Avantages de la conception de cadencement et synchronisation NI PXI

Contenu

Vue d’ensemble

Le cadencement et la synchronisation font partie intégrante des systèmes de mesure et de contrôle. Nous étudierons des stratégies communes pour obtenir un cadencement et une synchronisation performants. Nous verrons comment NI PXI fournit des avantages matériels et logiciels précieux pour faciliter la conception de systèmes flexibles capables de répondre aux exigences actuelles de cadencement et de synchronisation.

​Le matériel NI PXI Express est la solution de référence de l’industrie pour construire des systèmes flexibles, multicanaux et multi-instruments, et cela est particulièrement évident dans les capacités de gestion du temps et de synchronisation. La génération d’horloges de haute qualité, ainsi que le partage d’horloges d’échantillonnage, de bases de temps et de déclencheurs à faible décalage, sont essentiels pour de nombreuses mesures et applications.  

​La qualité de l’horloge impacte directement les facteurs suivants :

  • Le bruit de la mesure (%)
  • ​La distorsion
  • La précision de fréquence

​Une synchronisation précise grâce à des horloges, des bases de temps et des déclencheurs partagés est nécessaire pour les objectifs suivants :

  • Optimisation des temps de test
  • Alignement des stimuli et des réponses
  • Combinaison des différents instruments pour effectuer des mesures composites
  • ​Construction de systèmes d’acquisition à grande échelle
  • ​Agrégation de données provenant de différentes sources  

​Bien que la complexité de la gestion du temps et de la synchronisation dans les systèmes puisse souvent augmenter de manière exponentielle avec la taille et la diversité du système, la plateforme NI PXI Express dispose de nombreuses fonctionnalités intégrées qui facilitent la synchronisation des différentes ES variées entre elles au sein d’un même châssis PXI Express, pour un niveau de performance élevé. Avec un éventail de matériel de cadencement et de synchronisation PXI Express utilisé en tant que compléments, vous pouvez étendre la synchronisation pour construire des instruments multi-châssis et interfacer avec des protocoles de cadencement standardisés, même à grande échelle.  

​Les fonctionnalités intégrées des châssis et contrôleurs PXI Express ont de nombreuses applications :

  • Routage et partage d’horloges d’échantillonnage et de déclenchements entre appareils d’E/S PXI Express
    • Comprend des voies PXI_STAR à longueur égale pour le fond de panier, pour un décalage et un retard faibles.
    • Synchronisation inférieure à 1 ns pour les appareils compatibles NI-TClk
  • Données et événements d’horodatage
  • Profitez de la simplicité d’utilisation offerte par les API haut niveau NI-TClk et NI-DAQmx, qui établissent automatiquement et dynamiquement les connexions nécessaires pour les horloges et les déclencheurs via le fond de panier.
  • Accédez et établissez manuellement vos propres routages lorsque vous avez besoin d’un contrôle bas niveau

​Pour un niveau de précision ou d’extensibilité supérieur, vous pouvez améliorer votre système PXI Express avec des mises à niveau de cadencement et de synchronisation afin de réaliser les tâches suivantes :

  • Importer et exporter des horloges et des déclenchements
  • ​Utiliser les meilleures routages de déclenchements différentiels appariés (DSTAR)
  • ​Interfaçer avec les protocoles et normes de synchronisation courants tels que GPS, IEEE 1588, IEEE 802.1AS, IRIG-B, Automotive Ethernet et EtherCAT.
  • ​Générer des horloges de référence à oscillateur à quartz thermostaté ou rubidium
  • ​Générer des horloges à fréquence arbitraire haute précision
  • Étendre les fonctionnalités de synchronisation entre les châssis

