Introducción a la arquitectura PXI

Los sistemas PXI proporcionan instrumentos modulares de alto rendimiento y otros módulos de E/S con sincronización especializada y características clave de software para aplicaciones de pruebas y medidas desde validación de dispositivos hasta pruebas automatizadas de producción.  Para una amplia comprensión de PXI, vea las dos imágenes de la Figura 1 que comparan un chasis del sistema PXI, controlador y módulos periféricos PXI(e) con componentes de una PC de escritorio comercial. La clave es comprender cómo PXI se basa en tecnología de PC comercial:

• El chasis PXI se compara con la cubierta de la PC de escritorio
• El controlador PXI se compara con el CPU, memoria y E/S de la PC de escritorio
• Los módulos periféricos PXI(e) se comparan con los módulos periféricos PCI(e) de la PC de escritorio

^{Figura 1: Comparación de un sistema PXI con una PC de escritorio comercial.}

PXI (PCI eXtensions para instrumentación) es una plataforma comprobada y basada en PC para sistemas de medidas y automatización. Proporciona potencia, enfriamiento y un bus de comunicación para soportar múltiples módulos de instrumentación dentro de la misma cubierta. PXI utiliza tecnología comercial de bus PCI basada en PC y combina el paquete CompactPCI modular y robusto, así como las características clave de temporización y sincronización.

El PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group) mejoró significativamente el ancho de banda del sistema cuando lanzaron la evolución de PCI con el estándar PCI Express. El PXI Systems Alliance (PXISA), el cual regula PXI, adoptó la última generación de tecnología comercial de PC para evolucionar PXI a PXI Express. PXI Express mantiene las características de PXI para garantizar la retrocompatibilidad, proporcionando más ancho de banda, potencia, enfriamiento y características de temporización y sincronización, además de las características PXI estándares.

PXI y PXI Express pueden parecer complejos con tantas características, sin embargo, estas tecnologías tienen un núcleo común: buses de comunicación de la PC principal. Los chasis PXI y PXI Express proporcionan una arquitectura conocida y familiar para el sistema de medidas y automatización del ingeniero de hoy en día.

Debido a que PXI es una especificación abierta que es administrada por el PXISA, cualquier proveedor puede construir productos PXI. Para ayudar a explicar los detalles de bajo nivel de un sistema PXI, esta nota técnica describe la especificación definida por el PXISA y cómo se implementa en hardware NI PXI.

La especificación de hardware PXISA estipula todos los requisitos pertinentes a las arquitecturas mecánicas, eléctricas y de software. La especificación PXI Express es una implementación de las especificaciones CompactPCI y CompactPCI Express. La Figura 2 muestra cómo los aspectos mecánicos y eléctricos combinan las especificaciones CompactPCI y CompactPCI Express con las características clave de PXI para crear la arquitectura general. Las siguientes secciones de este documento desglosan estas jerarquías para entrar en más detalle en cada sección y explicar cómo aplican específicamente a PXI.

^{Figura 2: Arquitectura general PXI}

La arquitectura mecánica especifica la compatibilidad física entre CompactPCI, CompactPCI Express, PXI y PXI Express. Por ejemplo, a través de la arquitectura mecánica, el controlador del sistema se define para estar en la ranura del extremo izquierdo de un chasis PXI para garantizar que está en el extremo izquierdo del segmento del bus PCI. Simplifica la integración y aumenta el grado de compatibilidad entre el chasis y las opciones de controlador con esta ubicación definida.

El controlador utilizado en un sistema PXI podría ser una PC externa o un controlador embebido. Los controladores embebidos incluyen características estándares como un CPU integrado, disco duro, memoria, Ethernet, video, serial, USB y otras I/O periféricas. Usted puede desarrollar una aplicación dentro de un entorno Windows estándar—el mismo SO estándar como una PC externa.

^{Figura 3: Los controladores embebidos tienen una variedad de conectividad de E/S para conectar con instrumentos autónomos o dispositivos periféricos.}

La especificación PXI adopta los conectores IEC de alto rendimiento y el paquete robusto EuroCard utilizados por CompactPCI y CompactPCI Express.

^{Figura 4: El NI PXI-8430 cuenta con un paquete como EuroCard y conectores IEC de alto rendimiento.}

A través de este conector el instrumento se conecta y se comunica con el resto del sistema vía el bus del plano trasero; por ejemplo, el bus PCI y PCI Express. Estas configuraciones del conector mantienen retrocompatibilidad conforme la especificación evoluciona para incluir los últimos buses de comunicación. Más sobre esto en la sección de eléctrica.

^{Figura 5: Las especificaciones definen al conector que se usa para la comunicación con el chasis PXI.}

La especificación mecánica de PXI también incluye mejoras específicas de enfriamiento y ambientales, más allá de CompactPCI y CompactPCI Express para garantizar la plena operación en entornos industriales.

