La temporización y sincronización son parte integral de los sistemas de medidas y control. Exploraremos estrategias comunes para lograr la temporización y sincronización del desempeño. Examinaremos cómo NI PXI proporciona valiosas ventajas de hardware y software para facilitar el diseño de sistemas flexibles que puedan cumplir con los requisitos actuales de temporización y sincronización.
El hardware NI PXI Express es la mejor manera de la industria de construir sistemas flexibles, multicanal y de múltiples instrumentos, y en ningún lugar es más evidente que en las capacidades de temporización y sincronización. Generar relojes de alta calidad y compartir relojes de muestreo, bases de tiempo y disparos de bajo desfase son fundamentales para muchas medidas y aplicaciones.
La calidad del reloj afecta directamente a los siguientes factores:
Se necesita una perfecta sincronización de los relojes, bases de tiempo y disparos para los siguientes fines:
Si bien la complejidad de administrar la temporización y la sincronización en los sistemas a menudo puede escalarse exponencialmente con el tamaño y la mezcla del sistema, la plataforma NI PXI Express tiene numerosas características integradas que facilitan la sincronización de E/S variadas entre sí dentro de un solo chasis PXI Express a un alto nivel de rendimiento. Con una variedad de hardware adicional de temporización y sincronización PXI Express, usted puede expandir la sincronización para crear instrumentos multichasis e interfaces con protocolos de tiempo estandarizados, incluso a gran escala.
Las características integradas del chasis y los controladores PXI Express tienen muchos usos:
Para obtener el siguiente nivel de precisión o extensibilidad, puede aumentar su sistema PXI Express con actualizaciones de temporización y sincronización para realizar las siguientes tareas:
Si bien PXI Gen 1 fue un gran paso adelante en la estandarización del diseño de sistemas complejos y flexibles, PXI Express, como la última evolución de la plataforma PXI, ofrece un mayor grado de sincronización a los dispositivos de medidas de E/S, además sigue siendo compatible con PXI Gen 1. PXI Express mantiene el reloj del plano trasero de 10 MHz, así como el bus de disparo PXI de una sola terminal y la señal de disparo en estrella PXI de longitud adaptada proporcionada por la especificación PXI original. PXI Express también añade un reloj diferencial de 100 MHz y disparos de estrella diferencial al plano trasero para ofrecer una mayor inmunidad al ruido y una precisión de sincronización líder en la industria (100 ps y 150 ps de desfase de módulo a módulo, respectivamente). El reloj de 100 MHz de frecuencia más alta puede ser especialmente útil para reducir el ruido de fase de dispositivos de frecuencia de muestreo más alta, como los osciloscopios que dirigen sus relojes de muestreo en base al reloj del plano trasero. Estas señales de reloj y de activación (PXI_CLK10, PXI_TRIG, PXI_STAR y PXI_DSTARA/B/C) se pueden importar y exportar a otros chasis PXIe y dispositivos de terceros utilizando dispositivos de temporización NI PXI Express que pueden controlar la ranura de temporización del sistema PXI Express. Además, los sistemas PXI Express pueden sincronizar sus señales de reloj y activación con protocolos conscientes del tiempo como IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS, IRIG-B y PPS a través de interfaces de protocolo de tiempo especializadas. Para obtener más detalles y módulos de NI compatibles, consulte la Tabla 1 más adelante en este documento.
Figura 1: Funciones de temporización y sincronización del chasis PXIe
El ruido de fase y la estabilidad de los relojes de referencia del sistema del plano trasero son características importantes del chasis PXI, ya que indican que tan confiablemente puede esperar a sincronizar módulos dentro del sistema. Con la elección de componentes NI PXI Express y el diseño del plano trasero, el rendimiento de ruido de fase del reloj del sistema diferencial PXI Express de 100 MHz en un chasis de 18 ranuras es el mejor de su clase en comparación con otros chasis disponibles en el mercado.
