PXI とは？

このチュートリアルでは、PXIハードウェアアーキテクチャ、ソフトウェアアーキテクチャ、およびPXIシステムの構成入門といった、PXIの概要を説明します。

はじめに

PCI eXtensions for Instrumentation（PXI）は、あらゆる計測/制御システムに利用できる堅牢性に優れた高性能で低コストなPCベースプラットフォームです。実験、評価、テストなどの用途に、計測/制御用モジュールを自由に組み合わせ、アプリケーションによって異なる様々なニーズに過不足なく応えるシステムを構築することが可能です。PXIは、堅牢なCompactPCI（工業用PCI）をベースにしており、計測/制御用の同期バスを追加しています。さらに、ソフトウェアで様々な機能を追加することが可能です。PXIは、家電製品や電子部品の機能検査、航空機の疲労試験、機械設備の状態監視、自動車のベンチ計測やシミュレーション、工業用計測などのアプリケーションに利用されています。

ナショナルインスツルメンツは、複雑な計測システムの需要が高まる状況に対応するため、オープン工業規格として、1997年にPXI仕様を開発/発表し、1998年に販売を開始しました。現在、PXIは、PXI Systems Alliance (PXISA) によって管理されています。PXISAは、設立当初50社以上の企業が参画していて、PXI規格を推進し、互換性を確保し、PXI仕様を維持することを目的としています。PXIはオープン規格のため、どのようなベンダでもPXI製品を設計することが可能です。PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) によって策定されている規格CompactPCIとPXIモジュールは競合することなく同じPXIシステムに収容できます。CompactPCIとPXIの互換性は、PXI仕様の重要な特長です。

PC業界では2005年の終わりにPCIがPCI Expressへと発展して、使用可能なバス帯域幅が大幅に向上したため、PXIにおいても、PCI Expressを導入することによって、さらに広い帯域幅が実現できました。PXIは、PCI ExpressをPXI規格に取り入れることによって、さらに多くのニーズを満たします。PCI Expressテクノロジは、バックプレーンに搭載できると同時に、既存システムとの下位互換性を維持しています。システムコントローラスロット（PC部が入るスロット、下記「PXIコントローラ」を参照）は、x1、x4、およびx8リンクに加えて、最大x16 PCI Expressリンクに対応でき、最大6 GB/秒の帯域幅をPXI Expressバックプレーンに供給します。PCI Expressテクノロジをバックプレーンに採用することで、PXI Expressは帯域幅を132 MB/秒から6 GB/秒に向上させています。これは、PXIモジュールとのソフトウェア/ハードウェア互換性を保ったまま帯域幅を45倍以上に高めたということになります。こうした性能の向上により、PXIは、以前ならその多くが高価な専用ハードウェアのみでしか対応できなかったアプリケーションの分野にまで進出することができます。

PXI Expressの詳細については、NI Developer Zoneチュートリアル「PXI Express のよくある質問（FAQ）」をご参照ください。

ハードウェアアーキテクチャ

PXIシステムは3つの基本コンポーネント（シャーシ、コントローラ、周辺モジュール）で構成されています。

 

図1. 組込システムコントローラおよび7つの周辺モジュールを収容した標準8スロットPXIシャーシ

PXIシャーシ

シャーシは、システムにおいて、堅牢性に優れたモジュール式パッケージとして機能します。シャーシは一般的に4、6、8、14、および18スロット、3Uおよび6Uのサイズがあります。ラック単位（U）は、19インチまたは23インチラック（ラックの幅サイズ）にマウントするように設計されたものの高さを表すのに使用する計測単位です。1つのラック単位の高さは44.45 mm（1.75インチ）です。ラックマウント式装置のサイズは、通常、「U」の単位で表されます。シャーシの種類には、AC電源、DC電源の他に、信号調節内蔵型などがあります。PXI Expressシャーシの多くは、PXIおよびPXI Express周辺モジュール（下記「周辺モジュール」参照）に対応しており、NI PXIe-1075 などは、ハイブリッドのPXI Express周辺スロットを備えているため、PXI Expressおよびハイブリッド対応PXI周辺モジュールを使用することができます。これらのシャーシでは、様々なシステム構成を可能にしているため、多くのアプリケーションニーズを満たすことができます。

 

図2. シャーシのオプションには、DC電源のオプションが付いたNI PXI-1031（左）、およびシステムコントローラおよび周辺モジュール用に18スロットを備えたNI PXIe-1075（右）などがある。

