Richard Keromen, ingénieurproduits test et RF chez National Instruments

Richard Keromen Ingénieur produits test et RF chezNational Instruments

La complexité croissante des systèmes électroniques implique des tests de plus en plus nombreux et variés, ainsi qu'une augmentation du coût associé à la validation. face à cette évolution rapide, les bancs de test à base d'instruments traditionnels, plus encombrants et onéreux que ceux employant de l'instrumentation modulaire, montrent les limitations d'un concept par leur manque de souplesse.

Avec l'instrumentation modulaire au standard PXi,introduit dans l'industrie en 1997 à l'initiative de National instruments,ces limitations s'évanouissent.rappelons que le PXi combine les fonctionnalités électriques du bus PCi avec le boîtier eurocard modulaire du CompactPCi, en y ajoutant des bus de synchronisation et des fonctionnalités logicielles adaptés aux besoins du test et de la mesure. Les utilisateurs disposent ainsi d'une plate-forme à la fois modulaire, compacte, durcie et économique, qui se révèle avantageuse dans de nombreuses applications, comme le test en production ou encore la surveillance des machines, que ce soit dans l'automobile, la défense, l'aérospatiale, ou toute autre industrie nécessitant des mesures automatisées.

Le PXi est une norme ouverte administrée par le consortium PXiSA (PXi Systems Alliance), qui maintient les spécifications et assure l'interopérabilité des produits compatibles.A savoir plus de 1500 matériels et logiciels provenant de 70 fournisseurs différents. La modularité inhérente au facteur de forme du PXi offre non seulement la possibilité de disposer d'un système personnalisé mais également de le faire évoluer pour répondre à de nouveaux besoins, que ce soit en termes de fonctionnalités, de nombre de voies ou de performances.

Les exigences croissantes en termes de bande passante et de débit ont induit l'apparition du PXi express, basé sur le bus PCi express, en version 1.0 puis 2.0. Le PXi express affiche ainsi une bande passante vingt fois supérieure à celle des bus ethernet et GPiB, et une latence cent fois moindre par rapport au LAN. Cette évolution a permis un envol des vitesses d'enregistrement et de relecture (800 Méch/s) avec une bande passante de 1 Go/s par lien PCie pour la génération 2.0. Le transfert des données n'est pas le seul goulet d'étranglement qui saute avec le PXi express.Leur manipulation et leur traitement nécessitent des capacités de calcul conséquentes. face à ce défi, l'utilisateur peut compter sur la puissance des processeurs multicœurs embarqués dans les contrôleurs PXi, mais aussi sur la possibilité d'exploiter des modules dotés d'un circuit fPGA, pour effectuer des opérations de traitement parallèle en temps réel. Ce type de module peut communiquer directement avec des instruments d'analyse et de génération, afin de réaliser localement diverses opérations, filtrages et autres déclenchements personnalisés. La puissance du processeur et la bande passante du PXi express sont ainsi épargnées et l'instrumentation, débridée.

“ L'intégration prochaine de la spécification PXImc va offrir la possibilité de créer de façon transparente pour l'utilisateur des systèmes multi-ordinateurs offrant davantage de puissance de traitement. ” Richard Keromen

Cette communication dite Peer to Peer (P2P) illustre l'ouverture des systèmes PXi existants aux applications de test de nouvelle génération. Si la modularité du PXi est un gage d'adaptation rapide aux nouveaux besoins, l'évolutivité de la norme elle-même l'est encore plus. Les spécifications suivent en effet naturellement l'évolution des technologies informatiques. A ce titre, l'arrivée de la version 3.0 du PCi express laisse présager le meilleur pour le PXi,avec une bande passante système encore plus confortable (2 Go/s dans une direction). Quant à l'intégration prochaine de la spécification PXimc (PXi Multi-Computing ), elle va offrir la possibilité de créer de façon transparente pour l'utilisateur des systèmes multi-ordinateurs offrant davantage de puissance de traitement.

Dans ces conditions, on comprend qu'un nombre toujours croissant de systèmes de test et mesure soit basé sur le PXi, et que cette tendance ne peut que s'accentuer dans les années à venir. D'autant plus, que ce type d'instrumentation n'est pas exclusif. Les utilisateurs peuvent en effet construire des systèmes hybrides mixant du PXi avec d'autres formes et bus d'instrumentation, le tout intégré dans un environnement logiciel ouvert, comme Labview par exemple.

