Pxi, Vxi, Lxi e altro: c’è posto per tutti

Molteplici le architetture disponibili
Trascurando momentaneamente l'aspetto software (nell'ipotesi che quest'ultimo è disponibile e completo dei necessari driver) il parametro fondamentale per le prestazioni di tutta la catena di misura diventa a questo punto la velocità e le prestazioni delle interconnessioni (il bus) tra le schede (i vari moduli): le architetture di bus attualmente disponibili sono molteplici: Vxi, Pxi, Pci, Usb, Lxi e varie altre che si confrontano sia in termini di banda che di latenza, oltre che in termini di spazio occupato; infatti anche le dimensioni fisiche sono un parametro importante nella scelta di uno strumento virtuale. Nonostante lo standard Vxi sia ancora molto comune in alcuni settori, nella maggior parte delle installazioni commerciali e industriali è ridotto ad applicazioni di nicchia, sostituito dal Pxi (e oggi anche da Pxi Express) come standard de-facto; il Pxi (Pci eXtension for Instrumentation) ha catalizzato l’attenzione e trovato largo impiego nei settori automobilistici e della difesa e aerospazio, proponendosi come valido sostituto del Vxi (Vme eXtension for Instrumentation). Come accade per tutte le soluzioni che prevedono l'utilizzo di un rack o di un cestello, sussistono alcune limitazioni tra cui scarso numero di slot, il costo collegato alla necessità di utilizzare controllori Slot-0 e relative interfacce di collegamento, limitate risorse di alimentazione e di gestione della stessa. Lxi (Lan eXtension for Instrumentation), è stato sviluppato a partire dal 2004 da vari costruttori di strumentazione e prevede strumenti indipendenti che contemporaneamente supportano il concetto di modularità grazie a principali caratteristiche: la presenza di un connettore Ethernet standard o di un’interfaccia Lan per il controllo e la programmazione degli strumenti tramite un browser; time stamp (marcature temporali) basate sullo standard Ieee 1588 per i sistemi completi; triggering a livello hardware di tutti gli strumenti . Lo standard Lxi supporta inoltre i sistemi ibridi, ovvero formati da una combinazione di strumenti Pxi, Lxi e Gpib.

Vxi, caratteristiche interessanti
Tornando al bus Vxi si può però dire che questo standard ha molte caratteristiche interessanti, tra cui una velocità di trasferimento dati fino a 160 MBps nelle versioni più recenti e una tipologia di protezione dalle interferenze Emc ed Emi chiaramente definita; un tipico cestello Vxi prevede 4, 6 o addirittura 13 slot, può essere controllato da un Pc embedded o da un sistema remoto, alimentazione e dissipazione/raffreddamento del sistema sono definiti dallo standard stesso. I sistemi Vxi devono il loro successo alla robustezza e alle ottime prestazioni che hanno sempre offerto; il costo è piuttosto elevato, ma comunque paragonabile ad altre soluzioni, al crescere della complessità dei sistemi e del numero di canali. Il Pxi deriva dal bus CompactPci, arricchito da un buon numero di funzioni ulteriori: lo standard prevede due tipi di moduli di dimensioni 3U e 6U e specifica temporizzazione, sincronizzazione, protezione Emc ed Emi e dissipazione. Uno chassis contiene di solito 8 slot (ma esistono versioni con fino a 18 slot) con lo slot 0 riservato al controller di sistema esterno al cestello (per cui non usa spazio). Come i sistemi Vxi anche quelli Pxi sono quasi tutti basati su sistemi operativi Windows; in pratica essendo un'estensione di un'architettura personal computer lo standard Pxi ha lo svantaggio di richiedere la scrittura di un driver specifico Windows compatibile per ogni strumento/modulo ma ha il vantaggio che, una volta creato il driver qualsiasi utente può installare e configurare lo strumento abbinandolo a uno dei più diffusi software commerciali. Come vedremo, alcuni costruttori di strumentazione modulare forniscono i propri prodotti sia in versione Pci che Pxi.

