Einführung in die PXI-Architektur

PXI-Systeme umfassen leistungsfähige modulare Messgeräte und andere I/O-Module mit maßgeschneiderten Synchronisierungs- und wichtigen Softwarefunktionen für Test- und Messanwendungen von der Validierung von Geräten bis zum automatisierten Produktionstest.  Sehen Sie sich die beiden Bilder in Abbildung 1 an, um ein allgemeines Verständnis von PXI zu erhalten. In dieser Abbildung werden das Chassis, der Controller und die PXI(e)-Peripheriemodule eines PXI-Systems mit den Komponenten eines handelsüblichen Desktop-PCs verglichen. Der Schlüssel liegt darin zu erkennen, wie PXI auf der Technologie handelsüblicher PCs aufbaut und dieser zugeordnet werden kann:

• Das PXI-Chassis ist mit dem Desktop-Gehäuse vergleichbar.
• Der PXI-Controller ist mit der CPU, dem Speicher und der I/O des Desktops vergleichbar.
• Die PXI(e)-Peripheriemodule sind mit den PCI(e)-Peripheriemodulen des Desktops vergleichbar.

^{Abbildung 1: Vergleich eines PXI-Systems mit einem handelsüblichen Desktop-PC}

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) ist eine bewährte PC-basierte Plattform für Mess- und Automatisierungssysteme. Sie sorgt für die Stromversorgung und die Kühlung und stellt einen Kommunikationsbus bereit, um mehrere Messgerätemodule innerhalb desselben Gehäuses zu unterstützen. PXI setzt auf die PCI-Bus-Technologie handelsüblicher PCs und kombiniert sie mit dem robusten modularen CompactPCI-Formfaktor und verwendet wichtige Timing- und Synchronisierungsfunktionen.

Die Peripheral Component Interconnect Special Interest Group (PCI-SIG) verbesserte die Systembandbreite erheblich, als sie die Weiterentwicklung von PCI mit dem PCI Express-Standard veröffentlichte. Die für PXI zuständige PXI Systems Alliance (PXISA) hat die neueste Generation der kommerziellen PC-Bus-Technologie übernommen, um PXI zu PXI Express weiterzuentwickeln. PXI Express behält den PXI-Funktionsumfang bei, um die Abwärtskompatibilität zu gewährleisten, und bietet zusätzlich zum Standard-PXI-Funktionsumfang mehr Bandbreite, Strom, Kühlung sowie Timing und Synchronisationsfunktionen.

PXI und PXI Express mögen mit ihren vielen Funktionen komplex erscheinen, aber diese Technologien haben einen gemeinsamen Kern: gängige PC-Kommunikationsbusse. PXI- und PXI-Express-Chassis bieten eine bekannte, vertraute Architektur für moderne Mess- und Automatisierungssysteme.

Da PXI eine offene Spezifikation ist, die von PXISA verwaltet wird, kann jeder Anbieter PXI-Produkte entwickeln. In diesem Whitepaper werden die von der PXISA definierten Spezifikation und ihre Implementierung auf NI-PXI-Hardware erläutert.

Die PXISA-Hardwarespezifikation legt alle Funktionsanforderungen an die mechanische, elektrische und Softwarearchitektur fest. Die PXI-Express-Spezifikation ist eine Implementierung der Spezifikationen für CompactPCI und CompactPCI Express. Abbildung 2 zeigt, wie die mechanischen und elektrischen Aspekte die Spezifikationen von CompactPCI und CompactPCI Express mit wichtigen PXI-Funktionen kombinieren, um die Gesamtarchitektur zu bilden. In den folgenden Abschnitten dieses Whitepapers werden diese Hierarchien aufgeschlüsselt, um detaillierter auf die einzelnen Abschnitte einzugehen und zu erläutern, wie sie speziell auf PXI zutreffen.

^{Abbildung 2: PXI-Gesamtarchitektur}

Die mechanische Architektur gibt die physikalische Kompatibilität zwischen CompactPCI, CompactPCI Express, PXI und PXI Express an. Beispielsweise ist der System-Controller durch die mechanische Architektur so definiert, dass er sich im äußersten linken Slot eines PXI-Chassis befindet, um sicherzustellen, dass er sich am linken Ende des PCI-Bussegments befindet. Es vereinfacht die Integration und erhöht den Kompatibilitätsgrad zwischen Chassis- und Controller-Optionen mit dieser definierten Position.

