PXI bez tajemnic

PCI eXtension for Instrumentation (PXI) wykorzystuje zalety standardowej architektury programowej i sprzętowej PCI, która zapewnia szybki przesył danych. Specyfikacja ta obejmuje również standard CompactPCI, definiując przemysłową wersję architektury PCI z obudową o zwiększonej wytrzymałości i integralności mechaniczną oraz łatwym montażu podzespołów. Stosowana w PXI szybka magistrala PCI w połączeniu ze zintegrowanym taktowaniem i wyzwalaniem pozwala w szczególności na tworzenie aplikacji związanych z pomiarami i automatyką. W efekcie PXI jest modułową platformą dla przyrządów, która umożliwia realizację kontrolowanych przy pomocy PC różnych funkcji pomiarowych. Dodatkowo systemy PXI są tak projektowane, aby koszty instalacji i konserwacji były niewielkie.

Platforma PXI oparta jest na magistrali PCI, standardzie znanym z komputerów osobistych. Oznacza to, że stosowane karty i moduły będą w pełni kompatybilne z najbardziej rozpowszechnionymi w technice komputerowej systemami operacyjnymi i pakietami oprogramowania. Przepustowość systemu wynosi do 132MB/s (w przypadku wersji 64-bitowej nawet 264MB/s). W celu zachowania tej kompatybilności między dostawcami specyfikacja PXI narzuca odpowiednie wymagania na oprogramowanie. Jedno z najważniejszych wymagań stanowi to, że urządzenia muszą pracować z systemami operacyjnymi Windows i muszą być dostarczane wraz ze sterownikami. Wymaganie to nie tylko zapewnia kompatybilność między urządzeniami od różnych dostawców, ale również przyspiesza integrację i opracowywanie aplikacji po stronie użytkownika. W specyfikacji PXI stwierdza się wreszcie, że wszystkie urządzenia PXI muszą być w pełni kompatybilne z CompactPCI. Moduły CompactPCI mają takie same obudowy jak PXI i są również oparte na magistrali PCI, przy czym w PXI dodano szereg wymagań, szczególnie ważnych z punktu widzenia jej wykorzystania w przemyśle.

Parametry fizyczne

Wykres 1. Teoretyczna wydajność magistrali (MB/s)

PXI jest systemem modułowym, w którym bazę stanowi kaseta (obudowa) zawierająca od 2 do 31 złączy. Pierwsze złącze (slot 1) dedykowane jest do sterownika, przy czym może być wykorzystany sterownik typu embedded lub umieszczony może być interfejs typu MXI-3, co pozwala na zewnętrzne sterowanie pracą urządzeń PXI np. z wykorzystaniem PC. Pozostałe złącza w obudowie określane są mianem peryferyjnych i umożliwiają podłączenie modułów funkcjonalnych.

Moduł PXI mocowany jest w dwóch prowadnicach na końcu których znajduje się gniazdo. W praktyce w PXI stosuje się taki sam system złączy jak w CompactPCI – są to złącza o dużej gęstości styków o odstępie pomiędzy kontaktami równym 2mm i dopasowanej impedancji zgodne ze standardem IEC 1076. Złącza takie są szeroko stosowane w aplikacjach o dużej szybkości działania, szczególnie w branży telekomunikacyjnej.

Fizycznie obudowa PXI 3U jest bardziej zwarta niż większość platform powszechnego użytku, co jest istotne w jej zastosowaniu w ograniczonej przestrzeni roboczej oraz przemyśle. Obudowy mogą być dostosowane do łatwego montażu w stojakach, gdy pożądane jest ich zintegrowanie z istniejącymi w stojaku systemami, a małe rozmiary obudowy pozwalają też na stosowanie w polowych systemach pomiarowych i tworzenie aplikacji przenośnych. Modułowa architektura PCI ułatwia też modernizację (patrz dalej) – jeżeli konieczna jest zamiana modułu, można go wyjąć z systemu bez zmiany reszty modułów.

Cechy mechaniczne

Rys. 1. Konfiguracja mechaniczna systemu PXI 3U

Kasety i moduły PXI przewidziane są do pracy w trudnych warunkach środowiskowych. Mają one wytrzymałe złącza umożliwiające prace przy występujących udarach i drganiach, obudowa zawiera również dodatkowe elementy chłodzące, co pozwala na działanie w podwyższonej temperaturze i wilgotności. Specyfikacja PXI wymaga, aby wszystkie urządzenia PXI poddawane były odpowiednim testom środowiskowym. Efektem dbania o podwyższoną odporność mechaniczną jest stosowanie odpowiednich prowadnic w obudowie PXI. Dwie prowadnice – jedna na górze, druga na dole – zmniejszają naprężenia w platerze i chronią moduły przed udarami oraz drganiami. Płyty czołowe modułów mogą być również przykręcone wkrętami do obudowy w celu dodatkowego ich unieruchomienia.

