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NI PXI Chassis Design Advantages

Contents

概述

NI 提供多款高效能的 PXI/PXI Express 機箱,適用於量測與自動化應用 (詳見表 1)。NI 機箱並具備高效能背板,還有堅固且穩定的機械封裝。不論是可攜式、桌上型、嵌入式、機架固定式、內建訊號處理功能的系統,NI 均提供相對應的機箱。NI PXI Express 機箱可相容 PXI Express 與 CompactPCI Express 模組。此外,NI 所有機箱均可搭配使用 PXI 與 CompactPCI。接著將說明 NI 設計的特殊功能,如機箱冷卻效能、雜訊/噪音抑制、電源供應穩定性。

表 1. NI PXI 機箱共有 18 款不同選項。

冷卻功能

NI 機箱均通過設計與檢驗規格,且符合大多數常用 PXI 模組的系統冷卻需求。PXI 規格的各組週邊插槽需最低 25 W 功率,且各組插槽需達到同等熱能的散熱效果。PXI Express 規格則提高約 20% 的功率規格,亦即機箱需提供最低 30 W 功率,亦需達到同等的散熱效果。

針對 PXI 與 PXI Express 的規格需求,NI 機箱卻可對各組插槽分別提供 30 W 與 38.25 W 的功率/散熱效能。此優越的功率與冷卻功能,讓高效能模組更上一層樓,如 RF 模組、示波器、高速數位 I/O (HSDIO),以達連續擷取或高速測試。

圖 1. NI PXIe-1062Q 具備專利的後端冷卻風扇設計。

 

多款 NI PXI 機箱均具備如圖 1 的後端冷卻風扇專利設計,從機箱後端 (2) 的導向葉片進氣,且平均分配至所有模組插槽 (1)。與安裝於模組下方的風扇設計相較,此種設計可提升冷卻效率,並減少氣流停滯。風扇安裝於機箱後方,亦可減少風扇馬達所造成的電子雜訊。

NI 另提供插槽盒,即是將塑膠材質的 PXI 介面卡安裝於尚未使用的插槽中。如此可減少空白插槽的氣流,讓其他模組降低最高 20% 溫度上升率。

表 2 則為冷卻效能的差異,讓 NI PXI 機箱的設計優勢超越其他主要供應商。這些數據是來自於已安裝至機箱 PXI 模組,量測其元件上的平均溫度而得。若切換為「Auto」風扇速度,則 NI PXIe-1075 機箱可達相同的冷卻效能;若切換為「High」將可達到更佳冷卻效能。

表 2. 比較 NI PXI 機箱與其他主要供應商的冷卻效能。

 

NI PXI Express 機箱的各組插槽,可達 38.25 W 冷卻效能。另外強調的是,若機箱插槽滿載 38.25 W 耗功率的模組,仍可達到此規格需求。但其他主要供應商的機箱就不見得可達到此規格。雖然其他供應商號稱可達到優於 38.25 W 的功率與冷卻效果,但亦不擴及各組插槽,且機箱均另外附加相關限制條件。

即如表 Table 2 所示的各組插槽 38.25 W 冷卻效果,其實 NI PXI Express 機箱早已超過供應商所指定的 38.25 W 冷卻效能。這裡可總結:NI PXI Express 機箱的冷卻效能早已超過 38.25 W 表定規格。

聲音/雜訊

雖然 NI PXI 具備進階的冷卻效能,但仍未忽略系統的整體音洩 (Acoustic Emission,AE) 情況。因為 PXI 系統可同時用於桌上型與機架固定的環境,所以對聲音排放的要求亦有所差異。整合風扇速度控制、扇葉類型、風扇安裝等特點,均讓冷卻系統達到最佳功能,又同時降低雜訊/噪音的排放情形。

多款 NI PXI 機箱均可透過風扇速度切換開關,選擇「High」與「Auto」共 2 種風扇速度。若設定為「Auto」,則將由風扇進氣口所測得的周圍空氣溫度,而控制機箱的風扇速度。當測得溫度低於 30 °C 時,機箱冷卻系統將以聲音效能為優先考量,達到最低的 AE 情形。但若周圍溫度高於 30 °C 時,機箱將逐步加快風扇速度。若風扇速度設定為「High」,則不論週邊溫度為何,風扇均將以最高速度轉動,以提供最大氣流量。若完全不需考慮噪音排放的情形,則為了能達到最佳冷卻效能而延長 PXI 使用壽命,當然建議使用此模式。

