Electronique - L'instrumentation PXI

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L'instrumentation PXI
Avatar du CompactPCI, le standard d'instrumentation modulaire PXI occupe aujourd'hui une place de choix avec une offre voisine de 1 200 produits. Son évolution suivra celle des technologies PC, avec l'emploi annoncé de PCI Express qui lui fournira plus de bande passante, tout en préservant sa compatibilité avec les matériels actuels.

Jean-Pierre Landragin et Philippe Schwartz , Electronique Mensuel, le 19/01/2006 à 10h00

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	Sommaire du dossier
	L'instrumentation PXI
	Une offre pléthorique en instrumentation générale et émergente en RF

L'instrumentation modulaire semble avoir le vent en poupe si l'on en croit la rapidité de développement des produits de ce secteur. Outre la flexibilité due à un savant dosage de logiciel et de matériel, elle fournit désormais, dans sa déclinaison PXI, une alternative à la fois compacte et économique aux bancs de tests réalisés par assemblage d'appareils complets, sans pour autant sacrifier la performance.

Lancé par National Instruments en 1997, le standard PXI (PCI extensions for instrumentation) est une déclinaison spécialisée de l'architecture PCI (empruntée aux ordinateurs personnels), dans sa version CompactPCI destinée aux applications industrielles. Il reprend donc nombre de composants fabriqués à très large échelle pour l'industrie informatique, de même qu'une partie de l'investissement logiciel d'importants éditeurs.

Une architecture simple et efficace
Au même titre qu'en CompactPCI (cPCI), il existe deux formats de châssis et modules PXI : 3U, de loin le plus répandu, et 6U. Les extensions propres au PXI concernent la synchronisation, avec un bus de déclenchement à huit lignes sur le fond de panier, un déclenchement en étoile, plus précis mais qui nécessite l'adjonction d'une carte spéciale, et un bus local chaîné de carte à carte qui assure des liaisons directes entre modules adjacents sans passer par le bus PCI. Ces extensions sont similaires à celles qui ont permis de passer du VME au standard d'instrumentation VXI en 1987, à ceci près que le déclenchement en étoile n'était disponible que pour la taille D qui a rapidement disparu.

Dans un châssis PXI, l'emplacement numéroté 1 est réservé au module contrôleur de type PC ou à un module d'interface pour calculateur externe. Dans le premier cas, celui-ci occupe un volume exigeant plus d'un emplacement (jusqu'à quatre dans la pratique) et s'étend vers la gauche de façon à ne pas accaparer d'autres slots utiles sur le fond de panier.

L'emplacement numéro 2, situé à droite du contrôleur, peut recevoir a priori tout type de module, mais si le déclenchement en étoile est utilisé, c'est là que doit être installé le module réalisant cette fonction. Les autres slots sont à même d'accueillir des cartes instruments de différentes largeurs, mais qui n'occupent qu'un emplacement électrique sur le bus.

La norme CompactPCI spécifie un nombre maximal de huit modules sur le bus. Cela est notoirement insuffisant et les extensions nécessitaient d'installer des modules intégrant un pont PCI-PCI pour créer de nouveaux segments de bus. Un progrès a consisté à intégrer ces ponts PCI-PCI sur le fond de panier qui, de ce fait, n'est plus entièrement passif mais dont les capacités sont virtuellement illimitées : il peut en théorie y avoir jusqu'à 256 ponts PCI-PCI dans un système. La présence de ces ponts est repérée par le symbole | sur la face avant des châssis. Il pourra être nécessaire d'en tenir compte car ces ponts ne sont pas totalement transparents vis-à-vis des problèmes de déclenchement.