シャーシには、PCIバスやタイミング/トリガバスを含む高性能なPXIバックプレーンが搭載されています。PXIモジュール式計測器は、専用の10 MHzシステム基準クロック、PXIトリガバス、スタートリガバス、およびスロット間ローカルバスを追加して、高度なタイミング、同期機能を提供しながら、PCIが提供する高速通信のメリットも損なうことがありません。

 

図3. PXIタイミング/トリガバス – PXIは、PCIバスなどの業界規格のPCコンポーネントと上級トリガ
および同期機能をバックプレーンで統合している。

PXIの機能に基づいて、PXI Expressは、100 MHz差動型システムクロック、差動信号伝達、および差動スタートリガといった新たなタイミング/同期機能を追加します。差動型タイミング/同期機能を使用することにより、PXI Expressシステムには、計測クロックに対する耐ノイズ性が向上し、高い周波数でのクロック信号の伝達が可能になるといったメリットが生まれます。

 

図4. PXI Expressタイミング/トリガバスは、PXIタイミング/トリガ機能を拡張し、
差動型システムクロック、差動信号伝達、および差動スタートリガをバックプレーンに追加する。

これらのタイミング/トリガバスを使用すれば、正確な同期を必要とするアプリケーション用のシステムを開発できます。タイミング/トリガバスのPXI仕様の詳細については、NI Developer Zone「PXI仕様チュートリアル」（英語）をご参照ください。

タイミングおよび同期の概念の詳細については、NI Developer Zoneチュートリアル「分散クロック同期およびIEEE1588高精度時間プロトコルの概要」をご参照ください。

PXIコントローラ

PXIコントローラは、PXIシステムのPC部になります。ほとんどのPXIシャーシでは、シャーシの一番左のスロット（スロット1）がシステムコントローラ用のスロットです。コントローラには、デスクトップPCやワークステーション、サーバ、ノートPCを使用したリモートコントローラや、Microsoft OS（Windows Vista/XP）またはリアルタイムOS（LabVIEW Real-Time）をインストールした高性能な組込コントローラまで、いくつかの選択肢があります。リモートコントローラオプションには、ノートPCによるPXI制御と、デスクトップPCによるPXI制御の2タイプがあります。

PXI組込コントローラ – 組込コントローラがあれば、シャーシにPCを接続する必要がなく、PXIシャーシの中でシステムが完結します。これらの組込コントローラには、Microsoft Windowsやデバイスドライバがインストールされているほか、CPU、ハードディスクドライブ、RAM、イーサネット、ビデオ、キーボード/マウス、シリアル、USB、その他の周辺装置などの標準機能が搭載されています。こうしたコントローラはPXI用とPXI Express用のものがあり、Windows Vista/XPやLabVIEW Real-TimeなどのOSを必要に応じてインストールできます。

PXI組込コントローラは通常、小型のPXIパッケージに入った標準のPCコンポーネントを使用して作られています。例えば、NI PXI-8108コントローラは、2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400デュアルコアプロセッサ、最大4 GBのDDR2 RAM、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ（SSD）のオプション、Hi-Speed USB、Ethernet、シリアルおよびパラレルポートなどの標準のPC周辺機器を備えています。

 

図5. NI PXI-8108コントローラは、2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400 デュアルコアプロセッサ組込コントローラである。

組込コントローラは、ポータブルシステムや、全てを「1つのボックス」に入れてシャーシを移動させるような用途に最適です。詳細については、NIサイトの「PXIコントローラ」ページをご参照ください。

ノートPCによるPXI制御 – NI ExpressCard MXI（Measurement eXtensions for Instrumentation）およびPCMCIA CardBusインタフェースキットを使用すると、ノートPCから直接PXIシステムを制御できます。ノートPCの起動中、PXIシステムの全ての周辺モジュールはPCIボードとして認識され、ノートPCからこれらのモジュールを制御することができます。ノートPCによるPXI制御は、お使いのノートPCのExpressCard/PCMCIA CardBusカードと、PXIシステムのスロット1にあるPXI/PXI Expressモジュールから構成されており、銅ケーブルで接続します。

 

                       NI ExpressCard MXIインタフェースキット                PCMCIA CardBusインタフェースキット

図6. ノートPCによるPXI制御

NI ExpressCard MXIインタフェースキットには、ノートPCとPXIシャーシを接続する110 MB/秒のPCI Express⇔PCIブリッジが含まれています。PCMCIA CardBusインタフェースキットには、ノートPCとPXIシャーシを接続する50 MB/秒のPCI⇔PCIブリッジが含まれています。これにより、ノートPCから制御できるモバイル/ポータブルPXIシステムが実現します。NI ExpressCard MXI または PCMCIA CardBus に対応するノートPCがあれば、PXIシステムをリモート制御することができます。詳細については、NIサイトの「ノートPCによるPXI制御」ページをご参照ください。

