Designvorteile der PXI-Chassis von NI

NI bietet eine Vielzahl leistungsstarker PXI-Express- und PXI-Chassis für Mess- und Automatisierungsanwendungen (siehe Tabelle 1). Chassis von NI verfügen über leistungsstarke Backplanes und ein robustes, zuverlässiges mechanisches Gehäuse. Ganz gleich, ob Sie ein portables System, ein Benchtop-, Rackmontage- bzw. Embedded-System oder ein System mit integrierter Signalaufbereitung benötigen, Sie finden das richtige NI-Chassis für Ihre Anwendung. PXI-Express-Chassis von NI sind mit PXI-Express- und CompactPCI-Express-Modulen kompatibel. Zudem können alle NI-Chassis mit PXI- und CompactPCI-Modulen eingesetzt werden. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Merkmale des Designs von NI, die die Kühlleistung, die akustische Leistung und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung erhöhen.

NI-Chassis wurden entwickelt und validiert, um die Kühlanforderungen für die leistungsstärksten PXI-Module zu erfüllen oder zu übertreffen. Die PXI-Spezifikation erfordert eine Leistung von mindestens 25 W für jeden Peripherie-Slot und dass jeder Slot die gleiche Wärmemenge ableiten kann. Durch die PXI-Express-Leistungsspezifikation wurde diese Anforderung um etwa 20 Prozent erhöht. Sie sieht zudem vor, dass das Chassis mindestens 30 W Leistung bereitstellen und die damit verbundene Wärme abführen muss.

Die von NI konzipierten PXI-Express-Chassis bieten mindestens 38,25 W Strom- und Kühlleistung für jeden Peripherie-Slot. Einige Chassis sorgen sogar für eine noch höhere Kühlleistung und können einen einzelnen Slot mit 58 W oder 82 W Kühlleistung versorgen. Diese zusätzliche Leistung und Kühlung ermöglicht die volle Nutzung der erweiterten Funktionen leistungsstarker Module wie Digitizer, Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O- sowie RF-Module in Anwendungen, die kontinuierliche Datenerfassung oder Hochgeschwindigkeitstests erfordern. Die Gesamtleistung des Chassis variiert. Dabei hat es sich immer bewährt, bei der Konfiguration eines neuen Systems ein Leistungsbudget auf Systemebene zu ermitteln.

^{Abbildung 1: Das NI PXIe-1062Q verfügt über das patentierte Design mit rückwärtigem Kühllüfter.}

Viele PXI-Chassis von NI verfügen über ein patentiertes Design mit rückwärtigem Kühllüfter (siehe Abbildung 1), bei dem Luft von der Rückseite des Chassis (2) über ein Luftleitblech gedrückt und gleichmäßig über alle Modul-Slots (1) verteilt wird. So wird im Vergleich zu Chassis-Designs, bei denen sich die Lüfter direkt unter den Modulen befinden, die Kühlleistung erhöht und der Luftstrom staut sich an weniger Stellen im Gehäuse. Lüfter an der Rückseite des Chassis tragen außerdem dazu bei, das elektrische Rauschen der Lüftermotoren zu verringern, dem die Module ausgesetzt sind.

NI bietet auch Slot-Blocker an – eine modulare PXI-Karte aus Kunststoff, die in nicht genutzte Slots des Chassis eingesetzt werden kann. Dadurch wird der Luftstrom in den belegten Slots durch die verringerte Luftstromumlenkung in den leeren Slots verbessert, wodurch der Temperaturanstieg der elektronischen Komponenten an installierten Modulen um bis zu 20 Prozent reduziert wird.

Tabelle 1 zeigt den Unterschied in der Kühlleistung, der durch diese Designvorteile für PXI-Chassis von NI im Vergleich zu Chassis eines anderen großen Anbieters erzielt werden kann. Dazu wird die durchschnittliche Temperatur der Komponenten eines in das Chassis eingesetzten PXI-Moduls gemessen. Das NI PXIe-1075-Chassis bietet die gleiche Kühlleistung für die Lüfterdrehzahleinstellung „Auto“ und eine bessere Kühlleistung für die Einstellung „High“.