Au niveau logiciel, l'immense majorité des systèmes utilise les versions « professionnelles » de Windows, en l'occurrence NT et XP. Le support de Windows 95/98 est sorti de la norme. Quant aux autres systèmes, ils sont plutôt anecdotiques. PXI est totalement fermé aux divers MacOS, du fait qu'ils ne tournent pas sur plate-forme de type PC. En revanche, il est possible de faire fonctionner les contrôleurs PXI sous Linux ou avec des OS plus spécifiques des applications embarquées ou temps réel, essentiellement pour des raisons de stabilité. Cette conception nécessite quelques travaux d'approche, car si l'on a la garantie de trouver les pilotes logiciels pour Windows, cela est beaucoup moins sûr concernant les systèmes d'exploitation autres. Enfin, le standard PXI donne des prescriptions concernant les alimentations et le refroidissement des modules. Il est toutefois moins strict que VXI en ce qui concerne les solutions à mettre en oeuvre, et ces aspects sont souvent considérés comme très subsidiaires par les utilisateurs...

PXI Express : gérer le passé et le futur
Le monde PC évoluant rapidement, les dérivés destinés à l'instrumentation doivent se modifier en parallèle. Ainsi la disparition du bus PCI est programmée au profit de PCI Express (PCIe), la variante plus rapide dite PCI-X (à 133 MHz et au-delà) n'ayant pas été retenue par Intel. C'est pourquoi le PICMG, en charge du standard cPCI, a adopté en juin dernier les spécifications CompactPCI Express, suivi trois mois plus tard par l'alliance PXI Systems qui a opté pour la même technologie avec PXI Express (PXIe).

Le bus parallèle PCI, qui offre une vitesse de transfert atteignant 528 Mo/s à 66 MHz sur 64 bits - mais dont la version la plus usuelle en instrumentation est de 32 bits/33 MHz, soit 132 Mo/s -, cédera donc sa place à un bus série doté d'un débit de 250 Mo/s dans chaque direction. Cela ne semble pas très avantageux à première vue, mais PCIe a deux caractéristiques qui changent tout. Contrairement au PCI traditionnel, la bande passante n'est pas partagée mais dédiée à chaque périphérique : les périphériques ne sont pas chaînés sur un bus commun comme avec le PCI parallèle, mais chaque lien PCIe est issu d'un hub et ne communique qu'avec un seul périphérique. D'autre part, on peut grouper des liens pour multiplier le débit. Ainsi on trouve couramment des liaisons PCIe x4 (1 Go/s) et PCIe x16 (4 Go/s), deux fois plus rapides que l'AGP 8x, dédié aux cartes graphiques.

Bien entendu, la connectique est très différente et n'est plus compatible, tant dans le domaine de l'informatique que des châssis d'instrumentation. Néanmoins, il faut tenir compte de l'existant. Alors que les premières cartes PXIe de National Instruments sont annoncées pour le premier trimestre de cette année, il est important que les châssis à venir soient capables de supporter les modules PXI (qui resteront majoritaires pendant longtemps) et les modules PXIe. Dans les spécifications du standard édictées en septembre, il est prévu des emplacements mixtes capables de recevoir les deux types de tiroirs (figure 1). Par rapport aux autres types de liaison, NI se plaît à signaler que les technologies PCI et PCIe bénéficient d'un temps de latence moindre (figure 2).

En ce qui concerne le logiciel, il ne devrait pas être nécessaire de modifier les applications pour passer de PXI à PXIe, les mécanismes d'identification et de localisation des périphériques sur le bus restant les mêmes, une fois pris en charge par les logiciels de bas niveau du contrôleur.

Contrôleur embarqué ou non ?
Grâce à l'intégration d'un module contrôleur, éventuellement très complet (avec disque dur et lecteur de CD), un système PXI est équivalent à un ensemble d'instrumentation, voire un banc de test. En effet, le contrôleur supporte une multitude d'applications standard ou développées spécialement, notamment en environnement Windows. Les logiciels de programmation ne manquent pas, qu'il s'agisse de LabView ou LabWindows de NI, de Vee Pro d'Agilent Technologies ou des outils plus généralistes de Microsoft comme Visual Basic ou Visual C++.

