Solution de test RF selon la norme 3GPP 5G NR de National Instruments

Qu’est ce que le PXI ?





 

  • National Instruments est l’inventeur du format PXI (PCI eXtensions for Instrumentation).
  • Cette extension des cartes au format PCI pour l’instrumentation est aujourd’hui devenu un standard exploité par de nombreux constructeurs.
  • Un système PXI repose sur une architecture modulaire composée de trois éléments de base : un châssis, un contrôleur (PC embarqué ou externe), et les modules PXI (cartes d’entrées/sorties ou instruments) enfichés dans le châssis.
  • Le standard PXI associe les spécifications du bus PCI (Peripheral Component Interconnect), exploité par tous les PC traditionnels, au format de carte Eurocard du CompactPCI en y ajoutant des bus de synchronisation et des fonctionnalités logicielles indispensables aux applications de test et mesure.
  • National Instruments a développé et annoncé les spécifications PXI en 1997, puis en a fait un standard industriel ouvert en 1998, destiné à répondre aux exigences des systèmes d’instrumentation complexes. Tout fournisseur peut ainsi concevoir des cartes au format PXI.
  • Le standard PXI est géré par le groupe PXISA (PXI Systems Alliance) qui est chargé de promouvoir ce standard, d’assurer l’interopérabilité et de maintenir les spécifications PXI.
  • Une soixantaine d’entreprises, aujourd’hui membres de PXISA, propose plus de 1 500 types de modules PXI : acquisition de signaux, cartes d’entrées/sorties, unités de source et de mesure, oscilloscopes, analyseurs de signaux RF, multiplexeurs, multimètres, etc.
  • Les modules PXI reposent sur le format standard CompactPCI, géré par le groupe PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group). Les cartes CompactPCI et les modules PXI peuvent cohabiter au sein du même système PXI.
  • Le PXI a suivi l’évolution qu’a connu fin 2005 le bus PCI en passant à la version PCI Express. Le bus PXI Express fournit davantage de bande passante que le PXI. Il peut être intégré dans le fond de panier du châssis PXI tout en préservant la compatibilité avec les matériels existants.
  • National Instruments, l’inventeur du PXI et acteur majeur du domaine, propose dans cet article une présentation détaillée de l’architecture et de toutes les caractéristiques propres à un système modulaire au format PXI.

 
 
Les systèmes PXI sont composés de trois éléments fondamentaux : le châssis, le contrôleur du système et les modules périphériques.

# Châssis PXI
Les châssis existent aux formats 3U et 6U. Ils comportent 4, 6, 8, 14 et 18 emplacements. Une unité de baie (rack unit – U) est une unité de mesure utilisée pour décrire la hauteur d’un matériel destiné au montage dans une baie de 19 ou 23 pouce (valeur correspondant à la largeur de la baie). Une unité de baie correspond à une hauteur de 44,45 mm (17,5 pouces). La taille d’un matériel monté en baie est généralement représentée par un nombre en “U”.

Châssis PXI de National Instruments.
Exemples de châssis PXI dotés 4 à 18 emplacements (slots) proposés par National Instruments.

Parmi les options des châssis spécifiques, citons les alimentations AC et DC et le conditionnement de signaux intégré. De nombreux châssis PXI Express peuvent recevoir des modules PXI et PXI Express et certains, comme le NI PXIe-1075, sont dotés d’emplacements hybrides et d’emplacements PXI Express ce qui permet d’utiliser aussi bien des module PXI Express que des modules PXI hybrides.

Le châssis intègre un fond de panier PXI, qui comprend le bus PCI et des bus de cadencement et de déclenchement. L’instrumentation modulaire PXI ajoute une horloge de référence système 10 MHz dédiée, un bus de déclenchement PXI, un bus de déclenchement en étoile et un bus local de communication avec les emplacements voisins pour répondre au besoin de cadencement, de synchronisation et de communication proche à proche avancés, sans perdre aucun des avantages du PCI.

Le PXI a suivi l’évolution du bus PCI vers la version PCI Express. Le standard PXI Express améliore la bande passante disponible du bus fond de panier du châssis. Ce qui lui permet d’étendre son champ d’applications. La technologie PCI Express peut être intégrée dans le fond de panier du châssis PXI tout en préservant la compatibilité avec les matériels existants.

L’emplacement du contrôleur du système est capable de supporter des liaisons PCI Express x16 en plus des liaisons x1, x4 et x8, ce qui assure jusqu’à 6 Go/s de bande passante en fond de panier PXI Express. En tirant parti de la technologie PCI Express, le PXI Express fait passer la bande passante disponible de 132 Mo/s avec le PXI à 6 Go/s, soit une progression d’un facteur supérieur à 45, tout en garantissant la compatibilité logicielle et matérielle avec les modules PXI.

En s’appuyant sur les capacités du PXI, le PXI Express offre en plus les caractéristiques de cadencement et de synchronisation d’une horloge système différentielle de 100 MHz, des signaux différentiels, et des déclenchements en étoile différentiels. En utilisant la synchronisation et le cadencement différentiels, les systèmes PXI Express bénéficient d’une immunité au bruit accrue pour les horloges d’instrumentation et de la capacité de transmettre des données à des fréquences plus élevées.