Puede bloquear en fase (PLL) los relojes de referencia del sistema de 10 MHz y 100 MHz a una fuente de reloj de mayor estabilidad que la proporcionada en el plano trasero del chasis. Esto ayuda a los módulos PXI de mayor velocidad de muestreo a alinear mejor sus muestreos en múltiples instrumentos. Los circuitos PLL del chasis NI PXI pueden suprimir más ruido al bloquearse a una referencia externa, permitiendo así una transmisión más limpia de la fuente de reloj de mayor estabilidad. Con el chasis de otros proveedores, dependiendo del ruido de fase de origen del reloj del sistema requerido por la aplicación, es posible que deba bloquear en fase el reloj de referencia externo a cada módulo individualmente, en lugar de hacerlo a nivel del sistema en el plano trasero del chasis, lo que resulta en un aumento de la complejidad y el costo del sistema.
Las funciones de temporización y sincronización de NI PXI Express funcionan con dos tipos diferentes de arquitecturas de sincronización, basadas en señales y en tiempos, para que usted pueda lograr la flexibilidad y personalización que necesita al desarrollar aplicaciones que requieren diferentes niveles de rendimiento.
Figura 2: Rendimiento de la arquitectura de sincronización basada en señal y basada en tiempo
Con una arquitectura de temporización y sincronización basada en señales NI PXI Express, los relojes y disparos están conectados físicamente entre los módulos y el chasis. Esto generalmente genera la mayor precisión de sincronización. Sin embargo, con distancias de cable de conexión de subsistema más largas (aproximadamente 200 m), este rendimiento es inalcanzable debido al desfase del reloj y el ruido.
Si la distancia requerida entre los chasis sincronizados es demasiado grande para que los cables transmitan señales de reloj y de disparo de manera confiable, debe usar una arquitectura de sincronización basada en el tiempo. La sincronización de la base de tiempo también puede ser un aspecto importante de la integración con otros sistemas o DUT que dependen de protocolos de tiempo. La solución de temporización y sincronización NI PXI Express le permite utilizar protocolos de referencia de tiempo absoluto como IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS e IRIG-B para lograr la sincronización a grandes distancias.
Ningún oscilador genera perfectamente la frecuencia especificada. El error de reloj se describe comúnmente por tres componentes principales: precisión absoluta, estabilidad a largo plazo y fluctuación. Si bien sincronizar dispositivos juntos puede eliminar la estabilidad a largo plazo como fuente de errores de reloj entre los componentes de un sistema, y aunque los PLL pueden ayudar a reducir la fluctuación cuando se comparten relojes, no se puede mejorar la precisión del reloj sin tener un reloj mejor. Si la precisión del reloj importa, es necesaria una fuente de reloj de alta calidad.
Para un chasis NI PXI Express, la fuente del reloj es un oscilador que es preciso a 25 partes por millón (ppm). Insertando un módulo de temporización y sincronización NI PXI, como el PXIe-6674T con un oscilador de cristal controlado por horno (OCXO) de mayor precisión y estabilidad, en la ranura de temporización del sistema del chasis, puede bloquear el reloj de referencia del plano trasero a una fuente de frecuencia del oscilador que sea precisa a 50 partes por billón (ppb) o importar una fuente de reloj externa. Para casos especiales en los que 50 ppb son insuficientes para la estabilidad a largo plazo (como los sistemas que funcionan sin conexión durante días pero aún necesitan correlacionar el tiempo con otros sistemas y dispositivos a los que no están conectados), el PXIe-6674T se puede combinar con la mejor fuente de reloj PXIe-3352 basada en rubidio de la industria o a través de un oscilador disciplinario GPS (GPSDO) como el PXI-6683H, PXIe-3352 o CDA-2990.
Figura 3: NI PXIe-6674T — el módulo de temporización y sincronización PXI de mayor rendimiento de la industria con OCXO
Los módulos de temporización y sincronización NI PXI pueden mejorar el error de reloj general del sistema al generar y compartir una fuente de reloj de precisión entre múltiples dispositivos PXI.
