Tutorium PXI-Hard- und Softwarearchitektur

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1 Tutorium PXI-Hard- und Softwarearchitektur Dieses Tutorium bietet einen Überblick über PXI, insbesondere die PXI-Hard- und - Softwarearchitektur sowie eine Einführung in die Konfiguration von PXI-Systemen. Inhalt: Einleitung Hardware-Architektur Software-Architektur Systemkonfiguration Zusammenfassung Einleitung Die Spezifikation von PCI extensions for Instrumentation (PXI) definiert eine robuste, PCgestützte Plattform für Mess- und Automatisierungssysteme. PXI kombiniert die Leistungsmerkmale des elektrischen Busses PCI im mechanisch solide konstruierten, modularen CompactPCI-Chassis im Eurocard-Format sowie mit speziell für die Synchronisation und Triggerung konzipierten Bussen und bedeutenden Softwaremerkmalen. Somit ist PXI eine äußerst leistungsfähige, aber gleichzeitig auch kostengünstige Plattform für Mess- und Automatisierungssysteme. Daher findet es nicht nur Einsatz bei Produktionsprüfung, Maschinenüberwachung und industriellen Tests, sondern auch in den unterschiedlichsten Bereichen wie Verteidigungswesen, Luft- und Raumfahrt und im Automotive-Bereich. PXI, das im Jahr 1997 entwickelt und 1998 auf den Markt gebracht wurde, wurde als offener Industriestandard eingeführt, um den stetig wachsenden Anforderungen an komplexe Messsysteme gerecht zu werden. Heute obliegt PXI der PXI Systems Alliance (PXISA), einem Konsortium von mehr als 65 Mitgliedsunternehmen, die dafür Sorge tragen, dass der PXI- Standard weiter vorangetrieben, Interoperabilität gewährleistet und die PXI-Spezifikation weiter gepflegt wird.

2 Hardware-Architektur PXI-Systeme bestehen aus drei Grundkomponenten: dem Chassis, dem System-Controller sowie modularen Peripheriemodulen. Abb. 1: Ein Standard-PXI-Chassis mit acht Steckplätzen umfasst einen Embedded-System-Controller und sieben Steckmodule. PXI-Chassis Das Chassis dient als mechanisch und elektrisch solides Gehäuse für das System. Die Gehäuse gibt es in den Größen mit 4 Steckplätzen bis hin zu 18 Steckplätzen und lassen sich auch mit besonderer Funktionalität ausstatten, wie etwa mit Gleichstromquellen und integrierter Signalkonditionierung. Zudem verfügen diese Chassis über eine hochleistungsfähige PXI-Backplane, die den PCI-Bus sowie zusätzliche Timing- und Trigger- Busse beherbergt (s. Abb. 3). Mithilfe dieser Timing- und Trigger-Busse lassen sich Anwendungen realisieren, die präzise Synchronisation erfordern. Erfahren Sie mehr zu unter:

3 Abb. 2: PXI-basierte Timing- und Trigger-Busse kombinieren Industriestandard-PC-Komponenten, wie den PCI-Bus, mit hoch entwickelten, in der Backplane integrierten Erweiterungen für präzise Triggerund Synchronisationsaufgaben. PXI-Controller Laut Definition der PXI-Hardware-Spezifikation ist der Steckplatz, der sich ganz links außen befindet (Slot 1), bei allen PXI-Chassis für den System-Controller reserviert. Die Ansteuerung des Systems kann entweder aus der Ferne über einen Standard-Desktop-Rechner, eine Workstation, einen Server oder einen Laptop erfolgen oder durch einen hochleistungsfähigen Embedded-Controller realisiert werden, der über ein Microsoft-Betriebssystem (wie etwa Windows 2000/XP) oder ein Echtzeitbetriebssystem (wie LabVIEW Real-Time) verfügt. Dezentrale PXI-Controller Es gibt zwei verschiedene Arten von dezentralen PXI-Controllern: Laptop-gestützte Fernsteuerung von PXI-Systemen PC-gestützte Fernsteuerung von PXI-Systemen Laptop-gestützte Steuerung von PXI-Systemen Die Schnittstellen MXI ExpressCard (MXI=Measurement extensions for Instrumentation) sowie PCMCIA CardBus ermöglichen es dem Anwender, PXI-Systeme direkt vom Laptop aus zu steuern. Beim Booten erkennt der Laptop alle Peripheriemodule im PXI-System als lokale PCI-Geräte.