デスクトップPCによるPXI制御 – NI MXI-ExpressおよびMXI-4インタフェースキットを使用すると、デスクトップ、ワークステーション、またはサーバコンピュータからPXIシステムを制御できます。ソフトウェアおよびドライバに対して透過的なリンクを介することによって、デスクトップPCによるPXIシステムの制御は実現します。デスクトップPCの起動中、PXIシステムの全ての周辺モジュールはPCIボードとして認識され、PCからこれらのデバイスを制御することができます。デスクトップPCによるPXI制御は、お使いのコンピュータのPCI/PCI Expressボードと、PXIシステムのスロット1にあるPXI/PXI Expressモジュールから構成されており、銅ケーブルまたは光ファイバーケーブルで接続します。

 

図7a. 2ポートMXI-Expressによるリモート制御により、2台のPXIシャーシを合計160 MB/秒で同時制御できる。

MXI-Expressインタフェースキットには、デスクトップPCとPXIシャーシを接続する110 MB/秒のPCI Express⇔PCIブリッジが含まれています。NI PXI-PCIe8362 2ポートインタフェースキットを使用すると、1台のPCで2台のPXIシステムを同時制御できます。MXI-Expressインタフェースを使用すれば、スター型構成で、3 mまたは7 mの銅ケーブルを使用したマルチシャーシPCＩシステムを構築することができます。このインタフェースは、x1、x4、x8、およびx16 PCI Expressスロットに対応しているため、このオプションはあらゆるタイプのデスクトップPCで使用できます。MXI-Expressの詳細については、MXI-Expressシリーズユーザマニュアル（英語）をご参照ください。

 

図7b. MXI-4を使用したリモート制御によって、デスクトップPCによるPXIとマルチシャーシPXIシステムの制御が実現する。

MXI-4インタフェースキットには、PCとPXIシステムを接続する78 MB/秒のPCI⇔PCIブリッジが含まれています。MXI-4インタフェースキットには、低コストの銅リンクまたは光ファイバリンクが付属しており、長距離の接続と電気的絶縁に対応します。図7bに示したとおり、MXI-4を使用してマルチシャーシPXIシステムを構築することができます。MXI-4リンクを使用すれば、デイジーチェーンまたはスター型構成で、マルチシャーシシステムを構築することができます。マルチシャーシ構成のトポロジの詳細については、 MXI-4シリーズユーザマニュアル（英語）をご参照ください。

PXIリモートコントローラを使用すれば、デスクトップPCやノートPCを使用したPXIシステムのリモート制御が最少コスト、最高のプロセッサ性能で実現できます。全てのリモート制御製品はソフトウェアに対して透過的であるため、追加でプログラミングを行う必要がありません。あらゆるデスクトップPC、ワークステーション、サーバで、MXI-Expressもしくは銅ケーブル/光ファイバMXI-4シリアルリンクを使用したPXIシステムのリモート制御が可能です。詳細については、NIサイトの「PCによるPXI制御」ページをご参照ください。

PXI周辺モジュール

ナショナルインスツルメンツは、200種類を超えるPXIモジュールを提供しています。また、PXIは業界のオープン規格であることから、70社を超えるベンダが1,500種類を超えるモジュールを提供しています。

NI PXIモジュールの詳細については、「NI PXIモジュール」ページをご参照ください。ナショナルインスツルメンツおよび他社が提供しているモジュールのカテゴリ別リストは PXI ページでご覧いただけます。

PXIでは、高分解能DCから6 GHz RFまでの信号入出力モジュールを活用でき、計測/制御のスピードップにつながる最大の帯域幅および最小の遅延時間を実現します。PXIとCompactPCIはほぼ互換性があるため、3Uまたは6UのCompactPCIモジュールをPXIまたはPXI Expressシステムで使用することができます。さらに、キャリアモジュールを使用して、CardBus/PCMCIAおよびPMCカード（PCI Mezzanineカード）をPXIシステムで利用することができます。例えば、NI PXI-8221 PCカードキャリアを使用して、CardBusおよびPCMCIAデバイスを使用できます。ナショナルインスツルメンツでは、さまざまな計測器、データ集録、スイッチ、モータ制御、画像集録のほか、高度な同期機能や他のバスとの接続を備えたPXIモジュールを提供しており、あらゆるPXIシステムの構築に対応できます。