表 3. 比較 PXI Express 機箱的聲壓強度。

 

NI 另為多款機箱安裝脈寬調變 (PWM) 風扇,可降低傳統電壓控制風扇所產生的雜訊與噪音。PWM 訊號控制的風扇,讓設計工程師擁有更大的風扇 RPM 設定範圍,進而微調機箱的 AE 與冷卻效能。

為了符合 (甚至超越) PXI 規格的冷卻需求,NI 機箱必須使用高效能的風扇。多款 NI 機箱所使用的風扇,均採用吸震材料所製造,讓機箱主體不受風扇的機械振動所影響,進一步減少相關噪音或雜訊。另有多款 NI PXI 機箱的風扇均置於後方,可減少對 PXI 模組的電子雜訊 (EMI)。

NI PXI 機箱是專為降低系統整體 AE 所設計,且維持絕佳的冷卻效能。可參閱表 3 並比較 A 供應商與 NI PXIe-1075 的規格,就可看出 12 dBA 的差異。另請注意:10 dBA 即可讓人感受到 2 倍噪音。與 A 供應商所設計的類似機箱相較,NI PXIe-1075 可為各組插槽提供更好的冷卻、更低的噪音排放效果。

電源供應器

NI 所設計 8 槽或以上的 PXI 與 PXI Express 機箱,均儀器等級的電源供應器。因此,即便 NI 更換電源供應器的製造商,亦可確保這些電源供應器仍可長期沿用效益,並僅會小幅變更設計。相對來說,其他 PXI 供應商若依賴單一的標準電腦電源供應器,就較無法兼顧電源供應器的品質。

NI 所使用的儀器等級電源供應器,均針對 PXI 專屬功率需求而最佳化;與個人電腦所用的 ATX 電源供應器完全不同。這些專為 NI 機箱所客制設計的電源供應器,可符合甚或超出 PXI 規格的最低功率需求。即便將 NI PXI Express 機箱滿載模組,亦可供電達到 38.25 W。

表 4. NI PXI Express 機箱可超過 PXI 規格所需的最低電流。

 

在產品的說明文件中,NI 另標明了機箱電源供應器所能提供給模組的總功率。另有許多供應商列出電源供應器的輸出。將電源供應器的總功率扣除機箱元件 (如風扇與背板) 的耗電量之後,模組與控制器的可用功率應為固定功率。NI PXI 機箱手冊則確實載明各組電壓軌上的電流,還有各組插槽的最高耗電量。

由 PXI System Alliance (PXISA) 所定義的 PXI 平台規格,指明 PXI Express 機箱應於 3.3 V 與 +12 V 背板軌上供應 650 W 功率,以供電至系統控制器與模組插槽。NI PXIe-1075 則可超越此最小值,為背板提供達 791 W 功率。若要比較不同供應商的 PXI 機箱時,請特別注意「Power supplied to the backplane」或類似的規格,而不要只注意到總功率或各插槽功率。不論是總功率、供應至背板的功率、各插槽功率,NI 均確實定義了功率規格。其他供應商則往往誤導了功率規格,甚至在一般安裝/操作環境中都達不到該項規格要求。

PXI 架構的系統已迅速普及於多項應用,而作業環境溫度 (最高 55 °C) 也同時越來越受重視。NI PXI 機箱可達最低功率額降 (Power derating) 而滿足此要求。功率額降即當以較高溫度或其他規格操作時,供電至機箱插槽所產生的功率耗損。其他供應商的多款 PXI 機箱,雖然可於較低的環境溫度 (20 ~ 35 ℃) 達到應有的 PXI 規格與功率,但只要處於較高溫度 (高於 40 °C),系統就可能變得較不穩定甚或故障。

圖 2. 即使超過溫度範圍,NI PXI 仍可提供特定功率至背板。

 