^{Tabelle 1: Vergleich der Kühlleistungsunterschiede zwischen PXI-Chassis von NI und den Chassis eines anderen großen Anbieters.}

Während mit einigen NI-Chassis eine noch bessere Kühlleistung möglich ist, können alle PXI-Express-Chassis von NI mindestens 38,25 W Kühlleistung für jeden Slot bereitstellen. Es ist zu beachten, dass diese Spezifikation für ein Chassis gilt, das voll mit Modulen bestückt ist, die jeweils 38,25 W Verlustleistung benötigen. Dasselbe gilt nicht immer für Chassis anderer großer Anbieter. Obwohl diese Anbieter behaupten, dass sie mehr als 38,25 W Leistung und Kühlung bereitstellen können, gilt dies nicht für jeden Slot und erfordert oft, dass die Chassis einschränkende oder schwer zu erreichende Bedingungen einhalten.

Schließlich zeigt Tabelle 2 oben, dass PXI-Express-Chassis von NI selbst bei einer Kühlleistung von 38,25 W pro Slot manchmal eine bessere Kühlleistung bieten als andere Anbieter, die eine Kühlung von mehr als 38,25 W angeben. 

Selbst mit ihren verbesserten Kühleigenschaften sind PXI-Chassis von NI so konzipiert, dass sie die Schallemissionen des Systems insgesamt minimieren. Dies ist wichtig, da PXI-Systeme sowohl in rackmontierten, automatisierten Test- als auch in Benchtop-Validierungsumgebungen mit unterschiedlichen Anforderungen an die Schallemissionen eingesetzt werden. Die Kombination aus Lüfterdrehzahlregelung, verwendetem Lüftertyp und Lüftermontagemethode ermöglicht eine optimierte Kühlung bei gleichzeitiger Minimierung der Schallemissionen.

Bei vielen PXI-Chassis von NI können Sie mithilfe eines Wahlschalters zwischen den beiden Lüfterdrehzahleinstellungen „High“ und „Auto“ wählen. Bei der Einstellung „Auto“ wird die Lüfterdrehzahl des Chassis proportional zur Umgebungslufttemperatur geregelt, die am Lüftereingang des Chassis gemessen wird. Unterhalb eines Messwerts von 30 °C arbeitet das Chassiskühlsystem in einer Akustikleistungszone, in der die Schallemissionen minimal sind. Steigt die gemessene Umgebungstemperatur über 30 °C, wird die Lüfterdrehzahl des Chassis entsprechend erhöht. Wenn die Lüfterdrehzahl auf „High“ eingestellt ist, sorgt das Chassis unabhängig von der Umgebungstemperatur für einen maximalen Luftstrom. Dieser Modus eignet sich am besten für Anwendungen, bei denen akustisches Rauschen keine Rolle spielt und die Lebensdauer der PXI-Module im System durch eine stärkere Kühlung erhöht werden soll.

^{Tabelle 2: Vergleich des Schalldruckpegels der PXI-Express-Chassis.}

^{* Schalldruckpegel am Bedienerplatz gemäß ISO 7779}

^{** Nur 38-W-Kühlprofilmodus; höhere Kühlprofile haben einen höheren Schalldruckpegel}

NI implementiert in vielen seiner PXI-Chassis pulsweitenmodulierte Lüfter, um niedrigere Schallemissionen zu erzielen als mit herkömmlichen spannungsgeregelten Lüftern. Die PWM-Signalregelung des Lüfters ermöglicht es dem NI-Chassis-Designer, einen größeren Bereich der Drehzahleinstellungen des Lüfters zu verwenden und so die Schallemissionen sowie die Kühlleistung des Chassis zu optimieren.

Um die Kühlanforderungen der PXI-Spezifikationen zu erfüllen (und zu übertreffen), müssen in ein NI-PXI-Chassis leistungsstarke Lüfter implementiert werden. Viele Chassis von NI verwenden Lüfterhalterungen aus vibrationsdämpfenden Materialien, um den Chassisrahmen von mechanischen Vibrationen in den Lüftern zu isolieren und das akustische Rauschen weiter zu reduzieren. Bei vielen PXI-Chassis von NI befinden sich diese Halterungen und damit auch die Lüfter im hinteren Teil des Chassis, wodurch das auf die PXI-Module übertragene elektrische Rauschen (EMI) reduziert wird.

PXI-Chassis von NI sind so konzipiert, dass sie die Schallemissionen des Systems insgesamt minimieren und gleichzeitig eine verbesserte Kühlleistung bieten. Gemäß Tabelle 2 wurden einige Chassislüfter für die Benchtop-Leistung weiter optimiert, wie z. B. das PXIe-1084 im 38-W-Kühlmodus. Beachten Sie, dass 10 dB hier einem wahrgenommenen doppelt so hohen Störgeräuschunterschied entsprechen.