また、PXIは、複数のバス間を通信させる標準のハードウェアおよびソフトウェアによってスタンドアロン計測器やVXIシステムといった既存の資産を有効活用できます。例えば、PXIシステムをGPIBベース計測器に接続する場合、PXI-GPIBモジュールを使用すれば、PCI-GPIBカードで使用している場合と何ら変わりはありません。ソフトウェアは全く同じです。さらに、PＸＩとVXIを接続するには複数の方法があります。ハイブリッドシステムの詳細については、NI Developer Zoneチュートリアル「LXI、USB、PXI Expressなどの規格をハイブリッドテストシステムに統合する」（英語）をご参照ください。

ソフトウェアアーキテクチャ

WindowsベースPXIシステムの開発と操作は、標準のWindowsベースPCと同様です。さらに、PXIバックプレーンは業界規格のPCIバスを使用しているため、PXIモジュールと通信させるためのソフトウェアの記述は、ほとんどの場合、PCIボードの場合と同様です。したがって、PCベースシステムからPXIベースシステムへソフトウェアを移行しても、既存のアプリケーションソフトウェアやコードを記述し直す必要はありません。

PXI Expressシステムではソフトウェアの互換性もサポートしているため、既存ソフトウェアの資産も保持できます。PCI Expressでは、PCIと同じドライバおよびOSモデルが使用されているため、その仕様で、PCIベースシステム間でのソフトウェアの互換性が保証されています。結果として、メーカーもユーザもPCI Expressベースシステムに対してドライバやアプリケーションソフトウェアを変更する必要がありません。

PXIおよびPXI Expressシステムでは、PCIと同じドライバを使用できるため、NI PXI-6251マルチファンクションデータ集録モジュール用のソフトウェアは、PC内のNI PCI-6251ボード用のソフトウェアと同じです。

 

図8. PCIモジュール（上）でもPXIモジュール（下）でもソフトウェアは共通である。

Windowsベースシステム以外の選択肢として、リアルタイムソフトウェアが使用できます。リアルタイムソフトウェアは、確定性に優れたフィードバックループ、およびヘッドレス操作（キーボード、マウス、モニタがない）を必要とするアプリケーションに使用されます。リアルタイムOSによって、タスクを優先付けすることができるため、必要な場合は、最も重要なタスクに常にプロセッサを優先的に使用できます。 LabVIEW Real-TimeをPXIシステムに使用する場合の詳細については、ni.com/realtime をご参照ください。

PXIシステムのプログラミングには、NI LabVIEW、LabWindows™/CVIおよびMeasurement Studio、Visual Basic、およびVisual C/C++などの業界規格のアプリケーションプログラミングインタフェース（API）を使用することができます。PXIコンポーネントに対しては、システム構成およびシステム機能を定義する初期化ファイルが必要です。PXIでは、VXI、GPIB、シリアル、およびPXI計測器の構成および制御を行うのに、計測分野で広く普及しているVISA（Virtual Instrument Software Architecture）が必要とされます。

まとめ

PCプラットフォームがベースとなるPXIモジュール式計測器ではPC業界の主流となっている最先端のテクノロジのメリットを活用する堅牢な計測/オートメーションを実現します。標準規格のPCIバスを活用することによって、PXIモジュール式計測システムは、あらゆるソフトウェアおよびハードウェアコンポーネントのメリットを利用することができます。PXIシステムで実行するソフトウェアアプリケーションおよびOSは、一般的なデスクトップコンピュータで既に使用されているため、ユーザにとっては使い慣れたものばかりです。PXIによって、堅牢な工業用パッケージ、多数のI/O用スロット、および高度なタイミング/トリガ機能を追加することができ、ユーザのニーズはさらに満たされます。

その他のリソース

NI PXIスロットブロッカー – NIで提供しているスロットブロッカーはシャーシの未使用スロットに取り付けます。これにより、空のスロットでエアフローのバイパスが起こるのを軽減して、使用中のスロットの通気を良くします。スロットブロッカーを使用することにより、取り付けられたモジュールの電子部品の温度の上昇を最大20%低下させることができ、シャーシの冷却が強化されます。NI PXIスロットブロッカーの取り付けの詳細については、NI PXIスロットブロッカー取り付けガイド（英語）をご参照ください。

NI PXIシステムモニタ – NI PXIシャーシおよびコントローラの温度などの動作パラメータを監視することができます。APIはANSI CとLabVIEWの両方で使用することができるため、プログラミングによってこれらの値を収集/処理して、個々の使用状況におけるシステムの健全性を診断することができます。このAPIの詳細およびダウンロードについては、NI Developer Zoneチュートリアル「NI PXIソフトウェア、サポート、およびサービス」（英語）をご参照ください。

 

LabWindowsという商標は、Microsoft Corporationからの使用許諾を得て使用しています。Windowsは、Microsoft Corporationの米国およびその他の国における登録商標または商標です。