Der in einem PXI-System verwendete Controller kann ein externer PC oder ein Embedded-Controller sein. Embedded-Controller weisen Standardmerkmale auf wie eine integrierte CPU, Festplatte, RAM, Ethernet-, Video-, USB- und serielle Anschlüsse sowie weitere I/O-Peripheriekomponenten. Sie können eine Anwendung in einer Standard-Windows-Umgebung entwickeln – demselben Standard-Betriebssystem wie auf einem externen PC.

^{Abbildung 3: Embedded-Controller bieten verschiedene I/O zur Anbindung an eigenständige Geräte oder Peripheriegeräte.}

Die PXI-Spezifikation übernimmt die leistungsstarken IEC-Steckverbinder und das robuste Europakartensystem, das von CompactPCI und CompactPCI Express verwendet wird.

^{Abbildung 4: Das NI-PXI-8430 verfügt über einen Europakarten-ähnlichen Formfaktor und leistungsstarke IEC-Steckverbinder.}

Über diesen Steckverbinder stellt das Gerät eine Verbindung zum Rest des Systems her und kommuniziert mit diesem über den Bus der Backplane, beispielsweise den PCI- und PCI-Express-Bus. Diese Steckverbinderkonfigurationen halten die Abwärtskompatibilität aufrecht, während die Spezifikation weiterentwickelt wird, um die neuesten Kommunikationsbusse einzubeziehen. Mehr dazu im Abschnitt zur elektrischen Architektur.

^{Abbildung 5: Die Spezifikationen definieren den Steckverbinder, der für die Kommunikation mit dem PXI-Chassis verwendet wird.}

Die mechanische Spezifikation von PXI umfasst auch spezielle Verbesserungen bei der Kühlung und den Umgebungsbedingungen, die über die von CompactPCI und CompactPCI Express hinausgehen, um einen uneingeschränkten Betrieb in industriellen Umgebungen zu gewährleisten.

^{Abbildung 6: Sehen Sie, wie ein PXI-Chassis die Kühlanforderungen der Spezifikation erfüllt.}

Die elektrische Architektur spezifiziert die Einhaltung der PCI-, PCI-Express-, CompactPCI- und CompactPCI-Express-Spezifikationen sowie die Vorgaben für die Stromversorgung. Darüber hinaus bietet sie spezielle Timing- und Synchronisierungsfunktionen, die die PXI-Plattform einzigartig und für Hochleistungstests und -messungen geeignet machen.

Die zentrale elektrische Funktion eines PXI-Chassis ist der Kommunikationsbus. Mit der Weiterentwicklung von PCI zu PCI Express wurde auch die Spezifikation weiterentwickelt, um sicherzustellen, dass PXI noch mehr Anwendungsanforderungen erfüllen kann. Hierzu wurde PCI Express in die PXI-Chassis-Backplane integriert.

Bei älteren Geräten unterstützt PXI die PCI-Kommunikation, einen 32-Bit-Bus, der häufig zum parallelen Senden und Empfangen von Daten verwendet wird. Die maximale Bandbreite oder der maximale Durchsatz eines PCI-Geräts beträgt 132 MB/s. Da Anwendungen eine höhere Bandbreite erforderten, wurde PCI Express definiert, bei dem die Daten seriell über Paare von Sende- und Empfangsverbindungen, sogenannte Lanes, gesendet werden. Dadurch können Daten bidirektional zu jeweils 250 MB/s übertragen werden. Diese serielle Verbindung wird als PCI Express Gen1 x1-„Link“ bezeichnet. Zur Erhöhung der Bandbreite können mehrere Lanes zu x2-, x4-, x8-, x16- und x32-Links gruppiert werden. Diese Links bilden eine Verbindung zwischen einem Controller und einem Slot, wo ein Gerät eingesetzt ist. Ein x16-Slot könnte beispielsweise 4 GB/s (250 MB/s * 16) senden und empfangen. Um die Kompatibilität mit Vorgänger-PXI-Geräten und neuen PXI-Express-Geräten zu gewährleisten, sind sowohl der PCI- als auch der PCI-Express-Kommunikationsbus in ein PXI-Chassis integriert. Im Zuge der Weiterentwicklung der PCI-Express-Spezifikation zur nächsten Generation wird PXI die neuen Funktionen weiterhin in ein PXI-Chassis integrieren und gleichzeitig die Abwärtskompatibilität aufrechterhalten.