Pxi, successo in applicazioni Rf, radar e wireless
Con l'evoluzione delle architetture dei personal computer il percorso del bus Pxi è analogo e vede l'avvento della soluzione Pci Express, con comunicazione seriale fino a 2,5 Gbps e la possibilità di definire la banda specifica per ogni strumento connesso. Particolare non trascurabile, la strumentazione per Pci Express è pienamente compatibile con le soluzioni Pxi in maniera tale da permetterne l'aggiornamento trasparente. Si stima una notevole crescita delle vendite relative ai sistemi Pxi per il settore misura e automazione; secondo la Pxi Systems Alliance, quest'anno verranno distribuiti oltre 100 mila sistemi Pxi, numero destinato a raddoppiare nel prossimo decennio. Le prestazioni fornite dalla piattaforma Pxi hanno riscontrato un notevole successo nelle applicazioni RF, nel test di dispositivi radar, telefoni cellulari e altre applicazioni wireless impossibili da testare con altre tipologie di strumentazione.

Usb, per applicazioni low cost e portatili
Nato come interfaccia standard per Pc il bus Usb non ha caratteristiche specifiche utili per la strumentazione modulare, ad esempio non definisce le modalità di dissipazione o le funzionalità di protezione Emc o Emi, ma è stato comunque adottato da alcuni costruttori perché è compatibile con i sistemi operativi più diffusi (richiede solo i driver opportuni) e permette di collegare a un personal computer, o addirittura a un laptop, qualsiasi tipo di strumento e di apparato di acquisizione dati; quasi sempre gli strumenti modulari Usb sono autocontenuti (non richiedono cestelli e controller ma vanno connessi con un cavetto). La banda può raggiungere i 60 Mbps e questa architettura sembra guadagnare spazio nelle applicazioni low cost e portatili.

Lxi, pochi limiti e prestazioni scalabili
Introdotto nel 2005, lo standard Lxi è invece un concetto diverso di strumentazione modulare; più che un’evoluzione di Vxi e Pxi, è considerato il successore naturale del bus GP-IB, in particolare per realizzare strumenti che, per complessità e prestazioni, hanno bisogno di occupare maggiore spazio sulle schede da rack. In effetti lo standard Lxi definisce uno standard di connessione e non un formato da cestello o da rack, ma permette anche di collegare liberamente strumenti di tipo diverso e di aggiungere risorse quando necessario; infatti i singoli moduli/apparati non richiedono necessariamente un telaio portaschede e non c’è alcun limite al numero di dispositivi che possono comporre un sistema di misura. Anche le prestazioni sono scalabili a piacere; non essendo in teoria vincolate ai limiti di un bus specifico è possibile sfruttare i progressi delle reti locali per aumentare la velocità di trasferimento dei dati. Con la tecnologia Fast Ethernet a 100 Mbit/s, la velocità di scambio dati raggiunge attualmente i 12,5 Mbyte/s. Con connessioni Gigabit Ethernet, la velocità può aumentare di circa un fattore dieci e raggiungere i 125 Mbyte/s e in futuro già si attende il 10 Gb-Ethernet, con cui le prestazioni di Lxi potranno superare quelle dei sistemi Vxi 3.0 (160 Mbyte/s). I sistemi Lxi offrono poi il vantaggio di poter realizzare soluzioni distribuite, più longeve (Ethernet è forse uno degli standard più stabili e più destinati a durare) e a costi molto ragionevoli (rispetto a quelle Vxi e Pxi, in quanto richiedono telaio portaschede, né controllori Slot-0) .
La sincronizzazione è definita dallo standard Ieee 1588 e gli strumenti Classe B e Classe A adottano una temporizzazione sincronizzabile che consente di eseguire misure coordinate tra strumenti installati localmente o in postazioni remote. Lo standard Lxi prevede anche la definizione opzionale della struttura meccanica, utile soprattutto per gli strumenti destinati ad applicazioni automatizzate, senza display e senza manopole, tipicamente realizzati con una larghezza di mezzo rack e un’altezza da uno a quattro unità. Una delle funzionalità più innovative rese possibili da Lxi (ma anche da Pxi) è permettere di realizzare blocchi funzionali, per esempio digitalizzatori o convertitori di frequenza, che possono essere riconfigurati in tempo reale (ad esempio modificando la circuiteria basta su Fpga) per creare di volta in volta lo strumento più adatto ad eseguire una specifica misura. Questo è il concetto di strumento sintetico, che riduce la ridondanza dell'hardware e offre la possibilità di realizzare sistemi di misura più compatti e a costi inferiori, semplificando al contempo il loro supporto nel lungo periodo.