​Cadencement et synchronisation pour châssis PXI Express

​Alors que la première génération de PXI représentait une avancée majeure dans la standardisation des conceptions de systèmes complexes et flexibles, PXI Express, dernière évolution de la plateforme PXI, offre un niveau de synchronisation encore plus élevé pour les appareils d’E/S de mesures, tout en restant rétrocompatible avec PXI Gen 1. PXI Express conserve l’horloge de fond de panier de 10 MHz ainsi que le bus de déclenchement PXI asymétrique et le signal de déclenchement PXI Star à longueur appariée définis par la spécification PXI d’origine. PXI Express ajoute également une horloge différentielle de 100 MHz et des déclencheurs différentiels Star au fond de panier, offrant ainsi une meilleure immunité au bruit et une précision de synchronisation de pointe (avec respectivement 100 ps et 150 ps de décalage entre modules). L’horloge de 100 MHz à fréquence plus élevée est particulièrement utile pour réduire le bruit de phase des appareils à taux d’échantillonnage élevé, tels que les oscilloscopes, qui ajustent leur horloge d’échantillonnage en fonction de l’horloge du fond de panier. Ces signaux d’horloge et de déclencheurs (PXI_CLK10, PXI_TRIG, PXI_STAR et PXI_DSTARA/B/C) peuvent être importés et exportés vers d’autres châssis PXIe et périphériques tiers à l’aide d’appareils de cadencement NI PXI Express, capables de contrôler l’emplacement de synchronisation du système PXI Express. De plus, les systèmes PXI Express peuvent synchroniser leurs signaux d’horloge et de déclencheurs avec des protocoles sensibles au temps tels que IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS, IRIG-B et PPS grâce à des interfaces NI spécifiques aux protocoles temporels. Pour plus de détails et pour obtenir la liste des modules NI pris en charge, voir le tableau 1 plus bas.

Figure 1 : Fonctionnalités de cadencement et de synchronisation du châssis PXIe

​Le bruit de phase et la stabilité des horloges de référence du système de fond de panier sont des caractéristiques importantes du châssis PXI, car ils indiquent la fiabilité avec laquelle vous pouvez synchroniser les modules au sein du système. Grâce au choix des composants et à la conception du fond de panier de NI PXI Express, l’horloge système différentielle de 100 MHz sur châssis à 18 emplacements propose des performances de premier ordre en termes de bruit de phase, surpassant celles des autres châssis disponibles sur le marché.

​Vous pouvez verrouiller en boucle de phase (PLL) les horloges de référence système de 10 MHz et 100 MHz sur une source d’horloge à plus grande stabilité que celle fournie sur le fond de panier. Cela permet aux modules PXI à taux d’échantillonnage élevé de mieux aligner leurs échantillons sur plusieurs instruments. Le circuit PLL du châssis NI PXI permet de supprimer davantage de bruit lorsqu’il est verrouillé sur une référence externe, ce qui permet une transmission plus propre de la source d’horloge à plus grande stabilité. Avec les châssis d’autres fournisseurs, en fonction du bruit de phase de la source d’horloge système requis par l’application, vous devrez peut-être verrouiller l’horloge de référence externe à chaque module individuellement, plutôt qu’au niveau du système sur le fond de panier du châssis, ce qui entraîne une augmentation de la complexité et du coût du système.

Synchronisation basée sur le temps et les signaux

​Les fonctionnalités de cadencement et de synchronisation de NI PXI Express fonctionnent avec deux types d’architectures de synchronisation : l’une est basée sur les signaux et l’autre sur le temps. Vous disposez donc d’un niveau de flexibilité et de personnalisation nécessaire lors du développement d’applications nécessitant différents niveaux de performance.

Figure 2 : Performances de l’architecture de synchronisation basée sur le temps et les signaux

​Avec une architecture de synchronisation et cadencement basée sur les signaux de NI PXI Express, les horloges et les déclencheurs sont physiquement connectés entre les modules et les châssis. Cela génère produit la plus haute précision de synchronisation. Cependant, avec des distances de câblage reliant des sous-systèmes supérieures à une certaine limite (environ 200 m), cette performance devient inatteignable en raison du décalage d’horloge et du bruit.

