Minulost, současnost a budoucnost standardu PXI Od prvního představení před více než 25 lety začala být virtuální instrumentace široce používána v oboru automatizovaných testů a měření. Virtuální instrumentace umožňuje uživatelům kombinací modulárního hardwaru, vývojového softwaru a počítačových technologií vytvářet uživateli definovaný systém. Softwarový přístup umožňuje větší flexibilitu než nástroje definované konkrétním výrobcem. Vzhledem k tomu, že vychází z počítačových technologií, inovace a zvyšování rychlosti hardwaru přichází častěji, než je tomu u úzce specializovaných regulačních systémů.
To vše umožňuje vývojářům a vědcům vytvářet automatizované testovací systémy, které vyhovují jejich individuálním požadavkům. Výsledkem je mnohem rychlejší test a tedy i zkrácení uvedení výrobku na trh při zajištění jeho kvality. Modulární architektura virtuální instrumentace rovněž chrání investice zákazníků, protože umožňuje nakoupit jen software a hardware, který je pro určitý test nutný a ne celou univerzální výbavu, jako je tomu u samostatně stojících přístrojů. Software pak přináší flexibilitu pro rozšiřování a vylepšování funkcí.
Představení technologie PXI
PXI technologie byla společností National Instruments představena v roce 1997. Od té doby se stala standardem podporovaným více než 70 výrobci na celém světě. Podle všech měřítek se PXI standard stal jednou z nejúspěšnějších platforem v oboru měření a řízení. Nejenže se dokázal prosadit v letech poklesu průmyslové výroby, ale nadále získává oblibu a překvapuje analytiky svým růstem prodeje překračujícím 40% ročně. PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) je nejlepším příkladem testovacího systému, který využívá koncepci virtuální instrumentace. Hlavní výhodou PXI se ukázalo být využití široce rozšířených počítačových technologií (PCI, Intel, Windows).
Technologie PXI rozšířila počítačovou architekturu dále o integrované časování a synchronizaci, průmyslovou odolnost a přinesla zvýšení počtu kanálů. Hlavní vnitřní sběrnicí pro přenos dat mezi modulárními přístroji a procesorem je vysokorychlostní sběrnice PCI s maximální šířkou pásma 132 MB/s. Kromě toho vyžaduje specifikace technologie PXI vyhrazenou časovací a spouštěcí sběrnici,
která je určena speciálně pro synchronizaci mezi moduly. Architektura PXI není díky počítačovým technologiím přehnaně drahá, je uživatelsky přívětivá a také velmi flexibilní. Bez ohledu na to, zda potřebujete přístrojovou platformu, automatizovaný testovací systém, průmyslový automatizační systém nebo systém pro sběr dat, může vám technologie PXI pomoci snížit celkové náklady na systém, zkrátit délku vývoje, zvýšit propustnost systému a šířku pásma, usnadnit systémovou integraci a chránit vaše investice díky otevřenosti průmyslovému standardu.
Rozšíření PXI
Další směr vývoje PXI řídí sdružení PXI Systems Alliance (PXISA). Jde o skupinu více než 70 společností z celého světa, které podporují standard PXI, zajišťují interoperabilitu a podporují PXI specifikaci. Důkazem standardizace PXI je neustálé zvyšování počtu členů této skupiny o další ¨celosvětově významné dodavatele testovacích systémů, kteří pak ve svých řešení rovněž vychází z PXI standardu.
Díky snaze členů PXISA na celém světě je nyní k dispozici více než 1200 periferních modulů PXI od 70 členů PXISA, včetně modulů pro analogové a digitální I/O, vysokorychlostní instrumentaci, zpracování obrazu, řízení pohybu a celou řadu převodníků pro jiné sběrnice. Kromě široké nabídky funkčnosti je PXI platformou, pro kterou jsou vyrobeny ty nejlepší průmyslové přístroje. Jde např. o digitizér s rozlišením až 24 bitů (NI PXI-5922), vysokorychlostní digitizér 8 GS/s (Acqiris DC282), generátor libovolných průběhů o rozlišení 15 bitů a rychlosti 1,25 GS/s (Agilent 6030A), nejpřesnější 7,5místný digitální multimetr (NI PXI-4071), atd. (viz obrázek č. 1). Do nových produktů PXI jsou trvale vkládány značné investice. Společnost National Instruments nyní představuje průměrně jeden nový PXI produkt týdně. Další čelní představitelé odvětví měření a testování, včetně společností Agilent a Aeroflex, dále rozšiřují svou nabídku pro systémy PXI o vf produkty.
Obrázek č. 1: Výrobci PXI nabízí přístroje s různým rozlišením i šířkou pásma
Podle prognózy trhu s testovacími systémy „World VXI & PXI Test Equipment Markets Estimate“, kterou provedla společnost Frost & Sullivan v dubnu roku 2005, je průměrná odhadovaná rychlost růstu (CAGR) prodeje technologie PXI 25,1 % (odhadovaný průměrný růst průmyslu v té době byl 4 %). PXI je tedy nejrychleji rostoucí přístrojový standard od představení GPIB v polovině 70. let minulého století.