^{Abbildung 7: In diesem Beispiel des NI-PXIe-1085-Chassis werden die PCI- und PCI-Express-Leitungen hervorgehoben, die zu jedem Slot führen, je nachdem, welchen Modultyp der Slot aufnimmt.}

Einhergehend mit der Weiterentwicklung bei Kommunikationsbussen der Chassis durch Implementierung der neuesten PC-Technologie wurden auch PXI-Peripheriemodule vom PXI- zum PXI-Express-Standard weiterentwickelt, um die Funktionalität des PCI-Express-Kommunikationsbusses nutzen zu können. Damit die Modulkompatibilität zwischen PXI- und PXI-Express-Modulen gewährleistet ist, wurde die PXI-Spezifikation um den Hybrid-Slot erweitert. Dieser Slot bietet Ihnen die Möglichkeit, PXI- oder PXI-Express-Peripheriemodule in PXI-Chassis einzusetzen. Ein PXI-Chassis kann Folgendes umfassen:

• Einen System-Slot, der einen Embedded- oder Remote-PXI-Express-Controller aufnehmen kann
• PXI-Peripherie-Slots, die PXI-Module aufnehmen können
• PXI-Express-Hybrid-Peripherie-Slots, die PXI-Express-Peripheriemodule, 32-Bit-CompactPCI-Peripheriemodule und hybridkompatible PXI-Peripheriemodule aufnehmen können
• Einen System-Timing-Slot, der sowohl PXI-Express-Peripheriemodule als auch PXI-Express-System-Timing-Module aufnehmen kann

^{Abbildung 8: Slot-Typen in einem PXI-Chassis}

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Spezifikation die Technologie definiert, die über die PXI-Chassis-Backplane verfügbar ist.

^{Abbildung 9: Ein PXI-Chassis mit neuesten Kommunikationsbussen und einer Vielzahl von Slot-Optionen, um die Anforderungen eines Peripheriemoduls zu erfüllen.}

Zusätzlich zu den Kommunikationsbussen definiert die elektrische Spezifikation auch die Timing- und Synchronisierungsfunktionen. Sie enthält die Definition des PXI-10-MHz-Systemtakts, der an alle Peripheriemodule in einem System verteilt wird. Dieser gemeinsame Bezugstakt kann verwendet werden, um mehrere Module in einem Mess- oder Steuersystem zu synchronisieren. Zusätzlich zur Taktung bietet PXI Trigger-Funktionen wie einen Multidrop-Trigger-Bus und ein Star-Trigger-Netzwerk mit angepasster Leiterbahnlänge. Acht PXI-Trigger-Leitungen bilden den PXI-Trigger-Bus, der flexibel und vielseitig einsetzbar ist. Trigger können beispielsweise zur Synchronisierung des Betriebs mehrerer PXI-Peripheriemodule verwendet werden.

^{Abbildung 10: Das Anschlussdiagramm für den PXI-Trigger-Bus des NI-PXIe-1085-Chassis zeigt, wie Trigger an die PXI-Peripheriemodule weitergeleitet werden.}

Für Anwendungen, die eine höhere Leistung erfordern, definiert die Spezifikation das PXI-Star-Trigger-Netzwerk, das das PXI-System um leistungsstärkere Synchronisierungsfunktionen erweitert. Das Star-Trigger-Netzwerk implementiert eine dedizierte Trigger-Leitung zwischen dem System-Timing-Slot (gekennzeichnet durch eine Raute oder ein Quadrat, das die Slot-Nummer, PXI bzw. PXI Express umgibt) und den anderen Peripherie-Slots. Ein Timing- und Synchronisierungsmodul – ein Star-Trigger-Controller – ist in diesem Slot installiert, um anderen Peripheriemodulen präzise Takte und Trigger-Signale zu liefern. Es kann auch die Genauigkeit des geräteeigenen VCXO des PXI-Chassis mit seinem geräteeigenen (TCXO, OCXO), abgeleiteten (DDS) oder externen (Rubidium-Quelle) Takt überschreiben, um den hochfrequenten Bezugstakt des Systems sowie 10-MHz- und 100-MHz-Takte zu definieren.

^{Abbildung 11: Das NI-PXIe-1085-Chassis verwendet dieses Star-Anschlussdiagramm, um sicherzustellen, dass die Leitungsverzögerung zwischen den einzelnen Slots abgestimmt ist.}

Unten sehen Sie, wie der PXI-Trigger-Bus und das PXI-Star-Trigger-Netzwerk zwischen den Slots geleitet werden. Um die Kompatibilität zwischen all diesen Funktionen zu gewährleisten, wurde das SYNC 100-Modul eingeführt, um die 10-MHz- und 100-MHz-Takte innerhalb eines Chassis zu synchronisieren.