Los disparos y relojes de temporización PXI se pueden configurar a un nivel bajo a través de controlador de instrumentos de E/S, así como a través del controlador NI-Sync, que expone todas las características de temporización del chasis para su utilización directa por los dispositivos de E/S. El alias inteligente de señales facilita y flexibiliza la configuración de rutas dinámicas de activación que dependen del nombre del dispositivo en lugar del número de ranura, lo que facilita la migración de una aplicación a un chasis diferente o a un conjunto de instrumentos ligeramente diferente. Esta modularidad hace que el hardware de NI PXI Express se adapte bien a diseños de sistemas que están sujetos a requisitos cambiantes y sustituciones de dispositivos de última hora, ya que el complejo trabajo de diseño de sincronización y enrutado generalmente se puede establecer mediante programación.
Para obtener más información sobre la sincronización en controladores de instrumentos de E/S, consulte las características de temporización y sincronización de NI-DAQmx.
NI ha mejorado el controlador NI-DAQmx con un enfoque innovador para configurar múltiples módulos DAQ para la sincronización. Un chasis completo de casi cualquier tipo de módulo DAQ se puede programar con una tarea de múltiples dispositivos. Con las tareas de múltiples dispositivos, usted puede escalar su aplicación de uno a 544 canales utilizando el mismo código DAQmx. También puede usar una sola tarea de DAQmx para sincronizar automáticamente canales en varias tarjetas con diferentes tipos de medidas.
Para obtener más información sobre la expansión del canal DAQmx en PXI Express, consulte:
Tareas de múltiples dispositivos DSA, SC Express y Serie X
Sincronización NI-DAQmx de módulos PXI Express
Para las aplicaciones que requieren una sincronización de los instrumentos modulares PXI de alta velocidad, distribuir los relojes y disparos necesarios para lograr esta sincronización puede ser un desafío debido a las latencias e incertidumbres de temporización causadas por el desfase y la fluctuación. La complejidad se agrava aún más cuando se intenta sincronizar instrumentos heterogéneos que funcionan a diferentes frecuencias de muestreo.
La sincronización precisa en estos casos a menudo implica compartir un reloj de referencia de bajo desfase entre todos los instrumentos, empleando ciclos de bloqueo en fase (PLL) y multiplicadores conectados a ese reloj de referencia para generar el reloj de muestreo de cada dispositivo, y distribuyendo un disparo de bajo desfase a todos los instrumentos, algún tipo de mecanismo de compensación de retraso de tiempo ajustable y algún tipo de medida de calibración en la que basar los ajustes. Esto no solo es complicado de hacer tanto en las implementaciones de hardware como de software, sino que también es frágil, ya que incluso un ligero intercambio de modelos de instrumentos puede implicar revisar toda la arquitectura y comenzar toda la calibración nuevamente.
NI PXI es la mejor manera de construir sistemas de E/S mixtos, flexibles, de alta velocidad y expandibles. Para ayudar a reducir la complejidad inherente a la sincronización de instrumentos de alta velocidad, NI desarrolló un método patentado de sincronización, denominado NI-TClk, que simplifica enormemente la adición de instrumentos de alta velocidad y su mantenimiento sincronizado hasta una precisión de 1 ns lista para usar o decenas de ps con calibración manual.
La tecnología NI-TClk puede ayudarle de las siguientes maneras:
La tecnología flexible NI-TClk es aplicable a los siguientes casos de uso:
La tecnología NI-TClk ofrece mejoras en el rendimiento de sincronización de instrumentos modulares PXI desde el principio. Los componentes clave del software comprenden tres funciones LabVIEW VIs/C que no requieren establecer parámetros. Las arquitecturas NI-TClk pueden entregar dispositivos sincronizados con desfases de 1 ns entre cada dispositivo, en el peor de los casos. Los desfases típicos observados están en el rango de 200 ps a 500 ps. La calibración manual del reloj de muestreo en cada dispositivo puede reducir los desfases a menos de 30 ps entre dispositivos.