​Si la distance requise entre les châssis synchronisés est trop grande pour que les câbles transmettent de manière fiable les signaux d’horloge et de déclenchement, il convient d’utiliser une architecture de synchronisation basée sur le temps. La synchronisation basée sur le temps peut également être un aspect important de l’intégration avec d’autres systèmes ou DUT qui utilisent des protocoles temporels. La solution de cadencement et de synchronisation NI PXI Express vous permet d’utiliser des protocoles de référence de temps absolu tels que IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS et IRIG-B pour obtenir une synchronisation sur de grandes distances.

Options d’oscillateur

​Aucun oscillateur ne génère parfaitement la fréquence spécifiée. L’erreur d’horloge est couramment décrite par trois critères principaux : la précision absolue, la stabilité à long terme et le jitter. Bien que la synchronisation entre appareils permet d’éliminer la stabilité à long terme en tant que source d’erreur pour les composants d’un système, et bien que les PLL contribuent à réduire le jitter lors du partage des horloges, il est impossible d’améliorer la précision de l’horloge sans disposer d’un meilleur modèle. Si la précision de l’horloge importe, une source de haute qualité est nécessaire.  

​La source d’horloge du châssis NI PXI Express est un oscillateur précis à 25 parties par million (ppm). En insérant un module de cadencement et de synchronisation NI PXI, tel que le PXIe-6674T avec un oscillateur à cristal contrôlé par four (OCXO) de plus grande précision et stabilité, dans l’emplacement de cadencement du système du châssis, vous pouvez verrouiller l’horloge de référence du fond de panier sur une source de fréquence d’oscillateur précise à 50 parties par milliard (ppb), ou importer une source d’horloge externe. Dans des cas particuliers où 50 ppb ne suffit pas pour la stabilité à long terme (comme les systèmes fonctionnant hors ligne pendant plusieurs jours mais devant corréler le temps avec d’autres systèmes et appareils auxquels ils ne sont pas connectés), le PXIe-6674T peut être combiné avec une source d’horloge à rubidium de qualité supérieure, comme le PXIe-3352, ou avec un oscillateur contrôlé par GPS (GPSDO) tel que le PXI-6683H, le PXIe-3352 ou le CDA-2990.

Figure 3 : NI PXIe-6674T — Module de cadencement et de synchronisation PXI le plus performant du marché avec OCXO

​Les modules de synchronisation et de cadencement NI PXI peuvent réduire le taux d’erreur global de l’horloge système en générant et en partageant une source d’horloge de précision entre plusieurs appareils PXI.  

​Synchronisation facilitée grâce aux API de pilotes NI

​Les déclencheurs et horloges de synchronisation PXI sont configurables à bas niveau via les drivers d’instruments NI d’E/S, mais aussi via le driver NI-Sync, qui expose toutes les fonctionnalités de cadencement du châssis pour une utilisation directe par les appareils d’E/S. L’aliasing intelligent des signaux facilite et rend plus flexible la configuration de routages dynamiques pour les déclenchements qui dépendent du nom de l’appareil plutôt que du numéro d’emplacement, ce qui simplifie la migration d’une application vers un autre châssis ou un ensemble d’instruments légèrement modifié. En raison de sa modularité, le matériel NI PXI Express est parfaitement adapté aux conceptions de systèmes soumis à des exigences évolutives et aux substitutions d’appareils de dernière minute, car le travail complexe de l’architecture de synchronisation et du routage peut généralement être effectué de manière programmatique.

​Pour plus d’informations sur la synchronisation dans les drivers d’instruments NI d’E/S, consultez la section Fonctionnalités de synchronisation et cadencement de NI-DAQmx.

​Extension de canal NI-DAQmx

​NI a amélioré le pilote NI-DAQmx avec une approche innovante pour configurer plusieurs modules DAQ en vue de leur synchronisation. Une seule tâche multi-appareils permet de programmer un châssis complet embarquant presque tous les types de modules DAQ. Grâce aux tâches multi-appareils, vous pouvez faire évoluer votre application de un à 544 canaux en utilisant le même code DAQmx. Vous pouvez également utiliser une seule tâche DAQmx pour synchroniser automatiquement des canaux sur plusieurs cartes avec différents types de mesure.  