Un mercato vivace e diversificato
Detto che quello della strumentazione modulare è un mercato molto vivace, perché sempre più costruttori stanno sposando questa filosofia, sostenuta e riconosciuta anche da organismi ufficiali, come il ministero della difesa statunitense, orientarsi tra i prodotti disponibili non è semplice. Attualmente le aziende aderenti alla Pxisa (Pxi Systems Alliance) sono circa 60, mentre quelle facenti parte del consorzio Lxi sono una cinquantina; non si pensi però che esistano contrapposizioni: in realtà tutti i principali operatori hanno offerte diversificate che coprono tutti o quasi i segmenti e gli standard.

Il capostipite della strumentazione virtuale
Ad esempio National Instruments, che della strumentazione virtuale è stata probabilmente ideatrice capostipite con l'introduzione del software LabView, propone attualmente digitalizzatori e oscilloscopi ad alta velocità con intervalli di campionamento fino a 2 GS/s, ampiezza di banda a 1 GHz, risoluzione da 8 a 24 bit e fino a 8 canali in Pci, Pxi, Pxi Express e Usb, generatori di funzione e di forme d'onda arbitrarie con risoluzione a 12 o 16 bit e velocità di campionamento massima di 400 MS/s per Pci e Pxi, analizzatori/generatori di forme d'onda digitali con velocità di sincronizzazione massima di 200 MHz (velocità massima di trasferimento di 400 Mb/s) e livelli di tensione differenziali e single-end per Pci, Pci Express, Pxi Express e Pxi. Inoltre anche moduli per RF e microonde, come schede di acquisizione del segnale, schede di generazione e moduli di analisi vettoriale. In questo specifico settore sono stati di recente annunciati due nuovi strumenti modulari Pxi Express per il test automatizzato di dispositivi wireless; un analizzatore di segnale vettoriale Pxie-5663E da 6.6 GHz e un generatore di segnale vettoriale Pxie-5673E da 6.6 GHz che ottimizzano i tempi di test per una vasta gamma di dispositivi che impiegano gli ultimi standard wireless inclusi Wlan, WiMax e Gsm/Edge/Wcdma. La nuova funzione RF list mode fornisce il sequenziamento deterministico delle potenza e della frequenza per permettere di modificare le configurazioni RF in maniera più rapida durante un test. Inoltre, l’ampliamento della frequenza di banda incrementa ulteriormente la velocità di misura riducendo il tempo di assestamento dell'oscillatore locale a 300 microsecondi o meno.
Per completare la gamma National Instruments sono poi disponibili multimetri digitali da 5½, 6½ e 7½ cifre con risoluzione da 10 a 26 bit e frequenza di campionamento massima di 1.8 MS/s per Pci, Pci Express, Pxi e Usb, alimentatori programmabili, switch e multiplexer, moduli di acquisizione e analisi segnali video e altro ancora. Tra i prodotti annunciati negli ultimi mesi anche un digitalizzatore a elevata velocità sviluppato congiuntamente con Tektronix, altro colosso della strumentazione di misura. Questo digitalizzatore Pxi Express dispone di una ampiezza di banda superiore ai 3 GHz, frequenze di campionamento superiori ai 10 GS/s, velocità di trasferimento dati maggiore di 600 MB/s e funzionalità di sincronizzazione multi modulo. Prestazioni raggiunte grazie allo sforzo congiunto delle due aziende e destinate ad aumentare la produttività di test in applicazioni critiche a elevata velocità, presenti ad esempio in settori quali ricerca fisica e sperimentale, aerospazio e difesa, comunicazioni, semiconduttori e nel mercato dell'elettronica di consumo.

