Was beim PXI-Systemaufbau beachtet werden muss

Vom Vorteil modularer Messsysteme Was beim PXI-Systemaufbau beachtet werden muss

07.01.2013Autor / Redakteur: Klaus Höing* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Was ist beim Aufbau eines PXI-Systems zu beachten, welche PXI-System- und Software-Varianten existieren und wie kooperieren sie? Sind die Fragen geklärt, lässt sich ein funktionsfähiges Prüfsystem aus Modulen unterschiedlicher Hersteller aufbauen.

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Was ist beim PXI-Systemaufbau zu beachten?
(Bild: dataTec)

Oft bestehen Zweifel über die Kompatibilität der einzelnen Module unterschiedlicher Hersteller, wenn ein PXI-Testsystem konzipiert werden soll. Sowohl Hardware, das Chassis als auch die Module, die Software mit Treibern und IO-Schnittstellen und letztlich die zu erstellende Messsoftware müssen aufeinander abgestimmt sein, um den entsprechenden messtechnischen Erfolg zu erzielen. Konzipiert man ein PXI-System, so müssen möglicherweise Module von unterschiedlichen Herstellern genutzt werden.

Dann kommen bei jedem Entwickler Zweifel auf, ob die ausgewählten Module richtig interagieren. Fragen „Wie arbeitet das Modul eines Herstellers mit dem Chassis oder Modul eines anderen Herstellers zusammen?“, „Lassen sich die erwarteten Spezifikationen und Genauigkeiten erreichen, die Triggermöglichkeiten und Befehls- und Daten-Transfers auch zum richtigen Zeitpunkt übertragen?“ bestimmen die Überlegungen. Mechanische, elektrische und softwaretechnische Voraussetzungen müssen gegeben sein, um die gewünschte Funktionalität sicher zu stellen.

Ergänzendes zum Thema

5 Tipps zur Kompatibiliät der PXI-Module

1. Wählen Sie ein Chassis mit möglichst vielen PXI-Hybrid-Steckplätzen um die beiden Modularten PXI-1 Hybrid und PXIe aufnehmen zu können.

2. Wenn im Messaufbau mit einem externen Rechner gearbeitet wird, sollte man im Rechner zur optimalen Datenübertragung auf langen Kabeln eine PCIe Adapter-Karte einsetzen. Dies führt zu einer jitterfreieren Daten- und Takt-Übertragung.

3. Wird ein externer Controller zur Steuerung des Messsystems genutzt, so sollte zuvor geprüft werden, ob das BIOS dieses Rechners auch genügend externe Geräte/Module ansprechen kann und die Signalqualität die PXIe-Spezifikationen erfüllt.

4. Nutzt man ein PXIe-Chassis ist dafür ein Embedded-PXIe-Controller notwendig.

5. Mit dem Microsoft Windows Device Manager lässt sich herausfinden, ob das entsprechende Modul vom PCI-Bus ansprechbar ist und ob dem Modul ein passender Treiber zugeordnet wurde.

In unserem Beitrag geben wir Ihnen Tipps, wie PCI-, PXI- und PXIe-Hardware, -Software und -Hilfswerkzeuge wie Agilent Connection Expert (ACE) und National Instruments „Measurement & Automation Explorer“ (NI-MAX) miteinander koexistieren und zu einem lauffähigen System genutzt werden sollten.

Spezifikationen und Standards – ein Gerüst

Systementwickler benötigen in der Regel eine ganze Anzahl von unterschiedlichen Modulen, um die Messaufgabe zu erfüllen und in vielen Fällen stammen die Module von unterschiedlichen Herstellern. Das Ziel einer Standardisierung ist, dass die Module miteinander interagieren können. Ist die Spezifikation fehlerfrei geschrieben, bietet sie Sicherheit bei der Integration der Module zu einem kompletten System. Bei PXI sind es allerdings unterschiedliche Standardisierungsgremien auf denen die PXI-Spezifikation beruht. Eine dieser Organisationen definierten die PCIbus-Verbindung, das Einbinden der Hardware und die zeitliche Synchronisation der Bus-Signale, das Bus-„Timing“, die letztlich auch im PXI-System zur Anwendung kommen.