Figura 4: Funciones NI-TClk requeridas
En situaciones en las que la sincronización de dispositivos de alta velocidad y heterogénea debe ser altamente precisa, NI-TClk reduce una montaña de complejidad en solo tres VIs. Dentro de un solo chasis PXI, de hasta 18 ranuras, todos los dispositivos con capacidad NI-TClk pueden sincronizarse con esos tres VIs utilizando las características integradas del chasis NI PXI. Sin cables adicionales. Sin PLLs externos. Sin enrutado manual. Sin software especial. Todo se maneja automáticamente por NI-TClk. Ni el intercambio de modelos por otros modelos, ni el cambio de ranuras de los instrumentos, ni el cambio de las tasas de muestreo resultarán en tener que volver a trabajar este código de sincronización. NI-TClk se adapta automáticamente a todos esos cambios y permite al desarrollador de pruebas trabajar en la lógica de los pasos de prueba en lugar de resolver arquitecturas de activación complejas. Módulos y dispositivos compatibles con NI-TClk proporciona una lista completa de dispositivos de E/S compatibles con NI-TClk.
Si bien muchas funciones de sincronización y temporización de PXI Express están integradas en el chasis de PXI Express, algunas vienen a través de actualizaciones especiales del chasis, módulos o accesorios. Esta es una breve descripción de esas opciones:
Producto | Descripción general | Resumen técnico |
---|---|---|
Chasis PXI Express | La plataforma más flexible y capaz para construir complejos sistemas de pruebas y medidas | PXI_Clk10 integrado con precisión de 25 ppm, PXI_TRIG/PXI_STAR integrado, fácil activación y enrutado de reloj dentro del chasis, soporte de expansión de canal NI-DAQmx, soporte NI-TClk |
PXIe-1084 con acceso externo al disparo | Chasis con reloj integrado de entrada/salida | Características estándar del chasis PXIe, importación/exportación/conexión en serie de las líneas PXI_Clk10 y PXI_TRIG |
| Chasis con reloj integrado In/out | Características estándares del chasis PXIe, importación/exportación/conexión en serie de PXI_Clk10 |
PXIe-1092 con OCXO | Chasis con reloj integrado de entrada/salida y OCXO | <100 ppb-precisión PXI_CLK10, características estándar del chasis PXIe, importación/exportación/conexión en serie de líneas PXI_Clk10 y PXI_TRIG |
PXIe-1095 con OCXO | Chasis con reloj integrado de entrada/salida y OCXO | <100 ppb-precisión PXI_CLK10, características estándar del chasis PXIe, importación/exportación/conexión en serie de líneas PXI_Clk10 y PXI_TRIG |
PXIe-6674T | Módulo maestro de temporización de 1 ranura para la generación e importación/exportación de todas las señales de temporización PXI | <100 ppb-precisión PXI_CLK10, permite la importación/exportación de PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR/PXI_DSTAR para sincronización multichasis, generación de reloj DDS |
PXIe-6672 | Módulo maestro de temporización de 1 ranura para la generación e importación/exportación de la mayoría de las señales de temporización PXI | <5 ppm de precisión PXI_CLK10, permite la importación/exportación de PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR para sincronización multichasis, generación de reloj DDS |
PXIe-3352 | Módulo de fuente de reloj súper estable de 2 ranuras | 0.030 ppb-precisión reloj de rubidio de 10 MHz que se puede importar con un PXIe-1085/1092/1095/6674T/o 6672, oscilador disciplinado por GPS con retención de rubidio, PPS importación/exportación |
PXI-6683H | Interfaz de protocolo de sincronización de 1 ranura y módulo oscilador disciplinado por GPS | <5 ppm de precisión PXI_CLK10, oscilador disciplinado por GPS que se puede importar con un PXIe-1085/1092/1095/6674T/o 6672, posicionamiento GPS, importación/exportación PPS, soporte IRIG-B, cronómetro IEEE-1588 e IEEE 802.1AS (solo Linux) y estampa de tiempo que también puede anular el tiempo del sistema operativo |
CDA-2990 | Distribución del reloj y accesorio oscilador disciplinado por GPS | Oscilador disciplinario GPS 10 MHz, salida PPS, distribución de reloj de 1 a 8 |
cRIO-9805 | Conmutador Ethernet IEEE 802.1AS | 4 puertos |
Tabla 1: Productos PXI Express para mejorar la temporización y la sincronización