1997 entstand aus der General-Purpose Spezifikation für modulare Backplanesysteme CompactPCI der Formfaktor PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) zur Entwicklung modularer Prüf- und Laborgeräte. Eigentlich wäre die leichte Modifikation und Erweiterung dieses Standards, der von der PXI System Alliance unter Führung von National Instruments vorangetrieben wurde, technisch nicht zwingend notwendig gewesen. Es wurde damals die Spezifikation von CompactPCI-Systemen gespiegelt, sodass man die zentrale CPU-Baugruppe bei PXI-basierten Systemen links einbaut anstelle von rechts. Zudem wurden Timing- und Synchronisationsfunktionen mittels 10 oder 100 MHz Clocksignalen zwischen den Baugruppen integriert. Ansonsten gleichen sich beide Formfaktor-Spezifikationen im Grunde wie Zwillinge und man kann in PXI-Systemen auch CompactPCI-Peripheriebaugruppen einsetzen, die in der Regel günstiger bepreist sind als PXI-Peripherie.
PCIe trennte beide Standards
Im Zuge des Wandels hin zu schnelleren seriellen PCI-Express-Schnittstellen ging diese Option jedoch verloren. Das PCIe unterstützende PXIe baut nicht mehr auf CompactPCI-Serial auf. Infolge konnten Entwickler den Vorteil, beide Welten in einem System zu verbinden, nicht mehr bei PXIe-basierten Systemen umsetzen. Entwickler von PXI-basierter Mess- und Prüftechnik würden die beiden Welten sehr gerne wieder zusammenbringen. Schließlich werden in Test-, Mess- und Prüfsystemen – die bei fertigenden OEM von der Validierung erster Prototypen bis zur End-of-Line-Prüfung zum Einsatz kommen – neben schnellen PXIe-Baugruppen zur Steigerung der Prüfgenauigkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit auch allgemeine Peripherie benötigt. Schnelle PCIe-Baugruppen werden zudem für die Datenakquisition und Verarbeitung gebraucht. Auch würde bei einer Zusammenführung dieser beiden Formfaktoren ein größeres Ecosystem entstehen und dadurch mehr Flexibilität, Komponenten unterschiedlicher Hersteller parallel nutzen zu können. Die Möglichkeiten der Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit werden somit größer. Hervorzuheben ist dabei auch, dass das CompactPCI-Serial nicht nur PCIe, sondern auch nativ GbE, SATA und USB Konnektivität über die Backplane unterstützt, was entsprechend mehr Flexibilität zur Auslegung von Peripheriebaugruppen bietet.
Typische Anwendungen von PXIe-basierten Systemen sind übrigens Test- und Messequipment mit Baugruppen für Oszilloskope, Signalgeneratoren und -analysatoren, Netzwerkanalysatoren, digitalen Multimeter, Quellenmessgeräten und parametrischen Messgeräten, die – wenn sie eine kompakte und in sich geschlossene Einheit in einem PXIe-Gehäuse bilden – immer auch in Kombination mit einer Prozessorbaugruppe als Applikationscontroller bestückt ist, die man bereits im CompactPCI-Umfeld günstiger beziehen kann. Hinzu kommen Karten für digitalen I/Os und Switches, Storage, GPGPU/Grafik, UARTs und bei Bedarf auch Wireless-Konnektivität, um PXIe-Systeme mittels Fernzugriff zu administrieren und in IoT Anwendungen einbinden zu können. All das ist bei CompactPCI-Serial in zahlreichen Auslegungen verfügbar, die aufgrund der höheren Stückzahlen auch günstiger angeboten werden können.