Porównując PXI do standardu konstrukcji komputerów przemysłowych stwierdzić można, że omawiany system charakteryzuje się łatwiejszą możliwością modernizacji i serwisu w przypadku konieczności wymiany któregoś z jego elementów. Przemysłowe komputery wykonywane są najczęściej na dwa różne sposoby. Plater może być w nich aktywny, co oznacza, że płyta główna jest częścią plateru – w tym przypadku, jeśli nastąpi uszkodzenie płyty głównej, cały komputer musi zostać wymieniony. Drugi rodzaj konstrukcji ma plater pasywny, zawierający jedynie mostki typu PCI-PCI. W ten sposób wykonywane są komputery jednopłytkowe (SBC) gdzie plater wkładany jest w złącze podobne do złącza PCI.

Zastosowanie w przypadku PXI konstrukcji modułowej powoduje, że modernizacja komponentów jest bardzo prosta. Gdy użytkownik chce przykładowo zastosować szybszy moduł lub pozwalający na innego typu pomiary, wykorzystuje nowy moduł w jednym z wolnych slotów. Ponieważ wszystkie urządzenia muszą działać ze standardowym oprogramowaniem, do nowego sterownika można wgrać program i sterowniki urządzeń, a następnie umieścić w obudowie. Na platerze PXI można zainstalować do siedmiu modułów, podczas gdy w klasycznych komputerach przemysłowych liczba ta zazwyczaj nie przekracza czterech.

Jak rozszerzać?

Możliwość rozszerzania liczby wejść i wyjść jest istotna w przypadku dużych systemów akwizycji danych, w tym wymagających możliwie dużej szerokości pasma. Teoretyczny limit liczby złączy systemu wynosi 256 sztuk, co uzyskiwane może być przez użycie mostków PCI-PCI, a stosując interfejsy typu MXI użytkownik może łatwo rozszerzać system o inne obudowy. System PXI może być też połączony interfejsem MXI-2 z systemem VXI – w tym przypadku działa on tak, jakby był bezpośrednio umieszczony w platerze VXI. Przy pomocy sterownika PXI inżynier może konfigurować i komunikować się ze wszystkimi urządzeniami systemowymi, a zatem włączać istniejący system VXI do nowego systemu PXI.

Z kolei za pomocą interfejsu MXI-3 można utworzyć połączenie z komputerem osobistym, który w sposób przezroczysty może kontrolować pracę modułów PXI lub CompactPCI. Karta PCI MXI-3 umieszczana jest na szynie komputera, a następnie łączona kablem z modułem PCI MXI-3 w złączu kasety PXI. Z punktu widzenia architektury komputerowej MXI-3 jest więc mostem PCI-PCI. Pozwala to na łatwe rozszerzenie zakresu we/wy komputera, a dla systemu operacyjnego moduły PXI widziane są jako karty PCI włożone w gniazda w PC.

Chłodzenie

Rys. 2. Konfiguracje i złącza modułów peryferyjnych PXI

Specyfikacja PXI nakłada ścisłe wymagania również w zakresie chłodzenia, które nie powinno być gorsze, niż chłodzenie kart peryferyjnych w klasycznych komputerach przemysłowych. Specyfikacja wymaga zachowania wymuszonego chłodzenia z ustalonym kierunkiem przepływu, co ma na celu równomierne chłodzenie wszystkich modułów. W większości komputerów przemysłowych jest z kolei stosowany mechanizm chłodzenia tylko z jednym lub z dwoma wentylatorami, co powodować może niejednorodne odprowadzanie ciepła.

Urządzenia PXI testowane są w temperaturach magazynowania i pracy, a wyniki tych badań są podawane w dokumentacji. Podczas tworzenia systemu użytkownik może ustalić, czy powinien zastosować dodatkowe środki, aby system działał w danym środowisku.