4 ExpressCard-MXI-Schnittstellenkit PCMCIA-CardBus-Schnittstellenkit Abb. 3: Laptop-gestützte Steuerung eines PXI-Systems Die ExpressCard MXI verwendet eine PCI-Express-zu-PCI-Brücke mit einer Bandbreite von 110 MB/s, um das PXI-Chassis mit dem Laptop zu verbinden. Die PCMCIA CardBus arbeitet als PCI-zu-PCI-Brücke zwischen PXI-Chassis und Laptop und erreicht eine Bandbreite von 50 MB/s. Anwender dieser Schnittstellen haben den Vorteil, ihre PXI-basierten Anwendungen von einem Laptop fernzusteuern und so mobile/portable PXI-Systeme zu realisieren. Für die Fernsteuerung Ihres PXI-Systems können Sie jeden ExpressCard-MXI-kompatiblen bzw. PCMCIA-CardBus-kompatiblen Laptop einsetzen. PC-gestützte Steuerung von PXI-Systemen Die Schnittstellen MXI-Express und MXI-4 erweitern die PC-gestützte Steuerung von PXI- Systemen auf Desktop-Geräte, Workstations und Server. Beim Booten erkennt der PC alle Peripheriemodule im PXI-System als lokale PCI-Geräte. Abb. 4a: Die dezentrale Steuerung mittels 2-port MXI-Express (2 Anschlüsse) ermöglicht die zeitgleiche Steuerung von zwei PXI-Chassis mit einem kombinierten Datendurchsatz von 160 MB/s. Das MXI-Express-Schnittstellenkit bietet eine PCI-Express-zu-PCI-Brücke mit einer Bandbreite von 110 MB/s, die den PC mit dem PXI-Chassis verbindet. Mithilfe des Schnittstellenkits NI PXI-PCIe port (2 Anschlüsse) können Anwender zwei PXI-Systeme gleichzeitig von einem einzigen PC aus steuern.

5 Abb. 4b: Die dezentrale Steuerung mittels MXI-4-Verbindung ermöglicht Anwendern sowohl die PCgestützte Steuerung von PXI-Systemen als auch die Erstellung von PXI-Systemen mit mehreren Chassis. Bei MXI-4 handelt es sich ebenso um ein Schnittstellenkit mit Brückenfunktionalität. Eine PCIzu-PCI-Brücke mit einer Bandbreite von 78 MB/s verbindet den PC mit dem PXI-System. Im Lieferumfang des MXI-4-Kits sind kostengünstige Kupfer- bzw. Glasfaserkabel enthalten. Diese Kabelverbindungen sind für Systeme geeignet, bei denen sowohl elektrische Isolierung benötigt wird als auch weite Strecken überbrückt werden müssen. MXI-4 ermöglicht Anwendern ferner die Erstellung von PXI-Systemen mit mehreren PXI-Chassis (siehe Abbildung 4b). Mittels einer MXI-4-Verbindung können mehrere Chassis entweder hintereinander verkettet oder in Sternform konfiguriert werden. Für die dezentrale Steuerung Ihres PXI-Systems stehen Ihnen beliebige Plattformen zur Verfügung. MXI-Express bzw. das MXI-4-Kit (Ausführung als serielles Kupfer- oder Glasfaserkabel) sind mit jedem Desktop-PC, jeder Workstation und jedem Server kompatibel. Durch den Einsatz dezentraler PXI-Controller für die Fernsteuerung eines PXI-Systems mittels Desktop-PC bzw. Laptop lässt sich die Prozessorleistung auf ein Höchstmaß steigern und das bei minimalen Kosten. Sämtliche Produkte für die dezentrale Steuerung PXI-basierter Anwendungen arbeiten softwaretransparent, so dass keine zusätzliche Programmierung erforderlich ist. Embedded-PXI-Controller Werden Embedded-Controller eingesetzt, erübrigen sich externe PCs, so dass ein PXI-Chassis das komplette PC-System darstellt. In der Regel bestehen Embedded-PXI-Controller aus Standard-PC-Komponenten im kompakten Formfaktor von PXI. So ist der Controller NI PXI beispielsweise mit einem Pentium 4-M 2.5 GHz Prozessor, bis zu 1 GB DDR- Arbeitsspeicher, einer Festplatte und Standard-PC-Peripheriekomponenten wie USB-2.0- und Ethernet-Ports sowie parallelen und seriellen Anschlüssen ausgestattet. Ferner lässt sich jedes beliebige Betriebssystem auf dem PXI-Controller installieren, wie etwa Windows 2000/XP oder LabVIEW Real-Time.

6 Abb. 5: Der Embedded-Controller PXI-8187 von National Instruments mit Pentium 4-M 2.5 GHz Prozessor. Der Controller integriert vertraute PC-Peripherietechnologien wie Tastatur/Maus, Bildschirmschnittstellen, Festplatte, USB-2.0- und Ethernet-Ports, serielle Anschlüsse sowie weitere Standard-PC-Peripheriekomponenten. Der PXI-8187 unterstützt Standard-Betriebssysteme wie Windows 2000/XP und kann als Zielgerät für Echtzeitanwendungen mit LabVIEW Real-Time eingesetzt werden. Embedded Controller eignen sich ideal für mobile Systeme und sehr kompakte Anwendungen. Weiterführende Informationen erhalten Sie unter: PXI-Peripheriemodule National Instruments hat über 100 verschiedene PXI-Module im Angebot, und da es sich bei PXI um einen offenen Industriestandard handelt, sind inzwischen an die 1000 Module der mehr als 65 Mitgliedsunternehmen der PXI System Alliance erhältlich.