Avec ces bus de cadencement et de déclenchement, il est possible de développer des systèmes pour des applications nécessitant une synchronisation de grande précision.

Un moniteur de systèmes PXI de NI permet d’observer les paramètres de fonctionnement de nombreux châssis et contrôleurs PXI. L’API est disponible aussi bien en LabVIEW qu’en C ANSI. Ces valeurs peuvent être recueillies et traitées par programmation afin d’établir un diagnostic de l’état du système.
 
# Contrôleurs PXI
Dans la plupart des châssis PXI, l’emplacement se situant à l’extrémité gauche (emplacement 1) est réservé au contrôleur système. Plusieurs options de contrôle sont possibles : un contrôleur déporté, relié et piloté par un ordinateur de bureau, une station de travail, un serveur ou un portable, ou un contrôleur embarqué exploitant un système d’exploitation Microsoft (Windows 7/Vista/XP) ou un système d’exploitation temps réel (LabVIEW Real-Time).

Les contrôleurs embarqués PXI permettent de s’affranchir d’un PC externe. Le système est ainsi complètement intégré au sein du châssis PXI. Ces contrôleurs embarqués possèdent toutes les caractéristiques d’un PC standard : processeur intégré, disque dur, mémoire RAM, ports Ethernet, port de sortie graphique, des ports USB et série. Ils proposent d’autres périphériques, ainsi que Microsoft Windows et tous les drivers pré-installés. Ils sont disponibles pour des systèmes au format PXI ou PXI Express et peuvent exploiter au choix un système d’exploitation tel que Windows 7/Vista/XP ou LabVIEW Real-Time.

Contrôleurs PXI embarqués de National Instruments.
Gamme de contrôleurs embarqués au format PXI proposée National Instruments.

Les contrôleurs embarqués PXI sont généralement conçus à l’aide de composants de PC standards dans un conditionnement PXI compact. Par exemple, le contrôleur embarqué de la gamme NI PXIe-8880 exploitant un processeur Intel Xeon intègre jusqu’à huit coeurs, 24 Go de mémoire DDR4 et 24 lignes de connectivité Gen3 PCI Express vers le fond de panier.

Les contrôleurs embarqués conviennent tout particulièrement aux systèmes portables et aux applications exigeant l’intégration de l’ensemble des ressources système dans un seul boîtier.

Châssis PXIe-1095, 18 slots et 58W, de National Instruments
Le châssis PXIe-1095 de National Instruments est doté de 18 slots. Le contrôleur embarqué est intégré à l’extrémité gauche du châssis.

Le contrôle distant d’un système PXI avec un ordinateur de bureau ou portable permet d’optimiser les performances des processeurs pour un coût minimal, en toute transparence du point de vue logiciel et sans programmation supplémentaire.
 
Contrôle du PXI depuis un ordinateur portable.
Les kits d’interface NI ExpressCard MXI (Measurement eXtensions for Instrumentation) et PCMCIA CardBus permettent de contrôler des systèmes PXI directement depuis des ordinateurs portables via un lien transparent au niveau logiciel. Lors du démarrage, l’ordinateur portable reconnaît tous les modules dans le système PXI comme des cartes PCI qui peuvent ensuite être contrôlés par le PC portable. Pour assurer le contrôle du système PXI depuis un PC portable, il faut insérer une carte ExpressCard/PCMCIA CardBus dans le PC portable et un module PXI/PXI Express dans l’emplacement 1 du châssis PXI. Cette carte et ce module sont connectés entre eux par un câble de cuivre.

Le kit d’interface NI ExpressCard MXI fournit un pont PCI Express vers PCI transférant 110 Mo/s du portable vers le châssis PXI. Le kit d’interface PCMCIA CardBus fournit, quant à lui, un pont PCI vers PCI transférant 50 Mo/s du portable vers le châssis PXI.

N’importe quel PC portable compatible avec NI ExpressCard MXI ou PCMCIA CardBus permet ainsi de contrôler un système PXI à distance.
 
Contrôle du PXI depuis un PC.
Les kits d’interface MXI-Express et MXI-4 permettent de contrôler des systèmes PXI directement depuis des ordinateurs de bureau, des stations de travail ou des serveurs. Le contrôle des systèmes PXI depuis des PC s’effectue via un lien transparent au niveau du logiciel et du driver. Lors du démarrage, l’ordinateur reconnaît tous les modules dans le système PXI comme des cartes PCI, avec lesquelles il est possible d’interagir via le contrôleur. Le contrôle du PXI depuis un PC nécessite la mise en place d’une carte PCI/PCI Express dans l’ordinateur et d’un module PXI/PXI Express dans l’emplacement 1 du système PXI. Cette carte et ce module sont connectés entre eux par un câble de fibre optique ou de cuivre.

