Podręcznik
3. Interfejs modułowy PXI
3.2. Interfejs modułowy PXI
Po zastosowaniu magistrali PCI, interfejs modułowy zyskał nazwę PXI (PCI sXtension for Instrumentation). Przykład zestawu PXI zamieszczono na rys. 4.5.
Rys. 4.5 Przykład zestawu PXI (źródło: http://www.ni.com/pl-pl/shop/pxi.html)
System PXI wykorzystuje się w takich dziedzinach jak: testowanie i monitorowanie w procesie produkcyjnym, badania przemysłowe, przemysł wojskowy, lotniczy maszynowy, motoryzacyjny. Obecnie PXI jest nadzorowane przez PXI Systems Alliance (PXI) - grupa ponad 70 firm zaangażowanych w promowanie standardu PXI i dbanie o czystość specyfikacji.
Obudowa
Obudowa PXI zawiera magistrale do obsługi zasilania, chłodzenia i komunikacji pomiędzy PCI i PCI Express a kontrolerem i modułami PXI. Obudowy PXI są dostępne w różnych konfiguracjach: niski poziom hałasu, wysoka/niska temperatura, mała/duża liczba slotów (gniazd). Zawierają również dużą liczbę slotów do modułów I/O, zintegrowanych urządzeń peryferyjnych takich jak wyświetlacze LCD, i wiele innych. Obudowy występują w wielu różnych rozmiarach od 4 do 18 gniazd (rys.4.6).
Rys. 4.6 Obudowy systemu modułowego PXI firmy National Instruments (źródło: http://www.ni.com/pl-pl/shop/pxi.html)
Komunikacja po PCI i PCI Express
W najczęstszych zastosowaniach magistrala PCI pracuje przy 33 MHz i 32 bitach z przepustowością 132MB/s. Wykorzystuje się topologię, gdzie przepustowość magistrali jest dzielona pomiędzy wieloma urządzeniami. Z czasem, urządzenia stają się coraz bardziej wymagające co do przepustowości. W rezultacie powstała PCI Express, aby przezwyciężyć ograniczenia w ramach wspólnej magistrali.
W przeciwieństwie do PCI, która dzieli pasmo pomiędzy wszystkie urządzenia, magistrala PCI Express oferuje każdemu urządzeniu własny dedykowany kanał (pipeline) danych. Dane są przesyłane szeregowo, w pakietach poprzez pary linii nadawania i odbioru zwane pasami, które umożliwiają uzyskanie szybkości 250 MB/s dla każdego pasa (PCI Express 1.0). Pasy mogą być grupowane (multiplikowane) x1, x2, x4, x8, x12, x16, aby zwiększyć przepustowość dla gniazda i osiągać do 4 GB/s całkowitej przepustowości. PCI Express 2.0 podwaja przepustowość per-pas z 250 do 500 MB/s. PCI Express zapewnia skalowalną przepustowość osiągając maksymalnie 30-krotną przepustowość tradycyjnej PCI (rys.4.7).
Rys. 4.7 Skalowalna przepustowość standardu PXI
Taktowanie i synchronizacja
Jedną z głównych zalet systemu PXI jest zintegrowany system taktowania i synchronizacji. Magistrala PXI zawiera dedykowane linie:
- 10 MHz systemowy zegar referencyjny,
- Magistralę wyzwalania,
- Magistralę połączeń gwiazdowych,
- Magistralę lokalną - gniazdo do gniazda aby zapewnić łatwość taktowania i synchronizacji.
Zegar 10 MHz (w obudowie) może być “eksportowany” lub zastąpiony wzorcem o wyższej stabilności. Umożliwia to dzielenie zegara odniesienia 10 MHz między wieloma obudowami, a także innymi przyrządami wymagającymi wzorca 10 MHz. Oprócz zegara odniesienia, PXI zawiera 8 linii TTL jako magistralę wyzwalania. Umożliwia to dowolnemu modułowi w systemie ustawienie “wyzwalacza”, który dostępny jest dla dowolnego innego modułu. Magistrala lokalna natomiast umożliwia realizację indywidualnej komunikacji między modułami. Na tej samej zasadzie co PXI, PXI Express oferuje dodatkowe funkcje taktowania i synchronizacji z zegarem 100 MHz do sygnalizacji i wyzwalania. Dzięki zastosowaniu taktowania i synchronizacji w układzie różnicowym, systemy PXI Express charakteryzują się zwiększoną odpornością na zakłócenia ze strony zegarów przyrządów modułowych oraz zdolnością do szybszej transmisji sygnałów zegarowych. Możliwości taktowania i synchronizacji w standardzie PXI i PXI Express, zapewniają integrację najlepszych modułów pomiarowych i modułów I/O.