Die elektrischen Bedingungen und die Signalbedingungen werden von der PCI Special Interest Group (PCI-SIG) entwickelt und bestimmt. Die PCI- und PCIe-Rahmenbedingungen werden beim PXI-Bus genutzt. Der Hintergrund ist, dass der PCI-Bus (Personal Computer Interface-Bus) weltweit genutzt wird, dass für die Entwicklung dieser Spezifikationen in den letzten 20 Jahren Millionen an Ingenieurstunden investiert wurden und dass damit insgesamt eine millionenfach bestätigte sichere Verbindung einzelner PC-Systemkomponenten geboten wird. PXI baut auf diese Vorleistungen auf, was zu robusten Verbindungen der Systemkomponenten untereinander und zu einer recht einfach anzuwendenden Lösung führt.

Mechanische und elektrische Kompatibilität

Bei der Einführung des PCI-Bus 1992 galt er als ein sehr robustes Hochgeschwindigkeits-System für einen Computer-Bus. Dieses Bussystem funktioniert sehr gut für Standard- Business-Applikationen in PCs und bald darauf wurde er auch in industriellen Applikationen eingesetzt. Die PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PCIMG) nutzte die PCI-Bus-Fähigkeiten und veröffentlichte 1997 einen Standard für das CompactPCI-(cPCI)-Gehäuse. CompactPCI war eine sehr gute mechanische Plattform, die sehr schnell für industrielle Anwendungen Eingang fand.

Die festgelegten mechanischen Abmessungen und Toleranzen für die Einschübe, die Stecker, die Anordnung der Stecker und deren Pinbelegungen waren Gegenstand dieser cPCI-Spezifikation, um Module mit einfachen Mitteln zu einem System zusammen zu bauen. Diese wohl definierten Spezifikationen mit ihren engen Toleranzen führten dazu, dass unterschiedliche Hersteller neue austauschbare cPCI-Lösungen auf den Markt brachten.

Allerdings enthält der cPCI-Bus keine Spezifikations-Bedingungen für das Timing und die Synchronisation von Modulen, wie sie zum Betrieb für messtechnische Applikationen notwendig sind. Das ist der Grund, warum basierend auf den PCI-Spezifikationen der PXI entstand, der dann auch die messtechnischen Belange abdeckt.

Die alles verbindenden PXI-Spezifikationen

Bild 1: Die PXIe-Bus-Spezifikations-Hierarchie (aus [1])
(dataTec)

Die PXI-Spezifikationen werden von der PXI Systems Alliance (PXISA) definiert und überwacht. Sie basieren auf den PCI- und den cPCI-Spezifikationen allerdings mit der Ergänzung um messgerätespezifische Eigenschaften für die Timing- und Synchronisations-Bedingungen. Ein cPCI-Chassis und ein PXI-Chassis sehen sehr ähnlich aus und ein cPCI-Modul kann in ein PXI-Chassis eingesteckt und genutzt werden. Der Fokus dieser Darstellung ist auf die PXI-Spezifikationen gerichtet. Bild 1 zeigt die Hierarchie der PXIe- (PXI-Express-)Spezifikation, wobei hier zu beachten ist, wie die cPCI- und die PCI-Bus-Spezifikationen einfließen. Es ist wichtig zu wissen, dass es eigentlich zwei unterschiedliche PCI-Bussysteme gibt:

den originalen parallelen PCI-Bus, sowohl für 32-Bit- als auch 64-Bit-Strukturen und den neueren, seriellen PCIe-Bus. Beide Bus-Strukturen wurden in den PXI übernommen, wobei der originale, parallele PCI-Bus dem PXI-1 und der PCIe (seriell) dem PXIe entspricht. Die beiden Bussysteme PCIe und PXIe bieten eine erheblich bessere Signalbandbreite und andere Möglichkeiten wie die Punkt-zu-Punkt-Übertragung von Daten/Signalen, was für Module, die in der Messtechnik Anwendung finden, von besonderer Bedeutung ist. Die Motivation auf den PXIe-Bus zu setzen besteht hauptsächlich aufgrund dieser Eigenschaft, die gerade für die sehr schnelle Datenübertragung maßgeblich ist.

An dieser Stelle sei ein Hinweis gestattet: PXIe beinhaltet die Rückwärtskompatibilität zu PXI-1 Module. Jedoch ist die PXI-1-Rückwärtskompatibilität kritisch, da es sehr viele PXI-Module gibt, die noch für die alte 32-Bit-Parallel-Version von PXI gebaut wurden. Um dennoch derartige Module weiter nutzen zu können, sollte höchstenfalls ein Stecker verändert werden müssen und nicht noch die Leiterplatte des Moduls.