L'architecture des pilotes de modules autorise une programmation de haut niveau facile à mettre en oeuvre. Dans cette approche, le contrôleur effectue une multitude de tâches en local, ne communique à l'extérieur (sur un écran, une imprimante, ou à destination d'un système informatique central) que des informations à faible débit et de haut niveau (tableaux de mesures, journalisation des incidents/alarmes, rapports complets...) et ne reçoit que peu d'ordres externes.

Pour une commande par calculateur distant, il faut faire appel à un pont PCI-PCI. A cet effet, National Instruments a développé des kits d'interface MXI-3 puis MXI-4. Ceux-ci se composent d'une carte PCI à intégrer dans le PC maître, d'un câble en cuivre ou fibre optique et d'un module d'interface PXI à insérer dans le slot 1 du châssis. Concrètement, les bits en parallèle sont sérialisés et transférés à 1,5 Gbit/s. En pratique, MXI-4 assure un débit de données soutenu de 78 Mo/s. Récemment introduit par NI, le kit MXI-Express porte cette vitesse à 110 Mo/s : il permet de relier le bus PCIe du PC de contrôle à un bus PXI traditionnel. De leur côté, le taïwanais ADLink et le britannique Pickering Interfaces mettent en oeuvre la technologie de liaison StarFabric à 2,5 Gbits/s dans leurs solutions d'interfaçage.

L'interchangeabilité des instruments : mythe ou réalité ?
Contrairement aux instruments traditionnels GPIB, la plupart des modules PXI ne sont pas basés messages. Ils sont programmés par registres, c'est-à-dire que le système logiciel a pour fonction de placer les données de réglage dans certains registres de l'instrument et de venir chercher les résultats dans d'autres registres. Bien entendu, il est souhaitable de masquer ce tour de passe-passe à l'utilisateur et de lui offrir un accès beaucoup plus simple et immédiat aux fonctions métrologiques. C'est, entre autres, le but des pilotes (ou drivers).

Le pilote de base dialogue avec le matériel, assure les fonctions d'entrée/sortie du module, ainsi que la cohabitation des matériels et logiciels des différents constructeurs, et facilite la programmation. La norme logicielle Visa (Virtual instrument software architecture), issue du monde VXI, a été reprise et mise à jour par l'alliance PXI Systems ; son emploi est encouragé mais n'est pas obligatoire. Elle standardise la gestion des entrées/sorties, définit la manière d'écrire les pilotes, les types de données échangées et, dans certains cas, le nom des fonctions.

L'usage de Visa accélère le développement des applications, mais il est possible d'aller plus loin avec la norme IVI (Interchangeable virtual instruments), qui ajoute une surcouche logicielle dont l'objet est de rendre les programmes indépendants des instruments employés (figure 3). Le but avoué est de permettre le remplacement d'un appareil compatible par un produit de même nature sans avoir à modifier le code. Cela préserve le logiciel lorsque les instruments deviennent obsolètes, et facilite le maintien de larges fractions du code lors du passage du laboratoire de développement au test en production. A cette fin, la fondation IVI a défini des classes d'instruments à l'intérieur desquelles l'interchangeabilité peut être effective. Ces classes sont pour le moment au nombre de huit : oscilloscope, multimètre, générateur de fonctions et arbitraire, alimentation continue, commutateur, wattmètre, analyseur de spectre et générateur RF. D'autres classes sont en cours de développement.

Bien entendu l'interchangeabilité entre appareils a ses limites. Il est clair que les résultats ne seront pas identiques entre instruments dont les performances métrologiques sont très différentes, même si chacun semble parfaitement fonctionner dans l'environnement. D'autre part, il est évident que des modules qui disposent de fonctions spécifiques, uniques dans leur catégorie, bien que disposant de pilotes IVI, n'assurent pas l'interchangeabilité dans le cadre de ces fonctions spéciales. Enfin, le surcroît logiciel qu'implique l'adoption du standard IVI est susceptible de ralentir la vitesse du système : un programme de haut niveau est toujours plus lent à s'exécuter que des appels de bas niveau.