^{Figura 6: Vea cómo un chasis PXI cumple con los requisitos de enfriamiento de la especificación.}

La arquitectura eléctrica especifica el cumplimiento de las especificaciones de PCI, PCI Express, CompactPCI y CompactPCI Express y requisitos de potencia. También añade características específicas de temporización y sincronización que hacen a la plataforma PXI única e ideal para pruebas y medidas de alto rendimiento.

La característica eléctrica principal de un chasis PXI es el bus de comunicación. Conforme PCI evolucionó a PCI Express, la especificación también evolucionó para garantizar que PXI pueda satisfacer aún más necesidades de aplicación al integrar PCI Express en el plano trasero del chasis PXI.

Para instrumentos legado, PXI soporta comunicación PCI—un bus de 32 bits usado comúnmente para transmitir y recibir datos en paralelo. El máximo ancho de banda o rendimiento de un instrumento PCI es 132 MB/s. Conforme las aplicaciones requirieron mayor ancho de banda, PCI Express fue definido donde los datos son enviados de manera serial a través de pares de conexiones de transmisión y recepción llamadas líneas, la cuales permiten la transferencia de datos a 250 MB/s por dirección. Esta conexión serial es conocida como un "enlace" PCI Express Gen1 x1 (por uno). Se pueden agrupar múltiples líneas para formar enlaces x2, x4, x8, x16 y x32 para incrementar el ancho de banda. Estos enlaces forman una conexión entre un controlador y una ranura en la que se asienta un instrumento. Por ejemplo, una ranura x16 podría transmitir y recibir 4 GB/s (250 MB/s * 16). Para garantizar la compatibilidad con instrumentos PXI anteriores y nuevos instrumentos PXI Express, los buses de comunicación PCI y PCI Express son incorporados en un chasis PXI. Conforme la especificación PCI Express evoluciona a la próxima generación, PXI continuará incorporando las nuevas capacidades en un chasis PXI, manteniendo la retrocompatibilidad.

^{Figura 7: Este ejemplo del chasis NI PXIe-1085 describe las líneas PCI y PCI Express enrutadas a cada ranura, dependiendo del tipo de módulo que acepta la ranura.}

Además de la evolución de los buses de comunicación del chasis para incorporar la última tecnología para PC, los módulos periféricos PXI han evolucionado de PXI a PXI Express para aprovechar las capacidades del bus de comunicación PCI Express. Para garantizar la compatibilidad entre módulos PXI y PXI Express, la especificación PXI añadió la ranura híbrida. Esta ranura le brinda la habilidad de insertar módulos periféricos PXI o PXI Express en el chasis PXI. Un chasis PXI puede incluir lo siguiente:

• Una ranura del sistema, que acepta un controlador PXI Express embebido o remoto
• Ranuras PXI periféricas, que aceptan módulos PXI
• Ranuras PXI Express periféricas híbridas, que aceptan módulos PXI Express periféricos, módulos CompactPCI periféricos de 32 bits y módulos periféricos híbridos compatibles con PXI.
• Una ranura para temporización del sistema, que acepta módulos PXI Express periféricos y módulos PXI Express para temporización del sistema

^{Figura 8: Tipos de ranuras que usted puede encontrar en un chasis PXI}

En resumen, la especificación define la tecnología que está disponible a través del plano trasero del chasis PXI.

^{Figura 9: Un chasis PXI incorpora los últimos buses de comunicación, enrutando a una variedad de opciones de ranuras para cumplir con los requisitos de un módulo periférico.}

Además de los buses de comunicación, la especificación eléctrica también define las capacidades de temporización y sincronización. Incluye la definición del reloj del sistema PXI de 10 MHz, el cual es distribuido a todos los módulos periféricos en un sistema. Este reloj de referencia común puede ser usado para sincronizar múltiples módulos en un sistema de medidas o control. Además de la sincronización están las capacidades de disparo de PXI como un bus de disparo de multipunto y una red de disparo en estrella de longitud de traza compatible. Ocho líneas de disparo PXI forman el bus de disparo PXI, que es flexible y se puede usar de varias maneras. Por ejemplo, los disparos se pueden usar para sincronizar la operación de varios módulos periféricos PXI.

^{Figura 10: El diagrama de conectividad del bus de disparo PXI del chasis NI PXIe-1085 muestra cómo pasar disparos a los módulos periféricos PXI.}

Para aplicaciones que requieren mayor rendimiento, la especificación define la red de disparo en estrella PXI, lo que añade al sistema PXI un juego de funciones de sincronización de mayor rendimiento. La red de disparo en estrella implementa una línea de disparo dedicada entre la ranura de temporización del sistema (denotado por un ícono cuadrado o diamante que rodea al número de ranura, PXI y PXI Express, respectivamente) y las otras ranuras periféricas. Un módulo de temporización y sincronización—un controlador de disparo en estrella—es instalado en esta ranura para proporcionar señales de disparo y relojes precisos a otros módulos periféricos. También puede anular la precisión VCXO interna del chasis PXI con su reloj interno (TCXO, OCXO), derivado (DDS) o externo (fuente de rubidio) para definir el reloj de referencia del sistema de alta frecuencia, relojes de 10 MHz y 100 MHz.