7 PXI ist direkt kompatibel mit CompactPCI, wodurch jedes 3 HE messende CompactPCI-Modul ohne Weiteres in einem PXI-System eingesetzt werden kann. Zusätzlich lassen sich mithilfe von Trägermodulen Cardbus/PCMCIA- und PMC-Karten (PMC = PCI Mezzanine Card) direkt in PXI-Systeme installieren. So eignet sich zum Beispiel das PXI-8221, ein Trägermodul für PC- Cards von National Instruments, für den Anschluss von Cardbus- und PCMCIA-Karten an PXI- Systeme. Durch Verwendung von PXI werden außerdem bereits getätigte Investitionen in Stand-alone- Geräte oder VXI-Systeme gewahrt, da für die Kommunikation mit solchen Systemen Standard-Hard- und -Software verfügbar sind. Der Anschluss eines GPIB-gestützten Instruments an ein PXI-System z. B. gestaltet sich mit einem PXI-GPIB-Modul nicht anders als mit einem PCI-GPIB-Modul. Auch die Software ist identisch. Zudem gibt es mehrere Möglichkeiten, PXI- und VXI-Geräte miteinander zu verbinden. Software-Architektur Nicht nur die PXI-Hardware stützt sich auf Standard-PC-Technologien wie den PCI-Bus sowie Standard-CPUs und -Peripheriegerätetechnologien, sondern auch die Softwarearchitektur basiert auf Standard-Windows-Technologien und ist dem Anwender daher vertraut. Die Entwicklung und der Einsatz der Windows-gestützten PXI-Systeme erfolgen in exakt derselben Weise wie bei Windows-basierten PCs. Auch die Programmierung der Kommunikation mit den PXI-Geräten ist in vielen Fällen identisch mit der von PCI-Geräten, da die PXI-Backplane den PCI-Bus nutzt, der sich mittlerweile als Industriestandard etabliert hat. So ist die Treibersoftware, die mit einer Multifunktions-Datenerfassungskarte des Typs NI PXI-6251 kommuniziert, identisch mit der einer PCI-6251-Karte in einem PC. Aus diesem Grund müssen Applikationssoftware, Beispielcode und Programmiermethoden nicht neu entwickelt bzw. umgeschrieben werden, wenn von einem PC- auf ein PXI-System migriert werden soll oder umgekehrt. Abb. 6: Zwei verschiedene Formfaktoren ein Softwarestandard. Die Kommunikation mit PXI-Modulen (unten) und PCI-Modulen (oben) basiert auf einer identischen Softwarearchitektur. Alternativ zu Windows-gestützten Systemen können Echtzeit-Softwarearchitekturen für zeitkritische Anwendungen eingesetzt werden, bei denen deterministische Schleifengeschwindigkeiten und die Durchführung von Aufgaben ohne Tastatur, Maus und Monitor (= Headless-Betrieb) erforderlich sind.

8 Systemkonfiguration Gern konfigurieren wir Ihnen Ihr PXI-System. Dabei stellen wir Ihnen eine Reihe von gezielten Fragen, nach deren Beantwortung sie automatisch das für Ihre Zwecke ideale System inklusive Controller, Software, Module, Zubehör und PXI- bzw. PXI-SCXI- Kombichassis zusammengestellt bekommen. Zusammenfassung Die Spezifikation für die modulare Instrumentierung mit PXI definiert eine robuste Plattform für in der Mess- und Automatisierungstechnik eingesetzte Industrie-PCs, die sich die Vorteile der technologischen Fortschritte in der Standard-PC-Industrie zunutze macht. Aufgrund dessen, dass der Standard-Bus PCI in allen modularen PXI-Systemen zu finden ist, können diese Systeme mit gängigen Hard- und Softwarekomponenten kombiniert werden. Die auf PXI-Systemen lauffähigen Anwendungen und Betriebssysteme sind exakt dieselben wie diejenigen, die auf ganz normalen Desktop-Rechnern zu finden sind, weshalb der Anwender bestens damit vertraut ist. Durch ein solides, für Industrieumgebungen geeignetes Gehäuse, eine Vielzahl an I/O-Steckplätzen sowie Funktionen, die anspruchsvolles Timing und Triggern erlauben, kann PXI auf die unterschiedlichsten Bedürfnisse zugeschnitten werden.