V současnosti se technologie PXI uplatňuje v celé řadě průmyslových odvětví od spotřební elektroniky, přes armádu a letectví po lékařskou elektroniku. PXI je platformou, kterou lze použít jako základ pro širokou řadu různorodých aplikací v každém průmyslovém odvětví. Bez ohledu na to, zda vyvíjíte laboratorní aplikace pro ověření experimentu, průmyslové aplikace pro výrobní testy nebo přenosné či embedded systémy pro sběr dat ve vozidlech, technologie PXI nabízí produkty, které uspokojí všechny vaše nároky.
Podívejme se na jednu z aplikací na bázi platformy PXI:
Praktická aplikace: Použití NI PXI systému pro monitorování kmitočtového spektra
Společnost Chengdu Huari Telecommunications Company (Huari Telecom), která se zabývá vývojem a výrobou rádiových směrových vyhledávacích systémů v Číně, potřebovala zvýšit rychlost monitorování
kmitočtového spektra, směrového vyhledávání a identifikace signálu. Nový systém měl umožňovat uživatelům rychlé monitorování signálů uvnitř frekvenčních pásem regulovaných telekomunikačním úřadem i mimo ně a zároveň přesnou identifikaci zdrojů nepovoleného vysílání nebo rušení s možnostmi identifikace signálu a směrového vyhledávání.
S vektorovým analyzátorem signálu NI PXI-5660 a softwarem vyvinutým v prostředí LabVIEW společnost Huari vytvořila HR-100 – patentovaný širokopásmový rozhlasový přijímač a současně monitorovací systém. Tento systém lze používat jako rozhlasový přijímač a vektorový analyzátor vf signálu pro sledování moderních širokopásmových digitálních telekomunikačních signálů i běžných úzkopásmových signálů analogového vysílání. Kromě toho lze systém přepnout do směrového vyhledávacího režimu. Pak funguje jako jedno kanálový nebo vícekanálový směrový vyhledavač zdroje signálu. Vzhledem k tomu, že tento nový systém využívá otevřenou softwarovou rádiovou platformu, může HR-100 provádět normovaná a nestandardní měření, která dosud vyžadovala několik speciálních samostatných přístrojů. Navíc může vývojář kdykoliv doplnit nové funkce a aktualizovat systém tak, aby zvládnul měření nejnovějších bezdrátových standardů, což je vzhledem k rychlému vývoji v této oblasti klíčová vlastnost, která ušetří uživateli investice do zcela nových zařízení. (viz obrázek č. 3.)
„Použitím komerční technologie PXI a modulárního analyzátoru vektorového signálu PXI-5660 můžeme nyní našim zákazníkům nabídnout cenově zajímavý, rozšířitelný a rychlý systém pro monitorování rádiového spektra. Pomocí vf modulů NI a platformy PXI jsme podstatně zlepšili funkci a rychlost našich systémů pro monitorování kmitočtového spektra a směrové vyhledávání zdrojů signálů,“ řekl Jingyou Mo, prezident společnosti Huari Telecom.
Obrázek č. 3: Společnost Huari používá platformu NI PXI a vf moduly pro zlepšené spektrální monitorování
Začlenění sběrnice PCI Express
Okamžitě po přijetí standardu PCI Express pro kancelářské PC začaly práce na integraci této sběrnice do průmyslových systémů PXI. Díky modulární architektuře PXI může integrovat nejpokročilejší technologie za účelem zvýšení propustnosti testovacího systému. Vzhledem k vysoké rychlosti a kompatibilitě s PCI je sběrnice PCI Express ideální pro testovací a měřicí aplikace. PCI Express má nízkou latenci a větší šířku pásma, která na rozdíl od PCI, LAN, USB a GPIB není sdílena mezi všemi připojenými zařízeními. Například digitizér připojený na sběrnici PCI Express bude mít vyhrazenou přenosovou rychlost 1 GB/s do modulu procesoru (embedded nebo MXI k počítači), což je přibližně osminásobek propustnosti 32bitového rozhraní PCI 33 MHz - v současné době asi nejvíce rozšířeného. Po převodu do jiných měrných jednotek můžeme říct, že rychlý 16bitový digitizér může souvisle přenášet data šířkou pásma až 500 MHz do procesoru bez omezení sběrnice nebo sdílení šířky pásma s okolními moduly. Zmíněná větší šířka pásma umožnila vznik řady nových měřicích modulů. Sběrnice PCI Express má v základní konfiguraci x1 vyhrazenou přenosovou rychlost 250 MB/s v každém směru, konfiguraci x16 je to pak dokonce 4 GB/s, což představuje zvýšení 24x v porovnání s PCI. Slot PCI Express x16 patrně časem zcela nahradí port AGP pro výkonné grafické karty. Kromě toho rozhraní PCI Express přináší vylepšenou komunikaci mezi jednotlivými moduly, takže přístroje mohou v rámci jednoho systému snadno a rychle vzájemně komunikovat. Rozhraní PCI Express bylo záměrně navrženo s ohledem na všeobecnou kompatibilitu se stávajícími i budoucími technologiemi. Díky dobře navržené architektuře (vrstvám) je zaručena možnost dalšího zvyšování rychlosti a kompatibilita s budoucími generacemi a rovněž softwarová kompatibilita s PCI.