David Owen, responsable du développement des activités et Bob Stasonis, responsable marketing chez Pickering Interfaces

Dans le domaine de l'instrumentation modulaire, une des normes les plus anciennes est levXi, basée sur le bus vMe suivie du PXi, basée sur le standard CompactPCi/PCi et de ce fait, a été étendue en utilisant l'interface PCi express pour créer le PXi express et ainsi améliorer la vitesse du fond de panier. La norme la plus récente est l'AXie, reposant sur le bus télécom ATCA. elle a été précédée par le LXi exploitant la connectivité ethernet et LAN. L'adoption des produits LXi se fait lentement et sûrement comme tout ce qui concerne le test et la mesure électronique. elle repose surtout sur le remplacement des produits GPiB et dans une moindre mesure de l'instrumentationvXi. Chaque année, en valeur, davantage d'appareils sont vendus dotés d'une interface LXi que de modules PXi. Mais à quelques exceptions près, les produits LXi tout autant que ceux dotés d'une interface GPiB sont considérés pour leur fonction (analyseur de spectre, générateur de signaux, multimètre, etc.) tandis que les instruments PXi sont vus comme des briques grâce auxquelles il est possible de construire un système de test répondant à ses besoins. Alors que les cartes PXi s'insèrent dans un châssis pour constituer un ensemble de test, un équipement LXi est plutôt un dispositif autonome capable de communiquer à distance via le protocole ethernet.

C'est une erreur de comparer ces standards en prenant par exemple la vitesse de communication, comme critère de performances. en réalité, le PXi affiche une haute vitesse pour le transfert des informations des modules vers le contrôleur central alors que les instruments LXi traitent en général les valeurs mesurées en interne et ne réclament donc pas de cadence de transfert de données si élevée.Aucune de ces normes n'est bonne ou mauvaise dans son approche, elles sont simplement différentes et présentent leurs propres avantages d'utilisation.

Les deux standards ont été largement adoptés par les acteurs majeurs du test électronique. Les environnements de développement logiciel permettent à ces deux normes d'être supportées dans n'importe quel système, autorisant les ingénieurs à exploiter la solution qui répond le mieux à leur application.

David Owen Responsable du développement des activités chez Pickering Interfaces

Bob Stasonis Responsable marketingchez Pickering Interfaces

étant partisan des formats PXi et LXi, Pickering interfaces les a continuellement implémentés dans ses produits de commutation. Pour certains domaines, le LXi sera préféré. C'est généralement le cas des systèmes de commutation complexes. Une architecture LXi élimine le câblage intermodules et offre la possibilité de gérer un important dispositif de commutation comme une entité unique plutôt que comme de multiples entités individuelles. Pour de gros systèmes de multiplexage, le LXi s'est avéré être, à la fois plus simple et moins coûteux car il élimine les châssis, les câbles et le matériel de connexion intermédiaire qui sont requis pour un système PXi.

Mais chaque fois qu'un système de test nécessite un nombre restreint de modules de commutation et d'instrumentation, le PXi par le faible encombrement et l'architecture simple de ses modules constitue une solution idéale. Dès que la bande passante et la taille des ressources nécessaires augmentent, il paraît cependant moins intéressant et compétitif.

Les systèmes modulaires reposent sur des châssis et des cartes répondant à des spécifications électriques et mécaniques très précises. Lorsque la capacité de ces châssis et de ces cartes est dépassée, les constructeurs doivent commencer à être inventifs sur la façon dont ils implémenteront de nouvelles fonctions – et cela peut générer des coûts pour l'utilisateur. Pickering interfaces a été impliqué dans de nombreuses applications pour lesquelles le LXi ou le PXi pouvaient être utilisés comme système de commutation. Pour certaines, le PXi paraissait être la solution naturelle,cependant, les interfaces ethernet restent souvent une méthode beaucoup plus convaincante pour le contrôle.Ceci nous a donc encouragés à continuer de développer des systèmes de commutation pour les deux plates-formes (décliner le bus interne PCi/PCie sur un système de test complet n'est pas toujours l'approche la plus robuste). Mais nous avons également conçu une plate-forme LXi qui prend en charge les modules PXi.

“ Chaque fois qu'un système de test nécessite un nombre restreint de modules, le PXI constitue une solution idéale. Dès que la bande passante et la taille des ressources nécessaires augmentent, il paraît moins intéressant et compétitif. ” David Owen

A l'avenir les architectures PXi et LXi seront toujours fortement présents dans l'industrie du test et mesure électroniques. Le LXi sera la solution dominante et privilégiée pour les utilisateurs à la recherche de fonctionnalités et d'habitude d'utilisation qu'ils ont connues dans le passé, une approche similaire à celle du GPiB. Le PXi sera réservé aux systèmes plus petits et hautement intégrés. Mais de nombreux systèmes exploiteront les deux standards afin de tirer parti des avantages de chacun d'eux. il est donc dans l'intérêt de l'utilisateur que les deux normes concurrentes coexistent.

