Introduction à l’architecture PXI

Les systèmes PXI fournissent des instruments modulaires de hautes performances et des modules d’E/S avec une synchronisation spécialisée et des fonctionnalités logicielles essentielles pour les applications de test et de mesure, de la validation du matériel au test automatisé en production.  Pour une meilleure compréhension du PXI, reportez-vous aux deux images de la Figure 1 qui comparent le châssis, le contrôleur et les modules périphériques PXI(e) d'un système PXI aux composants d'un PC de bureau du commerce. La clé est de comprendre comment le PXI s’appuie sur la technologie des PC du commerce et comment il correspond à celle-ci :

• Le châssis du PXI correspond au boîtier de l'ordinateur de bureau
• Le contrôleur PXI correspond au processeur, à la mémoire et aux E/S de l’ordinateur
• Les modules périphériques PXI(e) correspondent aux modules périphériques PCI(e) de l’ordinateur

^{Figure 1: Comparez un système PXI à un PC de bureau du commerce.}

Le PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) est une plate-forme basée sur PC éprouvée, destinée aux systèmes de mesure et d'automatisation. Il fournit l’alimentation, le refroidissement et un bus de communication pour prendre en charge plusieurs modules d’instrumentation dans le même boîtier. Le PXI utilise la technologie de bus PCI pour PC du commerce tout en combinant un boîtier modulaire CompactPCI durci, ainsi que des fonctions clés de cadencement et de synchronisation.

Le PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group) a considérablement amélioré la bande passante du système lorsque l'évolution du PCI avec la norme PCI Express a été publiée. La PXISA (PXI Systems Alliance), qui régit le PXI, a adopté la toute dernière génération de technologie de bus pour PC afin de faire évoluer le PXI vers le PXI Express. Le PXI Express conserve les fonctionnalités PXI pour assurer la rétrocompatibilité tout en fournissant davantage de bande passante, de puissance, de refroidissement, et de fonctionnalités de cadencement et de synchronisation, en plus des fonctionnalités PXI standard.

Le PXI et le PXI Express peuvent sembler complexes, avec tant de fonctionnalités, mais ces technologies ont un noyau commun : les bus de communication PC traditionnels. Les châssis PXI et PXI Express fournissent une architecture bien connue et familière pour les systèmes de mesure et d'automatisation des ingénieurs actuels.

Le PXI étant une spécification ouverte gérée par la PXISA, n'importe quel fournisseur peut construire des produits PXI. Pour vous expliquer plus en détails le système PXI, ce white paper met en évidence les spécifications définies par la PXISA et la façon dont elles sont implémentées sur le matériel PXI NI.

Les spécifications du matériel de la PXISA stipulent toutes les exigences de fonctionnalités relatives aux architectures mécaniques, électriques et logicielles. La spécification PXI Express est une implémentation des spécifications CompactPCI et CompactPCI Express. La Figure 2 montre comment les aspects mécaniques et électriques combinent les spécifications CompactPCI et CompactPCI Express avec des fonctionnalités PXI clés pour créer l’architecture globale. Les sections suivantes de ce document décomposent ces hiérarchies pour entrer dans chaque section plus en détail et expliquer comment elles s’appliquent spécifiquement au PXI.

^{Figure 2: Architecture globale du PXI}

L'architecture mécanique spécifie la compatibilité physique entre CompactPCI, CompactPCI Express, PXI et PXI Express. Par exemple, dans le cadre de l'architecture mécanique, le contrôleur système est défini comme étant dans l'emplacement le plus à gauche d'un châssis PXI afin de garantir qu'il se trouve à l'extrémité gauche du segment de bus PCI. Cela simplifie l'intégration et augmente le degré de compatibilité entre les options du châssis et du contrôleur avec cet emplacement défini.