PCI Express otevírá dveře novým aplikacím
Díky vyššímu výkonu, modulární hardwarové architektuře a kompatibilitě dokáže rozhraní PCI Express vyřešit nároky mnoha nových testovacích a měřicích aplikací. Řada z nich byla dosud zvládnutelná pouze s drahým a proprietárním hardwarem: -
přístroje s vysokou šířkou pásma pro testování komunikačních systémů
-
rozhraní vysokorychlostních digitálních protokolů, včetně proprietárních protokolů na bázi LVDS, FireWire a další
-
systémy pro sběr dat o velkém počtu kanálů
V případě vysokorychlostního zachytávání videa se uživatelé v minulosti museli při rozhodování spokojit buď s nižší dostupnou šířkou pásma a tím i s nižší spolehlivostí nebo mohli nakoupit velmi drahý proprietární systém, který by požadavkům na šířku pásma vyhovoval. Díky šířce pásma rozhraní PCI Express mohou uživatelé zachytávat video vysokou rychlostí spolehlivěji s kompletnější reprezentací událostí v reálném čase i bez nákladného proprietárního systému. Například pomocí karty pro zpracování obrazu NI PCIe-1429 mohou uživatelé plynule zachytávat data rychlostí až 680 MB/s. To bylo dříve velmi obtížné i s velkou a drahou pamětí na základní desce, která byla schopna pojmout jen krátké sekvence obrazu.
PXI Express – integrace PCI Express do koncepce PXI
Společnost NI byla vždy technologickým průkopníkem v oboru měření a testování. S ohledem na prověřené začlenění technologie PCI do počítačových testovacích a měřicích aplikací na začátku 90. let minulého století, bude společnost NI pokračovat v inovativní integraci rozhraní PCI Express do koncepce PXI a zároveň bude poskytovat dlouhodobou podporu všem platformám.
Využitím technologie PCI Express v této generaci rozhraní PXI Express se významně zvýšila šířka pásma z 132 MB/s na 6 GB/s (až 45x) a zároveň zůstala zachována softwarová a hardwarová kompatibilita s moduly PXI. Rozhraní PXI Express vychází z originální koncepce PXI a nabízí navíc rozšířené funkce pro časování a vzájemnou synchronizaci – hodiny 100 MHz, linky mezi moduly a star trigger (viz obrázek č. 4.) Vyhrazené linky pro časování a synchronizaci zvyšují odolnost hodinového signálu vůči šumu, omezují nejistotu a umožňují tak přesně synchronizovat moduly i ve velkých vzorkovacích rychlostech.
Obrázek č. 4: Možností časování a synchronizace platformy PXI Express vychází z původní koncepce PXI a nabízí navíc dodatečné funkce pro vylepšení přesnosti měření
Díky plné softwarové kompatibilitě rozhraní PCI Express byla sada softwaru beze změny přenesena z PXI do rozhraní PXI Express. Sloty PXI a PXI Express budou vedle sebe existovat minimálně příštích 10 let. Aby byla zajištěna zpětná hardwarová kompatibilita, definuje specifikace PXI Express nový hybridní slot, do kterého mohou uživatelé zasunout modul s architekturou PXI nebo i PXI Express. Moduly PXI i PXI Express lze tedy používat společně v jedné skříni a není nutné zařízení kupovat znovu. Podpora takové softwarová i hardwarová kompatibility je plánována i v budoucnosti.
Závěr
Rozšířená PXI platforma pro testovací a měřicí aplikace využívá běžných komerčních technologií pro zvýšení výkonu a snížení nákladů na vývoj testovacích systémů. PC technologie rovněž přispěly k výjimečné rychlosti, s jakou je koncepce PXI zaváděna do různých aplikací od testování po řízení. Vysoké investice mnoha členů sdružení PXISA do nových produktů akcelerují nepřetržitý růst prodeje PXI systémů a s rozšiřováním funkcí u nových produktů PXI se vyvstala i možnost použití PXI v dosud opomíjených aplikacích. Úspěšná integrace technologie PCI Express do koncepce PXI a zpětná hardwarová i softwarová kompatibilita dávají záruku ochrany investic i do budoucnosti. Výrobci
pokračují ve vývoji nových PXI modulů a ve vylepšování těch stávajících tak, aby i v následujících letech uspokojili zákazníky a jejich neustále se zvyšující nároky na měření a testování.
National Instruments (Czech Republic), s.r.o. Dělnická 12 170 00 Praha 7 - Holešovice Česká republika Tel: +420 224 235 774 Fax: +420 224 235 749 E-mail:
[email protected] www.ni.com/czech CZ: 800 142 669 SK: 0800 182 362