由於 NI PXI 機箱具備儀器等級的電源供應器,因此即便超過特定的作業溫度範圍 (0 ~ 50/55 °C),亦可達到最低功率需求而不致發生功率額降。若要重複作業,則可根據資料表所載明的最高溫度,讓 NI PXI 機箱滿載模組而繼續操作 (請參閱產品手冊,以了解特定 NI PXI 機箱型號的作業環境溫度範圍)。

因機箱內移動式機械 (特別是冷卻風扇) 所產生的電子雜訊,往往將影響 PXI/PXI Express 週邊模組的量測精確度。為了避免精確度受到影響,多款 NI 機箱後方並未搭載冷卻風扇,而另外安裝專屬的 12 V 電源供應器,以供電至機箱冷卻風扇與系統控制器插槽;特定條件甚至可供電予電源供應器的風扇。如此均可避免元件所產生的雜訊,進入量測模組的供電軌中。

大多數 NI 機箱亦可遠端感測背板供電軌上的輸出電壓,以補償電壓壓降。此設計特色對 PXI 與 PXI Express 機箱特別重要,而需要高功率模組的應用尤為如此;若負載大幅變化,亦可讓背板達到較高的穩定性。


若系統需考量使用的靈活度,NI 亦針對大多數 8 槽或以上的機箱,設計可輕鬆替換的電源供應器與風扇,以隨時因應故障而可輕鬆更換。只要將故障/需更換的電源供應器螺絲移除,即可抽換機箱後方的電源供應器總成。此項設計可將電源供應器的平均修復時間 (MTTR) 縮短至 5 分鐘以內。若機箱安裝於機架中,則只要機箱後方空間足夠,即可更換電源供應器與風扇總成,而不需再移除模組或重新連接 I/O。

時序與同步化的品質

PXI 系統的另項關鍵優勢,就是整合了時序與同步化功能。PXI 機箱具備專屬的 10 MHz 系統參考時脈、PXI 觸發匯流排、星形觸發匯流排、插槽對插槽本端匯流排;PXI Express 機箱則另外具備 100 MHz 差動系統時脈、差動訊號產生、差動星形觸發器,可達高階的時序與同步化作業。

圖 3. PXI Express 時序與同步化功能為重要優勢。

 

背板系統參考時脈的相位雜訊與穩定性,均屬於 PXI 機箱的重要特性,可穩定操作系統中的同步化模組。透過 NI PXI 元件與背板的專業設計,NI PXIe-1075 - 18 槽式機箱上的 PXI Express 100 MHz 差動系統時脈,其相位雜訊效能將優於其他供應商的同級機箱達 1,000 倍 (30 dB)。

使用者可將 10 MHz 與 100 MHz 系統參考時脈設為鎖相迴圈 (Phase-lock-loop,PLL),使機箱背板上的時脈源達到更高穩定性。如此可讓較高取樣率的 PXI 模組,能同步多組儀器的取樣率。當鎖存為外部參考時,NI PXI 機箱的 PLL 電路是專為抑制雜訊所設計,以更清晰傳輸較高穩定性的時脈源。但若使用其他供應商的機箱,則根據應用所需的系統時脈源相位雜訊之不同,則可能需分別為各個模組鎖存其外部參考時脈 (若為系統等級,則針對機箱背板鎖存即可),進而提高系統成本與複雜度。

圖 4. 比較 PXI Express 參考時脈的效能。

System Monitor 支援

若著重 PXI 系統的高靈活度,就必須考量是否能監控系統的不同元件。透過多款 NI PXI/PXI Express 機箱所隨附的 NI System Monitor 軟體,即可於 ANSI C 與 NI LabVIEW 軟體中監控 PXI 機箱/控制器的作業參數。使用者透過此免費的 API,可用程式設計的方式蒐集元件數值,以輕鬆處理相關數值而診斷系統狀態。

NI System Monitor 具備下列監控功能:

•機箱進氣口溫度
•機箱排風口溫度
•機箱風扇速度
•機箱風扇狀態
•機箱風扇電壓
•機箱資訊
•控制器資訊
•CPU 使用狀態
•記憶體使用狀態
•控制器的 CPU 溫度

在應用開發期間,即可監控系統資源達特定程度,並可依需要而修改開發程序,以更妥善利用相關資源。

圖 5. 透過 NI System Monitor LabVIEW API 監控架構。

NI PXI 其他設計優勢

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NI PXI 平台設計優勢