Zusammenführen, was zusammengehört
Für die erneute Verbindung beider Welten ist es notwendig, die Kompatibilität der beiden Formfaktor-Zwillinge wieder herzustellen, um mit PCI und PCIe basiertes PXI- und CPCI-Baugruppen zahlreiche hybride Systemkonfigurationen zu ermöglichen. Um eine solche Lösung zu schaffen, reicht es jedoch nicht aus, das mechanische Design so auszulegen, dass Baugruppen beider Formfaktoren in ein System passen. Wichtig ist vielmehr, dass die CPU-Baugruppe beide Welten als zentrale Instanz verbinden kann. Standard-CPU-Baugruppen für CompactPCI-Serial kann man hierzu um eine Mezzanine-Karte erweitern, die auch den PXIe-CPU-Slot anbindet und spezifikationskonform mit der PXIe-Backplane kommuniziert. Darüber hinaus ist auch hardwarenahe Low-Level-Supportsoftware erforderlich, um es der Konfigurations-, Überwachungs- und Verwaltungssoftware für PXIe-basierte Systeme auch begreiflich zu machen, mit welchen CompactPCI-Baugruppen sie es den nun zu tun hat und wo sie genau gesteckt sind. Nur so ist es schließlich möglich, jedwede CompactPCI-Serial Baugruppe nahtlos beispielsweise in NI Max (ehedem NI LabVIEW) und Visual Studio Projekte einzubinden oder auch in Lösungen von Drittanbietern wie die von Chroma, Keysight oder Agilent.
Verbinder beider Welten
Mit dem von EKF in Kooperation mit Schroff entwickelten 19-Zoll System-Rack SRS-8442-Serial wurde nun eine Lösungsplattform geschaffen, die beide Welten wieder verbinden kann und für die das Unternehmen zahlreiche sowohl PXIe als auch CPCI-Serial unterstützende CPU-Baugruppen auf Basis von Intel Core Prozessoren der 7. und 11. Generation (aka Kaby Lake und Tiger Lake) anbietet. Hierfür wurde Schroffs Software-Suite für NI Max um den Support der EKF CPU-Baugruppen erweitert, sodass sie im NI Max Hardware-Ressource Manager ansprechbar werden und auch die Topologie des CompactPCI-Serial Segments des Systems sichtbar wird.
Das System ist mit zwei Backplanes ausgestattet, links für sechs CompactPCI Serial-Karten, rechts für sieben PXI Express oder auch CompactPCI Express – schließlich fußt die PXIe auf der CPCIe-Spezifikation. Dieser hat sich im CPCI-Ecosystem jedoch gegenüber CPCI-Serial nicht durchgesetzt. Um also beide State-of-the Art Backplane-Welten anzubinden, sind die CPU-Baugruppen in 10TE Breite ausgelegt. Das Rack ist zudem mit zwei herausnehmbaren AC-Netzteilen ausgestattet – eines für jede Backplane – um den unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsversorgung zu erfüllen. Drei 120-mm-Lüfter, die in einer Schublade unter den Kartensteckplätzen montiert sind, sorgen für eine optimale Kühlung.
Robuste Auslegung für industrielle Einsatzzwecke
Bei der Auswahl aller Komponenten der Systemplattform wurde auf hohe Zuverlässigkeit geachtet, um sie auch für den Einsatz im rauen industriellen Umfeld zu qualifizieren. OEM können diese Systeme folglich nicht nur in Entwicklungs- und Test-Labors und der Fertigung von Halbleiter- und Elektronikbaugruppen einsetzen, sondern auch in den zunehmend vollautomatisierten Fertigungsstraßen der Automobilindustrie und zahlreichen weiteren Branchen. Testfahrten auf Straßen und Schienen bewältigen die Systeme anstandslos und auch hier ist die Verbindung beider Welten ein echter Vorteil. Schließlich müssen hier vermehrt Kamera-, Lidar- und Radardaten akquiriert und vorverarbeitet und mittels KI analysiert werden. Eine Plattform für beide Anwendungsbereiche einzusetzen, erleichtert den Systemaufbau dabei deutlich. Für noch robustere Auslegungen im Mil-/Aero-Segment ist es zudem möglich, das bestehende Konzept auf Lösungen von Schroff mit beispielsweise dem sehr robusten AirMax-Konnektor zu portieren, die auch Offroad-tauglich sind. Anwenden kann man die hybriden PXIe/CPCI-Serial Systeme folglich überall, wo Karten des PXIe-Ecosystems nutzen versprechen. Das EKF-Board kann Peripheriebaugruppen nicht eigenständig über die Triggerleitungen von PXI triggern, die Weitergabe von externen Triggern ist jedoch möglich.