NI behält in vielen seiner PXI- und PXI-Express-Chassis mit acht bis 18 Slots die Eigentumsrechte am Design der Netzteile für Messgeräte. Dadurch kann NI eine langfristige Verfügbarkeit dieser Netzteile und weniger Designänderungen an seinen Chassis aufgrund von Herstellerwechseln garantieren. Im Gegensatz dazu haben andere PXI-Anbieter, die ausschließlich Standard-PC-Netzteile verwenden, wenig bis gar keine Kontrolle über die Qualität ihrer Netzteile.

Die in PXI-Chassis von NI implementierten Netzteile für Messgeräte sind im Gegensatz zu ATX-Netzteilen, die für den allgemeinen Einsatz in PCs konzipiert sind, für die speziellen Stromanforderungen von PXI optimiert. Sie wurden speziell für NI-Chassis entwickelt, um die Mindeststromanforderungen der PXI-Spezifikation zu erfüllen und zu übertreffen. Mit diesen Netzteilen können PXI-Express-Chassis von NI mindestens 38,25 W für alle Module in einem voll bestückten Chassis bereitstellen. Einige Chassis übertreffen dies sogar noch, wie z. B. das PXIe-1095, das 82 W Leistung für alle Module in einem voll bestückten Chassis bereitstellen kann.

^{Tabelle 3: PXI-Express-Chassis von NI übertreffen die PXI-Spezifikationen für minimalen Strom.}

In der Produktdokumentation gibt NI die Gesamtleistung an, die den Modulen vom Chassisnetzteil zur Verfügung gestellt wird. Im Gegensatz dazu geben viele andere Anbieter die Ausgangsleistung des Netzteils an. Durch Subtraktion des von den Chassiskomponenten wie Lüftern und Backplane verbrauchten Stroms von der Gesamtleistung des Netzteils ergibt sich der verbleibende verfügbare Strom für Controller und Module. In der Produktdokumentation der PXI-Chassis von NI ist der Strom auf jeder Spannungsschiene und die maximale Verlustleistung pro Slot eindeutig angegeben.

Die von der PXI Systems Alliance definierten PXI-Plattformspezifikationen erfordern, dass ein PXI-Express-Chassis 650 W Leistung auf den 3,3-V- und +12-V-Backplane-Schienen bereitstellt, um den System-Controller und die Modul-Slots mit Strom zu versorgen. Beim Vergleich von PXI-Chassis verschiedener Anbieter sollte daher unbedingt die Spezifikation „Stromversorgung der Backplane“ (oder eine ähnliche Spezifikation) und nicht nur die Gesamtleistung oder die Leistung pro Slot berücksichtigt werden. NI stellt sicher, dass Leistungsspezifikationen realistisch und konsistent definiert werden, unabhängig davon, ob es sich um die Gesamtleistung, die Stromversorgung der Backplane oder die Leistung pro Slot handelt. Andere Anbieter verwenden oft irreführende Leistungsspezifikationen, die unter typischen Installations-/Betriebsumgebungen nicht erreicht werden können.

PXI-basierte Systeme für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen (bis 55 °C) werden in neuen Anwendungen zunehmend nachgefragt. PXI-Chassis von NI können diese Anforderung mit minimalem Leistungs-Derating erfüllen. Leistungs-Derating bezieht sich auf die verringerte Leistung, die den Chassis-Slots bei Betrieb mit höheren Temperaturen oder anderen extremen Umgebungsbedingungen bereitgestellt werden kann. Viele PXI-Chassis anderer Anbieter erfüllen die geforderten PXI-Spezifikationen für verfügbare Leistung bei niedrigeren Umgebungstemperaturen (20 bis 35 °C), können jedoch bei höheren Temperaturen (>40 °C) instabil oder funktionsuntüchtig werden.

^{Abbildung 2: NI PXI liefert die angegebene Leistung über den gesamten Temperaturbereich an die Backplane.}

Da in NI-PXI-Chassis Netzteile für Messgeräte implementiert werden, sind sie in der Lage, den Mindeststrombedarf über den gesamten angegebenen Betriebstemperaturbereich (0 bis 50/55 °C) ohne Leistungseinbußen bereitzustellen. Mit einem PXI-Chassis von NI können Sie ein Chassis, das mit Modulen voll bestückt ist, bei der höchsten auf dem Datenblatt angegebenen Temperatur betreiben (die Betriebstemperaturbereiche für bestimmte Modelle der PXI-Chassis können Sie der Produktdokumentation entnehmen).