^{Abbildung 12: Wählen Sie die am besten geeignete Konfiguration aus, um sicherzustellen, dass die Timing und Synchronisierungsfunktionen Ihren Anwendungsanforderungen entsprechen.}

Die PXI-Software-Spezifikation definiert die Softwarearchitektur, ein Schlüsselelement der PXI-Plattform. Da PXI auf einem softwaredefinierten Muster basiert, verfügt die PXI-Hardware von Haus aus nicht über Komponenten wie Bildschirme, Drehknöpfe und Druckschalter, auf die der Benutzer direkt zugreifen kann. Alle Komponenten, auf die Benutzer zugreifen können, sind in der Software enthalten. Die Software-Frameworks definieren die Anforderungen an die PXI-Systemsoftware sowohl für System-Controller-Module als auch für PXI-Peripheriemodule. System-Controller-Module und PXI-Peripheriemodule müssen bestimmte Anforderungen an die Betriebssystem- und Tool-Unterstützung erfüllen, um als konform mit einem bestimmten PXI-Software-Framework zu gelten.

^{Abbildung 13: PXI-Softwarearchitektur}

Die PXI-Spezifikation enthält Software-Frameworks für PXI-Systeme, die auf Microsoft Windows-Betriebssystemen basieren. Somit können vom Controller Programmierschnittstellen wie NI-LabVIEW, NI-Measurement Studio, Visual Basic und Visual C/C++ sowie Python, die sich als Industriestandard etabliert haben, verwendet werden. PXI erfordert außerdem, dass bestimmte Softwarekomponenten von den Modul- und Chassis-Anbietern bereitgestellt werden. Für PXI-Komponenten sind Initialisierungsdateien erforderlich, die die Systemkonfiguration und die Systemfunktionen definieren. Schließlich spezifiziert PXI die Implementierung von VISA, einer Architektur, die im Messgerätebereich weit verbreitet ist, für die Konfiguration und Steuerung von VXI-, GPIB-, PXI- und seriellen Messgeräten.

^{Abbildung 14: Dieses Diagramm zeigt die vollständige PXI-Architektur unter Berücksichtigung der Rolle der Software.}

Stellen Sie sich einen einfachen Anwendungsfall für ein PXI-System vor: die Erzeugung eines Signals mit einem PXI-Modul wie dem NI-PXIe-5433. Sie verwenden einen Windows-basierten Controller und schreiben ein Programm mit der Software LabVIEW. LabVIEW kommuniziert über den Gerätetreiber mit dem Gerät. Mit dem Measurement & Automation Explorer (MAX) wird sichergestellt, dass das System für diese Kommunikation eingerichtet ist.

^{Abbildung 15: Hardwareaufbau und Beispiel für die Softwareumgebung}

Um die Kommunikation zu starten, führen Sie ein in LabVIEW geschriebenes Programm aus. Das LabVIEW-Programm führt im Hintergrund eine Reihe von Operationen aus. Sehen Sie sich die folgende exemplarische Vorgehensweise für die Kommunikationsschritte an:

Schritt 1: LabVIEW wird auf einem PXI-System-Controller ausgeführt

Der Anwendungscode wird kompiliert und in Machine-Level-Code konvertiert.

Schritt 2: Der PXI-System-Controller leitet die in LabVIEW geschriebenen Befehle an das Gerät weiter, das sich in einem PXI-Peripherie-Slot befindet

Im Speicher und im Prozessor des PXI-System-Controllers wird der Maschinencode in elektrische Signale umgewandelt und über den PCI- oder PCI-Express-Kommunikationsbus weitergeleitet. In diesem Beispiel verläuft die PCI-Express-Kommunikation über die PXI-Chassis-Backplane, die den System-Controller mit dem Peripheriegerät verbindet.

Schritt 3: Die Befehle werden über den Kommunikationsbus auf der Chassis-Backplane weitergeleitet

Das Signal wird über den PCI-Express-Kommunikationsbus zum PXI-Slot geleitet, in dem sich das Gerät befindet.

Schritt 4: Der Code wird an das Gerät weitergeleitet

Das PXI-Modul liest die gesendeten Befehle. In diesem Beispiel erzeugt das NI-PXIe-5433 ein Signal. Daraufhin liest das Gerät das Signal mithilfe von Schaltkreisen auf dem Modul, um die erforderliche Aktion durchzuführen. Dann wird ein Signal erzeugt, das an den Steckverbinder an der Vorderseite des Moduls weitergeleitet wird.

Abbildung 16 veranschaulicht, wie die Kommunikation vom Controller zum eigentlichen Slot weitergeleitet wird.

^{Abbildung 16: Beispiel für das Leiten von Signalen über die Backplane}

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• Ein Beispiel für den Einstieg mit einem PXI-Express-Datenerfassungsgerät von NI finden Sie unter Erste Schritte mit PXI-Express-Multifunktions-I/O-Hardware und LabVIEW.