^{Figura 11: El chasis NI PXIe-1085 utiliza este diagrama de conectividad en estrella para garantizar que el retraso de propagación coincida entre las ranuras.}

A continuación, puede ver cómo el bus de disparo PXI y la red de disparos en estrella PXI son enrutados entre las ranuras. Para garantizar la compatibilidad entre todas estas características, se introdujo el SYNC 100 para sincronizar los relojes de 10 MHz y 100 MHz en un chasis.

^{Figura 12: Elija la configuración más adecuada para garantizar las capacidades de temporización y sincronización que cumplen con sus necesidades de aplicación.}

La especificación del software PXI define la arquitectura del software, un elemento clave de la plataforma PXI. Debido a que PXI se basa en un paradigma de instrumentación definido por software, PXI no incluyen de manera original características disponibles para el usuario directamente, como una pantalla de visualización, perillas y botones, en el hardware. Todas las funciones disponibles para el usuario están en software. Los frameworks de software definen los requisitos del software del sistema PXI para módulos del controlador del sistema y módulos periféricos PXI. Los módulos de controlador del sistema y los módulos periféricos PXI tienen que cumplir con ciertos requisitos para el SO y soporte de herramientas para ser considerado compatible con un framework de software PXI determinada.

^{Figura 13: Arquitectura del software PXI}

La especificación PXI presenta frameworks de software para sistemas PXI basados en SOs Microsoft Windows. Como resultado, el controlador puede utilizar interfaces de programación de aplicaciones estándares en la industria, como NI LabVIEW, NI Measurement Studio, Visual Basic, Visual C/C++ y Python. PXI también requiere que los proveedores de módulos y chasis proporcionen ciertos componentes de software. Para los componentes PXI se requieren los archivos de inicio que definen la configuración del sistema y sus capacidades. Por último, la implementación de VISA, que ha sido ampliamente adoptada en el campo de la instrumentación, la especifica PXI para configuración y control para la instrumentación VXI, GPIB, serial y PXI.

^{Figura 14: Este diagrama muestra la arquitectura PXI completa al considerar el papel que juega el software}

Considere un caso de uso simple para un sistema PXI: generar una señal utilizando un módulo PXI como NI PXIe-5433. Usted utiliza un controlador basado en Windows y escribe un programa usando el software LabVIEW. LabVIEW se comunica con el instrumento a través del controlador del instrumentos. Measurement & Automation Explorer (MAX) se usa para garantizar que el sistema está configurado para realizar esta comunicación.

^{Figura 15: Configuración del hardware y ejemplo del entorno de software}

Para iniciar la comunicación, usted ejecuta un programa escrito en LabVIEW. El programa LabVIEW ejecuta una secuencia de operaciones, que tienen lugar en segundo plano. Vea la siguiente explicación de los pasos de comunicación:

Paso 1: LabVIEW que se ejecuta en un controlador del sistema PXI

El código de la aplicación es compilado y convertido en código al nivel del equipo.

Paso 2: El controlador del sistema PXI pasa el juego de comandos escritos en LabVIEW al instrumento colocado en una ranura PXI periférica

Dentro de la memoria del controlador del sistema PXI y el procesador, el código a nivel del equipo se convierte en señales eléctricas y se comparte con el bus de comunicación PCI o PCI Express. En este ejemplo, es la comunicación PCI Express la que se ejecuta en el plano trasero del chasis PXI, conectando el controlador del sistema con el instrumento periférico.

Paso 3: Los comandos se comparten con el bus de comunicación en el plano trasero del chasis

La señal se propaga a través del bus de comunicación PCI Express a la ranura PXI en la que se colocó el instrumento.

Paso 4: El código se transmite al instrumento

El módulo PXI lee los comandos enviados. Para este ejemplo, el NI PXIe-5433 genera una señal para que el instrumento lea la señal usando circuitos en el módulo para realizar la acción requerida y generar una señal y pasarla al conector al frente del módulo.

La Figura 16 muestra cómo se transmite la comunicación desde el controlador a la ranura actual.

^{Figura 16: Ejemplo de propagación de la señal a través del plano trasero}

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• Para ver un ejemplo de cómo comenzar a usar un dispositivo de adquisición de datos PXI Express, visite  Getting Started with PXI Express Multifunction I/O Hardware and LabVIEW.