Diese Modifikation ist Gegenstand des folgenden Absatzes. PXI-Module werden in zwei Formfaktoren hergestellt, den 3U oder 6U (U = Unit) bzw. 3 und 6 Höheneinheiten. Die gebräuchlichsten Module haben 3 Höheneinheiten und es gibt von ihnen über 1000 unterschiedliche Module mit 32-Bit-Bus von verschiedenen Herstellern. Aufgrund der weiten Verbreitung dieser Module beziehen sich die weiteren Darstellungen/Beschreibungen auf diesen Formfaktor.

Die verschiedenen Stecker-Varianten

Bild 2: Ein PXI-1, 3 Höheneinheiten großes Modul mit Darstellung der jeweiligen Stecker-Belegung
(dataTec)

Bild 2 zeigt ein drei Höheneinheiten großes PXI-1-Modul. Die Kommunikation mit dem Modul geht über die beiden Stecker J1 und J2 über die rückwärtige Leiterplatte zum Controller. Über den Stecker J1 wird die komplette Kommunikation des 32-Bit Busses abgewickelt, der untere Teil des Steckers J2 übernimmt die oberen 32 Bit im Falle einer 64-Bit-Version und einige wenige lokale PXI-Signalleitungen. Der obere Teil des J2 führt weitere kritische Signalleitungen wie Trigger-, Synchronisations- und Timing-Signale. Das Standardisierungsgremium entschied, dass der untere Teil des Steckers J2 für die Hoch-geschwindigkeits-Verbindungen des PCIe-Busses verwendet werden können. Um nun den PXIe-Stecker zu unterstützen wurde J2 modifiziert:

Der obere Teil des J2 wurde beibehalten, um die bisherigen PXI-1-Triggersignale zu übertragen und

Der untere Teil des J2 wurde den Hochgeschwindigkeits-Signalen des PCIe-Busses zugewiesen.

Bild 4: PXIe-Stecker (links) und PXI-1-hybrid kompatible Stecker (rechts)
(dataTec)

Mit dieser neuen Zuweisung ergeben sich zwei neue Arten an Steckplätze für die peripheren Module: die PXIe- und die Hybrid-PXI-Steckplätze. Bild 4 zeigt realistische Bilder von Modulen mit ihren unterscheidlichen Steckern: Bildteil rechts: PXI-1-Stecker und linker Bildteil: Mit PXIe-Stecker, wobei hier der besondere Stecker für differentielle Signalführung auffällt. Dieser differentielle Stecker wird speziell genutzt um die Hochgeschwindigkewits-Signale bis zu 5 GBit/s zu übertragen. Der Vorteil dieses Stecker-Systems ist, dass die PXI-1-Module seitens des Herstellers umgebaut werden können, indem der größere Stecker J2 gegen die kürzere PXI-1-Hybrid-Version ausgetauscht wird (Bild 4 rechter Teil). Existierende Module können damit in den neuen PXIe-Chassis, die die Hybrid-Einsteckplätze haben, genutzt werden.

Bild 3: Darstellung, wie in einen Hybrid PXI-Steckplatz sowohl ein PXI-1-, ein Hybrid PXI- und ein PXIe-Modul aufnehmen kann
(dataTec)

Allerdings gibt es hier einen Aspekt zu berücksichtigen: Ältere PXI Module, die beide Stecker J1 und J2 besitzen, lassen sich nicht in einen PXI-1-Hybrid umbauen, da sich der Stecker J2 mechanisch nicht mit dem Sockel des PXIe verbinden lässt. Sollten alte PXI-1 Module vorhanden sein, so muss genau geprüft werden, ob sie zu dem neuen System passen. Für den Fall, dass sie nicht passen, bieten eine Reihe Hersteller für ihre Module einen Modifikations-Service an, den J2-Stecker gegen einenXJ4-Stecker zu ersetzen.

Allerdings werden die meisten PXI-1-Module heutzutage mit dem Hybrid-Stecker-System geliefert. Bevor man allerdings neue Module anschafft, sollte man sich vergewissern, dass sie entweder mit dem PXIe- oder dem PXI-Hybrid-Steckersystem ausgerüstet sind.

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