Oprócz metod opartych na sygnałach synchronizacji wewnętrznej, systemy PXI i PXI Express mają wiele wbudowanych metod synchronizacji z systemem czasu bezwzględnego. Wiele różnych źródeł, w tym GPS, można wykorzystać jako źródło czasu bezwzględnego, z wykorzystaniem dodatkowego modułu taktowania. Protokoły te przekazują informację o czasie w pakietach, więc system może korygować swój czas. Systemy PXI rozmieszczone w dużych odległościach, bez udostępniania własnych zegarów fizycznych lub wyzwalaczy mogą bazować na źródłach takich jak GPS, aby zsynchronizować swoje pomiary.
Wszystkie obudowy PXI zawierają gniazdo kontrolera systemu znajdującego się w lewym slocie montażowym (slot 1). Opcje kontrolera obejmują: zewnętrzne kontrolery jak komputery osobiste, terminale, stacje robocze, serwery, laptopy, wysokiej wydajności kontrolery wbudowane z systemami operacyjnymi Microsoft (Windows 7 / Vista / XP) lub systemy czasu rzeczywistego (LabVIEW Real-Time) .
Kontrolery wbudowane PXI
Wbudowane kontrolery eliminują potrzebę stosowania zewnętrznego komputera, zapewniając w ten sposób system zawarty, kompaktowy wewnątrz obudowy PXI. Wbudowane kontrolery wyposażone są w standardowe funkcje, takie jak zintegrowany procesor, dysk twardy, pamięć RAM, Ethernet, wideo, klawiatury / myszy, USB i inne urządzenia peryferyjne. Są one dostępne zarówno dla systemów PXI jak i PXI Express. Wbudowane kontrolery często są przystosowane do trudnych warunków pracy takich jak np. skrajne zakresy temperatury roboczej. Są one idealnym rozwiązaniem dla systemów przenośnych „single box” (rys. 4.8).
Rys. 4.8 Przykłady kontrolerów wbudowanych firmy National Instruments (źródło: http://www.ni.com/pl-pl/shop/pxi.html)
Laptop jako kontroler PXI
Korzystając z karty NI ExpressCard MXI (Measurement eXtensions for Instrumentation) oraz karty PCMCIA można obsługiwać systemy PXI bezpośrednio z komputerów przenośnych. Przy pomocy oprogramowania typu “software-transparent link”, komputer rozpoznaje wszystkie moduły peryferyjne w systemie PXI jako karty na magistrali PCI. Kontrola PXI od strony Laptopa wymaga ExpressCard/ PCMCIA CardBus w laptopie oraz modułu PXI/PXI Express w slocie 1 systemu PXI, połączonych za pomocą kabla (rys. 4.9a). Zestaw NI ExpressCard MXI Interface Kit (rys. 4.9b).
| a) | b) |
 |
 |
Rys. 4.9 Sterowanie PXI z Laptopa: ExpressCard, PCMCIA
Komputer osobisty jako kontroler PXI
Z użyciem NI MXI-Express i MXI-4 jako zestawów zdalnego sterowania można obsługiwać systemy PXI bezpośrednio z komputerów stacjonarnych, stacji roboczych lub serwerów (rys. 4.10). Podobnie jak dla laptopów, można kontrolować systemy PXI z komputera PC za pośrednictwem oprogramowaniem typu “software- and driver-transparent link”. Podczas uruchamiania systemu, komputer rozpoznaje wszystkie moduły peryferyjne w systemie PXI jako karty na magistrali PC. W tym przypadku system zawiera kartę PCI/PCI Express na pokładzie komputera i moduł PXI/PXI Express w slocie 1 systemu PXI, połączone za pomocą kabla lub światłowodu.
Rys.4.10 PC jako kontroler PXI poprzez MXI-Express Remote Control Kit
NI oferuje zestawy zdalnego sterowania MXI-Express, które mają jeden lub dwa porty do podłączenia z PXI (rys. 4.11). Za pomocą dwuportowego zestawu zdalnego sterowania, można obsługiwać dwa systemy PXI jednocześnie z jednego komputera - dzięki czemu można stworzyć tzw. topologię gwiazdy. Poprzez odpowiednią kombinację zestawów MXI można również utworzyć topologię liniową z pojedynczym kontrolerem.
 |
 |
Rys. 4.11 PC poprzez zestaw zdalnego sterowania z MXI umożliwia obsługę PXI również w strukturze wielomodułowej
Standardowe typy modułów PXI
PXI jest otwartym standardem przemysłowym. Ponad 70 różnych producentów aparatury kontrolno-pomiarowej oferuje dodatkowo prawie 1500 produktów. Zestawienie produktów standardu PXI zawarto w tabeli 4.2.
Tabela 4.2 Zestawienie produktów standardu PXI
|
|