Das elektrische Rauschen, das durch die Bewegung mechanischer Komponenten im Chassis, insbesondere Kühllüfter, erzeugt wird, kann die Messgenauigkeit von PXI- und PXI-Express-Peripheriemodulen beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, sind in vielen NI-Chassis nicht nur die Kühllüfter im hinteren Teil des Chassis platziert, sondern es wird auch ein spezielles 12-V-Netzteil verwendet, um die Kühllüfter des Chassis, den Slot des System-Controllers und in einigen Fällen die Lüfter der Netzteile zu versorgen, sodass sich Einkopplungsgeräusche dieser Komponenten in die Schienen zur Stromversorgung der Messmodule vermeiden lassen.

Die meisten NI-Chassis verfügen außerdem über eine Remote-Erfassung der Ausgangsspannung an den Backplane-Stromschienen, um Spannungsabfälle auszugleichen. Dieses Designmerkmal ist bei PXI- und PXI-Express-Chassis besonders für Anwendungen mit Hochleistungsmodulen wichtig, da es bei großen Lastschwankungen eine bessere Regelung an der Backplane ermöglicht.

Für Systeme, bei denen es auf hohe Verfügbarkeit ankommt, hat NI ein einfach austauschbares Netzteil und Lüfter-Shuttle für die meisten seiner Chassis mit acht Slots und höher entwickelt, falls das Netzteil einmal ausfallen sollte. Sie können das Shuttle von der Rückseite austauschen, indem Sie das ausgefallene Netzteil nach Herausdrehen der Daumenschrauben, mit denen es befestigt ist, herausziehen und das neue Netzteil hineinschieben. Dieses Design ermöglicht eine mittlere Reparaturzeit (MTTR) des Netzteils von weniger als fünf Minuten. Wenn das Chassis in einer Rackmontage-Installation implementiert ist, können Sie, solange die Rückseite des Chassis zugänglich ist, das Netzteil und das Lüfter-Shuttle austauschen, ohne Module ausbauen oder I/O erneut anschließen zu müssen.

Einer der Hauptvorteile eines PXI-Systems besteht im integrierten Timing und der integrierten Synchronisierung. Ein PXI-Chassis verfügt über einen speziellen 10-MHz-Systembezugstakt, einen PXI-Trigger-Bus, einen Star-Trigger-Bus und einen lokalen Bus zwischen den einzelnen Slots. Ein PXI-Express-Chassis verfügt darüber hinaus über einen differenziellen 100-MHz-Systemtakt, differenzielle Signalübertragung und differenzielle Star-Trigger für anspruchsvolle Timing- und Synchronisierungsanforderungen.

^{Abbildung 3: Timing- und Synchronisationsfunktionen von PXI Express sind wichtige Vorteile.}

Das Phasenrauschen und die Stabilität der Backplane-Systembezugstakte sind bedeutende Merkmale des PXI-Chassis, da sie angeben, wie zuverlässig Module innerhalb des Systems synchronisiert werden können. Durch die Wahl der Komponenten und des Backplane-Designs von NI PXI ist das Phasenrauschverhalten des differenziellen 100-MHz-Systemtakts des PXI-Express auf einem Chassis mit 18 Slots fast 1.000 Mal (30 dB) besser als das anderer Anbieter in derselben Klasse.

Sie können die 10-MHz- und 100-MHz-Systembezugstakte mit einer Phasenregelschleife (PLL) auf eine Taktquelle übertragen, die eine höhere Stabilität aufweist als die der Chassis-Backplane. Dies hilft PXI-Modulen mit höherer Sample-Rate, ihre Samples für mehrere Messgeräte besser auszurichten. Die PLL-Schaltung des PXI-Chassis von NI unterdrückt mehr Rauschen beim Verriegeln mit einer externen Referenz und ermöglicht so eine sauberere Übertragung der Taktquelle mit höherer Stabilität. Bei Chassis anderer Anbieter ist je nach Phasenrauschen der Systemtaktquelle, das von der Anwendung benötigt wird, möglicherweise anstelle einer Phasenregelung auf Systemebene für die Chassis-Backplane eine individuelle Phasenregelung des externen Bezugstakts für jedes Modul erforderlich, was zu einer Erhöhung der Systemkomplexität und der Kosten führt.

^{Abbildung 4: Vergleich der PXI-Express-Bezugstaktleistung.}

• Weitere Informationen zu PXI-Leistung und -Kühlung
• Weitere Informationen zur branchenführenden Plattform für Mess- und Prüftechnik
• Siehe PXI-Chassis-Optionen