Una gamma espandibile e integrabile
Altra grande protagonista del mercato è Agilent, che vanta una lunga tradizione di prodotti modulari per misura e collaudo, nei campi del data acquisition per misure fisiche, RF e MW, applicazioni digitali e caratterizzazione di componenti e che ha dato vita, insieme a Vti al consorzio Lxi. L'azienda statunitense sostiene che, di fatto, ogni prodotto Agilent, dal più semplice al più complesso, può essere considerato un prodotto modulare, espandibile e integrabile in ogni ambiente software, ma in particolare nel software di programmazione a oggetti grafici Vee (Visual Engineering Environment Agilent, giunto alla versione 9.0). Agilent dispone di una grande varietà di strumentazione modulare Pxi, grazie anche all'acquisizione di due aziende attive in questo segmento di mercato (Acqiris e PxiT), mentre la gamma di prodotti compatibili Lxi comprende tra l'altro l'analizzatore di potenza N6705A da 600 W con 4 slot, il digitalizzatore L4534A da 20 MSa/s, 4 canali, l'analizzatore di rete per microonde N5244A PNA-X da 10 MHz a 43.5 GHz , l'analizzatore N9030A PXA Signal Analyzer e i multimetri digitali 34401A 6½ cifre. Inoltre il generatore di funzioni 33220A e l'unità multifunzione 34980, così come tutte le più recenti famiglie di oscilloscopi portatili InfiniVision 7000 Mso e Dso. Il 34980 e il 34970 sono strumenti modulari che possono essere utilizzati anche in modalità manuale, senza l'ausilio di software esterni, per tutte le misure su fenomeni fisici (temperatura, pressione, tensione e corrente), switch di segnali, generazione di segnali digitali. Li caratterizza la generalità di utilizzo che ne fa un prodotto ideale per l'uso stand alone o come elemento portante di un sistema di collaudo automatico. In particolare il 34980 può essere configurato fino a 1.000 canali di switch oppure salire in frequenza fino a 26.5 GHz. La strumentazione Usb serie U23XX consta di diverse schede I/O, switch, oscilloscopi e molto altro, che possono essere combinati insieme in un card cage a 6 slot per realizzare piccoli sistemi di test; il software Vee ne controlla le funzionalità.

Strumenti di precisione modulari
Keithley Instruments propone tutta la gamma dei prodotti Pxi, da telai e controller ai moduli di acquisizione multifunzione, ai digitalizzatori, ma supporta anche lo standard aperto Lxi e lo sviluppo di software aperto e gratuito per i propri strumenti di precisione modulari, ad esempio e rappresentato dal toolkit per comunicazioni RF SignalMeister per la generazione e l’analisi di segnali RF.

Digitalizzatori e generatori Pxi
Anche LeCroy propone strumenti Pxi, ad esempio i digitalizzatori e generatori di forme d'onda arbitrarie serie PXD con larghezza di banda da 150 MHz a 500 MHz e memoria di acquisizione fino a 8 Mbyte. La larghezza di banda è l'ideale per il collaudo di un’ampia gamma di prodotti datacom, telecom e altri prodotti & Ic ad alta performance. Tutti i digitalizzatori presentano una frequenza di campionamento rapida single shot (1 GS/s) e una frequenza di campionamento ripetitiva da 50 GS/s. È possibile configurare un sistema di digitalizzatori Pxi a 8 canali in un singolo telaio Pxi con scheda 3U a otto porte. Inoltre l'azienda supporta anche lo standard Lxi su molti dei prodotti più recenti, ad esempio gli oscilloscopi digitali WaveRunner Xi-A e Mxi-A con banda passante compresa tra 400 MHz e 2 GHz, con frequenza di campionamento massima che può raggiungere i 10 Gb/s.