背板电源,还是每插槽电源。  其他生产商往往会在电源规格上误导消费者,它们的产品不能在典型的安装/操作环境下使用。

由于基于PXI系统新应用的出现,要求PXI机箱能够在较高的环境温度下运行(高达55 °C)。 NI的PXI机箱能够满足在最低电源需求下满足这一要求。 低额功率是指在高温或其它极端状态下机箱槽电源供应不足的现象。  许多其它供应商的PXI机箱在较小的温度范围内(20-35 °C)能够满足PXI规范的电源供应,但在高温环境下(>40 °C)会变得不稳定甚至不能工作。

图2. NI PXI 可在整个规范操作温度范围内为背板提供电源。

NI仪器级电源在整个规范操作温度范围内满足最低电源需求,一般在0-50 °C或55 °C范围内不会出现低额功率现象。 而且,您可以在最高温度允许范围内实现机箱的满负荷工作。(特定NI PXI机箱的操作温度范围参见产品手册)。

机箱风扇产生的电子噪声会降低PXI及PXI Express外围设备的测量精度。 为此,除了机箱背面的散热风扇之外,NI在大多数机箱中集成了专用的12V电源,用于对机箱风扇、系统控制器插槽进行供电,特定情况下也对电源风扇单独供电,避免这些组件发出的耦合噪声进入供电测量模块的线路。

多数NI机箱具有远程测量背板电源线路输出电压的功能,用于补偿输出线路的压降。 该设计特性对于PXI及PXI Express机箱在大功率模块的应用非常重要。因为在背板载荷变化较大的情况下,它能够提供更好的校正。


针对要求高可用性的系统,NI为大多数8槽及多槽机箱设计了可方便替换的电源及风扇梭,以防止供电中断。 您只需简单地卸下安装位置的螺钉,拉起风扇梭后端把手,取出风扇梭后便可插入新配件。 这种设计使得电源平均维修时间(MTTR)小于5分钟。 由于机箱后端可轻松够到,您无需将机箱从固定机架中取出即可换装电源及风扇梭,也因此无需移除模块或对模块重新布线。

同步质量

PXI系统的一个主要优势就是集成的定时和同步功能。  PXI机箱包含专用的10 MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽对槽本地总线,而PXI Express机箱增加了一个100 MHz差分系统时钟、差分信号和差分星形触发,来满足高级定时和同步的需要。

图3. 定时和同步功能是PXI Express的主要优势。

背板系统参考时钟所具备的相位噪声和稳定性是PXI机箱的重要参数,它决定了系统中模块同步的可靠性。  搭配NI PXI的组件可选和背板的设计,NI PXIe-1075 18槽机箱上PXI Express 100 MHz差分系统时钟的相位噪声性能要比其他生产商同级的机箱好上将近1000倍(30分贝)。

你可以利用锁相环(PLL)将10 MHz和100 MHz系统参考时钟与可靠性更高的时钟源进行锁相。  这有助于高采样率的PXI模块,在多台仪器上更好地匹配样本。 当锁定外部参考时,NI PXI机箱的PLL电路的设计可以抑制更多的噪音,从而获得更清洁、更稳定的时钟源传输。  而使用其他生产商的机箱,必须根据不同应用所要求的系统时钟源相位噪声的指标,分别将外部参考时钟锁相到每个模块,而不是在系统层面上相位锁定到机箱背板,这样就增加了系统复杂性和花销。

图4. PXI Express参考时钟性能比较

其他NI PXI 设计优势

欲知更多有关NI PXI平台的设计优势的详细信息,请查看本系列的其他部分: 

NI PXI 机箱与控制器设计优势

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