Parametry elektryczne

PXI ma kilka unikalnych cech, zaprojektowanych z myślą o inżynierach zajmujących się testowaniem i pomiarami. Do synchronizowania modułów dostępny jest dedykowany zegar systemowy na platerze. Osiem niezależnych linii magistrali wyzwalania może zostać użytych do precyzyjnej synchronizacji pracy dwóch lub większej liczby modułów. Stosowanie lokalnych magistrali w postaci linii między sąsiednimi złączami pozwala zachować przepustowość magistrali PCI. Ponadto funkcją jest możliwość wykorzystania precyzyjnego wyzwalania gwiazdowego.

Kiedy karty są synchronizowane z komputerem przemysłowym lub w dowolnym innym systemie, muszą być łączone odpowiednią magistralą wyzwalania, zaś źródła sygnału zegarowego na kartach stosowane są do synchronizacji czasu i ich wyzwalania. Ponieważ precyzja zegara zależy od indywidualnych cech danego urządzenia, dokładność synchronizacji różni się pomiędzy poszczególnymi komponentami. Tymczasem sygnał zegarowy systemu PXI charakteryzuje się wysoką regularnością dzięki stosowaniu układów buforowych o małych opóźnieniach i małym obciążeniu.

Plater PXI zawiera osiem dedykowanych linii wyzwalania, które są doprowadzone do każdego złącza, w tym do sterownika systemu. Przy ich pomocy użytkownik może uzyskać odpowiednią synchronizację modułów wliczając w to wyzwalanie jednego modułu przez drugi i wyzwalanie asynchroniczne. W przypadku tego ostatniego moduł może być wzbudzany przez zdarzenia zewnętrzne. Jednocześnie sygnały wyzwalające mogą być przesyłane do i z kasety przy pomocy odpowiednich modułów.

Połączenia łańcuchowe i wyzwalanie gwiazdowe

Magistrala PXI umożliwia również komunikowanie się modułów w sąsiednich złączach przy pomocy linii dedykowanych, które nie należą do głównej magistrali. Linie te tworzą lokalną magistralę łańcuchową, która łączy każde złącze peryferyjne z sąsiednimi złączami. Każda lokalna magistrala ma 13 linii i może być stosowana do przesyłania między modułami sygnałów analogowych (o napięciach do 42V) lub do tworzenia szybkich kanałów komunikacyjnych (np. typu TTL), które nie ograniczają szerokości pasma PCI. Funkcja ta jest bardzo użyteczna w przypadku kart akwizycji danych i przyrządów, które wykorzystują sygnały analogowe. Linie te charakteryzują się małymi opóźnieniami, przy czym podobne rozwiązania zazwyczaj nie występują w innych magistralach, takich jak PCI, czy w komputerach przemysłowych.

Linia omawianej magistrali lokalnej o numerze 13., która znajduje się w 2. złączu, wykorzystywana jest do implementacji wyzwalania gwiazdowego. Tego typu wyzwalanie synchronizować może wszystkie moduły w kasecie i zapewnia lepsze parametry niż inne metody wyzwalania w PXI. W szczególności opóźnienie między sygnałami jest mniejsze niż 1ns, zaś opóźnienie między złączem wyzwalania gwiazdowego, a każdym złączem peryferyjnym nie jest większe niż 5ns. W celu skorzystania z tego typu wyzwalania modułów generujący takt moduł musi zostać umieszczony w gnieździe 2. kasety.

Kwestia oprogramowania

Ostatnią z istotnych cech specyfikacji PXI są wymagania co do oprogramowania. Wszystkie urządzenia zgodne z PXI muszą działać przynajmniej z jednym z systemów operacyjnych Microsoft Windows. W specyfikacji jest również mowa o tym, że jeśli inne systemy operacyjne staną się powszechne i będą oferowały podobny poziom funkcji programowych, wówczas mogą również być wykorzystywane przez PXI.

Sterowniki i urządzenia muszą być zgodne z funkcją VXIplug&play i z oprogramowaniem VISA. Systemy PXI są dostarczane ze standardowymi plikami .ini w celu uproszczenia konfiguracji. Warto też dodać, że w przypadku klasycznych komputerów przemysłowych nikt nie wprowadził tego typu wymagań co do oprogramowania. Chociaż wiele urządzeń PCI pracuje w większości środowisk Windows, mogą nie być one kompatybilne z VISA i nie muszą mieć sterowników programowych.

Janusz Proniewicz

W artykule wykorzystano informacje zawarte w „Industrial PCs, CompactPCI, and PXI – Selecting the Best Platform for Your Industrial Application” firmy National Instruments.