Le contrôleur utilisé dans un système PXI peut être un PC externe ou un contrôleur embarqué. Ces contrôleurs embarqués comprennent des fonctionnalités standard telles qu’un processeur intégré, un disque dur, une mémoire, des périphériques Ethernet, vidéo, série, USB, ainsi que d’autres périphériques d’E/S. Vous pouvez développer une application dans un environnement Windows standard, c'est-à-dire le même système d'exploitation standard qu'un PC externe.

^{Figure 3: Les contrôleurs embarqués offrent une variété de connectivités d'E/S pour faire l’interface avec des instruments autonomes ou des périphériques.}

La spécification PXI adopte les connecteurs IEC hautes performances et le système d'emballage EuroCard durci utilisés par le CompactPCI et le CompactPCI Express.

^{Figure 4: Le NI PXI-8430 est doté d'un boîtier de type EuroCard et de connecteurs IEC hautes performances.}

Grâce à ce connecteur, l'instrument se connecte au reste du système et communique avec celui-ci via le bus du fond de panier ; par exemple, le bus PCI et PCI Express. Ces configurations de connecteurs maintiennent la rétrocompatibilité au fur et à mesure que les spécifications évoluent pour inclure les tout derniers bus de communication. Pour en savoir plus, consultez la section Architecture électrique.

^{Figure 5: Les spécifications définissent le connecteur utilisé pour la communication avec le châssis PXI.}

Les spécifications mécaniques du PXI incluent également des améliorations spécifiques au refroidissement et à l'environnement, au-delà du CompactPCI et du CompactPCI Express, afin de garantir un fonctionnement complet dans les environnements industriels.

^{Figure 6: Découvrez comment un châssis PXI répond aux exigences de refroidissement des spécifications.}

L'architecture électrique spécifie le respect des spécifications et des exigences d'alimentation PCI, PCI Express, CompactPCI et CompactPCI Express. Elle ajoute également des fonctionnalités spécifiques de cadencement et de synchronisation qui rendent la plate-forme PXI unique et adaptée aux mesures et aux tests hautes performances.

La principale caractéristique électrique d'un châssis PXI est le bus de communication. Au fur et à mesure de l'évolution du PCI vers le PCI Express, les spécifications ont également évolué pour garantir que le PXI puisse répondre aux besoins d'un plus grand nombre d'applications en intégrant le PCI Express dans le fond de panier du châssis PXI.

Pour les instruments d’ancienne génération, le PXI supporte la communication PCI : un bus 32 bits couramment utilisé pour transmettre et recevoir des données en parallèle. La bande passante ou débit maximum d'un instrument PCI est de 132 Mo/s. Comme les applications nécessitaient une bande passante plus élevée, le PCI Express a été défini de la façon suivante : les données sont envoyées en série via des paires de connexions de transmission et de réception, appelées lignes, qui donnent aux données une capacité de transfert de 250 Mo/s par direction. Cette connexion série est connue sous le nom de « lien » PCI Express Gen1 x1. Plusieurs lignes peuvent être regroupées pour former des liens x2, x4, x8, x16 et x32 afin d'augmenter la bande passante. Ces liens forment une connexion entre un contrôleur et un emplacement où un instrument est installé. Par exemple, un emplacement x16 peut transmettre et recevoir 4 Go/s (250 Mo/s x 16). Pour assurer la compatibilité avec les instruments PXI précédents et les nouveaux instruments PXI Express, les bus de communication PCI et PCI Express sont intégrés dans un châssis PXI. Au fur et à mesure que les spécifications PCI Express évoluent vers la prochaine génération, le PXI continuera à incorporer les nouvelles capacités dans un châssis PXI tout en maintenant la rétrocompatibilité.