Le kit d’interface MXI-Express fournit un pont PCI Express vers PCI avec un débit de 110 Mo/s du PC vers le châssis PXI. Le kit d’interface 2 ports NI PXI-PCIe8362 autorise le contrôle de deux systèmes PXI en simultané depuis un seul et même PC. À l’aide d’une interface MXI-Express, il est possible de créer des systèmes PCI multichâssis utilisant une topologie configurée en étoile, avec des câbles en cuivre de 3 ou 7 m. Cette interface est compatible avec des emplacements PCI Express x1, x4, x8, et x16.

Le kit d’interface MXI-4 offre un pont PCI vers PCI d’un débit de 78 Mo/s d’un PC vers le châssis PXI. Le kit d’interface MXI-4 offre des câbles de connexion de cuivre faible coût ou des câbles de connexion de fibre optique aussi bien pour une utilisation sur de longues distances que pour une meilleure isolation électrique. Il est également possible de concevoir des systèmes multichâssis PXI en mettant en œuvre une topologie en cascade ou en étoile en utilisant un lien MXI-4.
 
# Modules PXI
Le format PXI étant un standard industriel ouvert, plus de 1 500 types de modules sont disponibles sur le marché proposés par une soixantaine de fournisseurs. Le bus PXI offre des largeurs de bande passante et des faibles temps de latence permettant de concevoir des instruments modulaires pour les applications allant du continu jusqu’aux radiofréquences. National Instruments dispose à son catalogue de plus de 200 types de modules PXI : acquisition de données, commutation (par matrices ou multiplexeurs), commande d’axes, vision, synchronisation avancée et interfaçage avec d’autres bus.
 

Modules PXI de National Instruments.
Exemples de modules d’entrées/sorties et d’instrumentation PXI proposés par National Instruments.

 
Le format PXI étant compatible avec le standard CompactPCI, de nombreux modules CompactPCI de taille 3U ou 6U peuvent être employés dans un système PXI ou PXI Express. Des cartes CardBus/PCMCIA et PMC (PCI Mezzanine Card) peuvent aussi être intégrées dans des systèmes PXI en recourant à des modules de support. Il est par exemple possible avec le support pour carte PC NI PXI-8221 de connecter des matériels CardBus et PCMCIA à des systèmes PXI.

Le standard PXI permet de préserver l’investissement dans des instruments autonomes ou de systèmes VXI existants en proposant des matériels et des logiciels standards pour la communication entre différents bus. L’interfaçage d’un système PXI à des instruments GPIB se réalise par exemple avec un module PXI-GPIB, de la même façon qu’avec une carte PCI-GPIB. Il existe également diverses méthodes pour interfacer un système PXI et un système VXI (VME eXtensions for Instrumentation).
 
# Architecture logicielle
Le développement et le fonctionnement de systèmes PXI sous Windows ne diffèrent pas de ceux d’un PC standard sous Windows. En outre, comme le fond de panier PXI utilise le bus PCI standard, l’écriture de logiciels pour communiquer avec les modules PXI est, dans la majorité des cas, similaire à ce qui se passe avec les cartes PCI. Par conséquent, il n’est pas nécessaire de modifier les applications logicielles, les techniques de programmation ou les exemples de code existants lors de l’évolution d’un système sur PC à un système PXI.

Les systèmes PXI Express garantissent également la compatibilité logicielle afin de préserver l’investissement en matière de logiciels existants. Le PCI Express utilisant le même driver et le même modèle de système d’exploitation que le PCI, les spécifications assurent une compatibilité logicielle d’un système à un autre. Par conséquent, les fournisseurs comme les clients n’ont aucunement besoin de modifier le driver ou les logiciels d’application pour les systèmes PCI Express.

Les systèmes PXI et PXI Express pouvant utiliser les mêmes drivers que le PCI, le logiciel permettant de communiquer avec un module d’acquisition de données multifonction PXI est identique à celui utilisé pour la communication avec une carte PCI dans un PC.
 
Applications temps réel
Les applications critiques d’un point de vue temporel qui nécessitent des vitesses de boucles déterministes et un fonctionnement autonome (sans clavier, ni souris, ni écran) peuvent exploiter une architecture logicielle temps réel. Les systèmes d’exploitation temps réel permettent de définir la priorité des tâches de façon à ce que la tâche la plus critique prenne toujours le contrôle du processeur lorsque cela s’avère nécessaire. Cette caractéristique rend possible la programmation d’une application avec des résultats prévisibles et un jitter réduit.

Les spécifications PXI présentent des frameworks logiciels pour systèmes PXI basés sur des systèmes d’exploitation Microsoft Windows. Le contrôleur peut ainsi utiliser des interfaces de programmation d’applications standards, comme NI LabVIEW, LabWindows/CVI, ainsi que Measurement Studio, Visual Basic, et enfin Visual C/C++. Les fichiers d’initialisation qui définissent la configuration et les capacités du système sont nécessaires pour les composants PXI. L’implémentation de l’architecture VISA (Virtual Instrument Software), largement adoptée dans le domaine de l’instrumentation, est indispensable au PXI pour la configuration et le contrôle des instruments VXI, GPIB, série et PXI.