​Pour en savoir plus sur l’extension de canal DAQmx dans PXI Express, reportez-vous à :  

Tâches sur plusieurs périphériques DSA, SC Express et de la série X 
Synchronisation des modules PXI Express avec NI-DAQmx

​NI-TClk

​Pour les applications nécessitant la synchronisation d’instruments modulaires PXI à haute vitesse, la distribution des horloges et des déclencheurs nécessaires pour atteindre cette synchronisation peut être complexe en raison des latences et des incertitudes de cadencement causées par le décalage et le jitter. La complexité est encore accrue lorsqu’il s’agit de synchroniser des instruments hétérogènes fonctionnant à des taux d’échantillonnage différents.

​Dans de tels cas, la synchronisation précise implique souvent de partager une horloge de référence à faible décalage entre tous les instruments, d’utiliser des boucles à verrouillage de phase (PLL) et des multiplicateurs attachés à cette horloge de référence pour générer l’horloge d’échantillonnage unique de chaque appareil, et de distribuer un déclencheur à faible décalage vers tous les instruments, ainsi qu’un mécanisme de compensation de délai temporel à réglages fins et une méthode de mesure d’étalonnage servant de base aux ajustements. Si cette approche est complexe à réaliser tant au niveau matériel qu’au niveau des implémentations logicielles, elle également fragile, car un simple changement de modèle d’instrument peut impliquer la révision de toute l’architecture et de recommencer tout l’étalonnage.  

​NI PXI est la meilleure solution pour concevoir des systèmes d’E/S mixtes, flexibles, haute vitesse et extensibles. Pour réduire la complexité inhérente à la synchronisation des instruments haute vitesse, NI a développé une méthode brevetée de synchronisation, appelée NI-TClk, qui simplifie considérablement l’ajout de nouveaux instruments haute vitesse tout en maintenant leur synchronisation avec une précision pouvant immédiatement atteindre 1 ns, ou quelques dizaines de ps avec un étalonnage manuel.  

​La technologie NI-TClk peut vous aider pour les opérations suivantes :

  • ​Aligner les horloges d’échantillonnage qui ne sont pas nécessairement synchronisées initialement, malgré leur verrouillage de phase sur l’horloge de référence de 10 MHz
  • ​Activer le déclenchement précis d’appareils synchronisés

​La technologie NI-TClk flexible s’applique aux cas d’utilisation suivants :

  • ​Synchronisation d’instruments modulaires haute vitesse avec une horloge d’échantillonnage ou une horloge de référence
  • ​Extension de la synchronisation d’un seul châssis PXI vers plusieurs châssis PXI afin de répondre aux systèmes à grand nombre de voies utilisant un module de cadencement système
  • ​Synchronisation homogène et hétérogène : périphériques fonctionnant à des fréquences d’échantillonnage identiques ou différentes à l’aide d’horloges d’échantillonnage internes ou externes

​La technologie NI-TClk permet d’améliorer les performances de synchronisation des instruments modulaires PXI dès le départ. Les principaux composants logiciels comprennent trois fonctions LabVIEW VIs/C qui ne requièrent aucune définition de paramètre. Les architectures NI-TClk permettent de synchroniser des apareils avec des décalages de 1 ns max. entre eux. Généralement, les décalages observés se situent entre 200 et 500 ps. L’étalonnage manuel de l’horloge d’échantillonnage sur chaque appareil peut réduire les décalages à moins de 30 ps entre eux.

Figure 4 : Fonctions NI-TClk requises

Dans les situations où la synchronisation haute vitesse et hétérogène des périphériques doit être d’une grande précision, NI-TClk réduit une montagne de complexité en seulement trois VIs. Dans un seul châssis PXI, pouvant inclure jusqu’à 18 emplacements, tous les appareils compatibles NI-TClk peuvent se synchroniser grâce à ces trois VI à l’aide des fonctionnalités intégrées du châssis NI PXI. Pas de câbles supplémentaires. Pas de PLL externes. Pas de routage manuel. Aucun logiciel spécial. NI-TClk gère tout cela automatiquement. Inutile de réajuster le code de synchronisation, même si vous changez de modèles, les emplacements d’instruments, ou modifiez les taux d’échantillonnage NI-TClk s’adapte automatiquement à toutes ces modifications et permet au développeur de se concentrer sur la logique des étapes du test plutôt que sur la résolution d’architectures de déclenchement complexes. La section Modules et appareils NI pris en charge par NI-TClk fournit une liste complète des appareils d’E/S prenant en charge NI-TClk.