^{Figure 7: Cet exemple de châssis NI PXIe-1085 met en évidence le routage des lignes PCI et PCI Express vers chaque emplacement en fonction du type de module accepté par l'emplacement.}

Parallèlement à l'évolution des bus de communication du châssis pour incorporer la toute dernière technologie PC, les modules périphériques PXI ont évolué du PXI au PXI Express pour tirer parti des capacités du bus de communication PCI Express. Pour assurer la compatibilité des modules PXI et PXI Express, la spécification PXI a ajouté l'emplacement hybride. Cet emplacement vous permet d'insérer des modules périphériques PXI ou PXI Express dans un châssis PXI. Un châssis PXI peut inclure les éléments suivants :

• Un emplacement système, qui accepte un contrôleur PXI Express embarqué ou déporté
• Des emplacements périphériques PXI, qui acceptent les modules PXI
• Des emplacements périphériques hybrides PXI Express, qui acceptent des modules périphériques PXI Express, des modules périphériques CompactPCI 32 bits et des modules périphériques PXI compatibles hybrides
• Un emplacement de cadencement système, qui accepte à la fois des modules périphériques PXI Express et des modules de cadencement système PXI Express

^{Figure 8: Types d'emplacements que vous pouvez trouver dans un châssis PXI}

Et pour finir, les spécifications définissent la technologie disponible via le fond de panier du châssis PXI.

^{Figure 9: Un châssis PXI intègre les derniers bus de communication tout en acheminant vers une variété d'options d'emplacements pour répondre aux exigences d'un module périphérique.}

En plus des bus de communication, les spécifications électriques définissent également les capacités de cadencement et de synchronisation. Elles comprennent notamment la définition de l'horloge système PXI 10 MHz, qui est distribuée à tous les modules périphériques d'un système. Cette horloge de référence commune peut être utilisée pour synchroniser plusieurs modules dans un système de mesure ou de contrôle. En plus des fonctionnalités d’horloge, le PXI offre des capacités de déclenchement telles qu'un bus de déclenchement multipoint et un réseau de déclenchement en étoile à longueur de trace correspondante. Huit lignes de déclenchement PXI forment le bus de déclenchement PXI, qui est flexible et peut être utilisé de différentes manières. Par exemple, les déclenchements peuvent être utilisés pour synchroniser le fonctionnement de plusieurs modules périphériques PXI.

^{Figure 10: Le diagramme de connectivité du bus de déclenchement PXI du châssis NI PXIe-1085 montre comment transmettre des déclenchements aux modules périphériques PXI.}

Pour les applications qui nécessitent des performances plus élevées, les spécifications définissent le réseau de déclenchement en étoile PXI, ce qui ajoute un ensemble de fonctionnalités de synchronisation plus performantes au système PXI. Le réseau de déclenchement en étoile implémente une ligne de déclenchement dédiée entre l'emplacement de cadencement du système (indiqué par un symbole en forme de losange ou carré entourant le numéro de l'emplacement, respectivement PXI et PXI Express) et les autres emplacements périphériques. Un module de cadencement et de synchronisation (un contrôleur de déclenchement en étoile) est installé dans cet emplacement pour fournir des horloges et des signaux de déclenchement précis aux autres modules périphériques. Il peut également outrepasser la précision VCXO embarquée du châssis PXI avec son horloge embarquée (TCXO, OCXO), dérivée (DDS) ou externe (source rubidium) pour définir l'horloge de référence du système haute fréquence du châssis, les horloges 10 MHz et 100 MHz.

^{Figure 11: Le châssis NI PXIe-1085 utilise ce diagramme de connectivité en étoile pour garantir que les délais de propagation s’équivalent pour chaque emplacement.}

Vous pouvez voir ci-dessous comment le bus de déclenchement PXI et le réseau de déclenchement en étoile PXI sont acheminés entre les emplacements. Pour assurer la compatibilité entre toutes ces fonctionnalités, le SYNC 100 a été introduit pour synchroniser les horloges 10 MHz et 100 MHz dans un même châssis.