Produits NI PXI Express améliorant le cadencement et la synchronisation

Bien que de nombreuses fonctionnalités PXI Express de synchronisation et de cadencement soient intégrées au châssis PXI Express, certaines sont disponibles via des mises à niveau spécifiques du châssis, des modules ou des accessoires. Voici un aperçu rapide de ces possibilités :

ProduitVue d’ensembleRésumé technique
Châssis PXI Express

La plateforme la plus flexible et la plus performante pour construire des systèmes de test et de mesure complexesPrécision de 25 ppm pour le PXI_Clk10 intégré, PXI_TRIG/PXI_STAR embarqués, routage facile des déclencheurs et des horloges à l’intérieur du châssis, support de l’expansion des canaux NI-DAQmx, support NI-TClk.
PXIe-1084 avec accès de déclenchement externe

Châssis avec entrée/sortie d’horloge intégréeCaractéristiques standard du châssis PXIe, import/export/daisy-chain des lignes PXI_Clk10 et PXI_TRIG

PXIe-1085

Châssis avec entrée/sortie d’horloge intégréeCaractéristiques standard du châssis PXIe, import/export/daisy-chain des lignes PXI_Clk10
PXIe-1092 avec OCXO

Châssis avec entrée/sortie d’horloge intégrée et oscillateur OCXOPXI_CLK10 haute précision <100 ppb, caractéristiques standard du châssis PXIe, import/export/daisy-chain des lignes PXI_CLK10 et PXI_TRIG
PXIe-1095 avec OCXO

Châssis avec entrée/sortie d’horloge intégrée et oscillateur OCXOPXI_CLK10 haute précision <100 ppb, caractéristiques standard du châssis PXIe, import/export/daisy-chain des lignes PXI_CLK10 et PXI_TRIG
PXIe-6674T

Module maître de cadencement à 1 emplacement pour la génération et l’import/export de tous les signaux de cadencement PXIPXI_CLK10 haute précision <100 ppb, permet l’importation/exportation de PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR/PXI_DSTAR pour la synchronisation multi-châssis, génération d’horloge DDS
PXIe-6672

Module maître de cadencement à 1 emplacement pour la génération et l’import/export de la majorité des signaux de cadencement PXIPXI_CLK10 haute précision <5 ppm, permet l’importation/exportation de PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR pour la synchronisation multi-châssis, génération d’horloge DDS
PXIe-3352

Module de source d’horloge super stable à 2 emplacementsHorloge rubidium de 10 MHz avec une précision de 0,030 ppb, peut être importée avec un PXIe-1085/1092/1095/6674T ou 6672, oscillateur contrôlé par GPS avec maintien rubidium, import/export PPS
PXI-6683H

Interface de protocole de cadencement à 1 emplacement et module oscillateur contrôlé par GPSPXI_CLK10 avec précision <5 ppm, oscillateur contrôlé par GPS pouvant être importé avec un PXIe-1085/1092/1095/6674T ou 6672, positionnement GPS, import/export PPS, support IRIG-B, horloge et horodatage IEEE-1588 et IEEE 802.1AS (Linux uniquement) pouvant également remplacer l’heure du système d’exploitation.
CDA-2990

Distribution d’horloge et accessoire d’oscillateur contrôlé par GPSOscillateur contrôlé par GPS de 10  MHz, sortie PPS, distribution d’horloge de 1 à 8.
cRIO-9805

Commutateur Ethernet IEEE 802.1AS4 ports

 

Tableau 1 : Produits PXI Express améliorant le cadencement et la synchronisation