^{Figure 12: Choisissez la configuration la plus appropriée pour vous assurer que les capacités de cadencement et de synchronisation répondent aux besoins de votre application.}

Les spécifications logicielles PXI définissent l'architecture logicielle, un élément clé de la plate-forme PXI. Comme le PXI est basé sur un paradigme d'instrumentation définie par logiciel, le PXI n'inclut pas nativement de fonctionnalités directement accessibles à l'utilisateur, telles qu'un écran d'affichage, des boutons rotatifs et des boutons poussoirs, sur le matériel. Toutes les fonctionnalités accessibles à l'utilisateur sont dans le logiciel. Les frameworks logiciels définissent les exigences logicielles du système PXI pour les modules du contrôleur système et les modules périphériques PXI. Les modules du contrôleur système et les modules périphériques PXI doivent répondre à certaines exigences de support du système d'exploitation et des outils pour être considérés comme conformes à un framework logiciel PXI donné.

^{Figure 13: Architecture logicielle PXI}

Les spécifications PXI présentent des frameworks logiciels pour systèmes PXI basés sur des systèmes d'exploitation Microsoft Windows. Par conséquent, le contrôleur peut utiliser des interfaces de programmation d'applications standard, telles que NI LabVIEW, NI Measurement Studio, Visual Basic, Visual C/C++ et Python. Le PXI nécessite également que certains composants logiciels soient mis à disposition par les fournisseurs de modules et de châssis. Les fichiers d'initialisation qui définissent la configuration système et les capacités du système sont nécessaires pour les composants PXI. Enfin, l'implémentation de VISA, qui a été largement adoptée dans le domaine de l'instrumentation, est spécifiée par le PXI pour la configuration et le contrôle de l'instrumentation VXI, GPIB, série et PXI.

^{Figure 14: Ce diagramme montre l'architecture PXI complète lorsque l'on considère le rôle du logiciel.}

Prenons un cas d'utilisation simple pour un système PXI : la génération d'un signal à l'aide d'un module PXI tel que le NI PXIe-5433. Vous utilisez un contrôleur sous Windows et écrivez un programme en utilisant le logiciel LabVIEW. LabVIEW communique avec l'instrument via le driver d'instruments. Measurement & Automation Explorer (MAX) est utilisé pour garantir que le système est configuré pour cette communication.

^{Figure 15: Configuration du matériel et exemple d'environnement logiciel}

Pour démarrer la communication, vous exécutez un programme écrit dans LabVIEW. Le programme LabVIEW exécute une séquence d'opérations qui ont lieu en arrière-plan. Voici comment les différentes étapes de communication se déroulent :

Étape 1 : LabVIEW est en cours d’exécution sur un contrôleur système PXI

Le code de l'application est compilé et converti en code au niveau de la machine.

Étape 2 : Le contrôleur du système PXI transmet l'ensemble des commandes écrites dans LabVIEW à l'instrument placé dans un emplacement périphérique PXI

Dans la mémoire et le processeur du contrôleur du système PXI, le code au niveau de la machine est converti en signaux électriques et transmis par le bus de communication PCI ou PCI Express. Dans cet exemple, c'est la communication PCI Express qui se transmet par le fond de panier du châssis PXI connectant le contrôleur système à l'instrument périphérique.

Étape 3 : Les commandes sont transmises via le bus de communication sur le fond de panier du châssis

Le signal se propage via le bus de communication PCI Express jusqu'à l'emplacement PXI où l'instrument est installé.

Étape 4 : Le code est transmis à l'instrument.

Le module PXI lit les commandes envoyées. Dans cet exemple, le NI PXIe-5433 génère un signal de sorte que l'instrument lise le signal en utilisant les circuits sur le module pour effectuer l'action requise et générer un signal et le transmettre au connecteur à l'avant du module.

La Figure 16 montre comment la communication est transmise du contrôleur à l'emplacement réel.

^{Figure 16: Exemple de propagation du signal via le fond de panier}

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• Pour voir un exemple d'initiation à l'utilisation d'un matériel d'acquisition de données NI PXI Express, consultez la page Getting Started with PXI Express Multifunction I/O Hardware and LabVIEW.