Denis Glasse, responsable développement “marché produits modulaires”, EMEA, chez Agilent Technologies

Denis Glasse Responsable développement “marché produits modulaires”, EMEA, chez Agilent Technologies

Nous prévoyons que le standard d'instrumentation modulaire AXie ( AdvancedTCA eXtensions for Instrumentation ) créé en 2009 par Agilent Technologies,Aeroflex etTest evolution sera largement adopté par la communauté scientifique. A terme, de nombreux modules de conditionnement, d'acquisition et de traitement du signal devraient être proposés à ce format par différents fournisseurs. AXie repose sur le standard AdvancedTCA, mais il exploite aussi les standards industriels de test et de mesure tels que le PXi (PCi eXtensions for Instrumentation ), l'ivi (interchangeable virtual instrument) et le LXi ( Lan eXtension for Instrumentation ) pour justement faciliter la coopération et l'interopérabilité plug and playentreces différents bus de communication et facteurs de forme.

L'AXie offre la possibilité de réaliser des systèmes de test et mesures modulaires à base de cartes instruments enfichables en baie de 19 pouces.Ses spécifications en terme de taille de carte, de ventilation, de capacité d'alimentation et de vitesse de liaison entre cartes destinent ce standard à des applications pointues et exigeantes en terme de puissance disponible et performances de test, et garde l'avantage de s'intégrer naturellement dans des architectures qui incluent le PXi,le LXi,le PCi express,ainsi qu'aussi et encore le plus ancien d'entre tous, à savoir le bus GPiB (ou ieee-488).

L'AXie vise donc la conception d'instruments et de bancs de test répondant aux exigences de test des produits électroniques de prochaine génération notamment grâce à une optimisation de l'espace utilisé dans le châssis et son intégration avec le PXi et le LXi. Comme ils incluent les interfaces PCi express et ethernet, les instruments AXie peuvent aussi faire office d'instruments PXi,LXi,ainsi qu'instruments traditionnels virtuels, pouvant ainsi s'intégrer en toute transparence dans un système de test.

Les spécifications AdvancedTCA PiCMG 3.0 sur lesquelles reposent celles de l'AXie permettent aux constructeurs de châssis, fonds de panier ou de cartes, de concevoir des produits interopérables lorsqu'ils sont intégrés dans un même système. elles décrivent les dimensions des cartes (280 mm de profondeur, 322 mm de hauteur, 30 mm de largeur), les connecteurs, le dispositif d'alimentation, et le système de contrôle qui peut être utilisé indépendamment de la technologie de liaison de matrice de commutation. Les cartes instruments sont destinées à être intégrées horizontalement ou verticalement dans un ou plusieurs châssis spécifiques comprenant deux à quatorze emplacements. il est même possible d'utiliser des modules PXi ou PCi express embarqués par le biais d'adaptateurs. Une alimentation de 200W est disponible pour chaque emplacement, et apporte le complément de puissance que les bus PXi et LXi ne peuvent pas soutenir actuellement.

“ L'instrumentation dite “traditionnelle” s'intègre parfaitement dans une structure multiformat dont fait partie l'AXIe. Et, n'est-ce finalement pas cela, une architecture modulaire? ” Denis Glasse

L'AXie permet aussi de proposer un environnement de développement de modules personnalisés complémentaires aux instruments au format LXi et PXi, l'alimentation en puissance en plus.

L'accès à la programmation des composants fPGA qui sont intégrés sur la plupart de nos cartes AXie permettra d'utiliser les instruments tels quels, mais il sera très prochainement possible de les optimiser et les personnaliser pour ses propres besoins de mesures avec un outil dédié que nous fournirons.

Dans le contexte économique actuel, les utilisateurs d'instrumentation de mesure souhaitent aujourd'hui plus que jamais optimiser et réduire les coûts de leurs investissements. ils ne veulent ni se faire imposer un coût, ni se faire imposer un bus, un facteur de forme, ou une architecture unique. ils veulent le meilleur du meilleur, tout en imposant de ne payer exactement que le prix de la fonction de mesure dont ils ont exactement besoin.

Autant nous pensons que le format AXie a bien sa place dans une architecture modulaire qui nécessite optimisation de place, puissance nécessaire et interactions multicartes, autant nous sommes convaincus que l'instrumentation modulaire ne couvre qu'une partie des besoins, mais aussi des possibilités demandées par les utilisateurs et autres concepteurs de bancs de mesures. L'instrumentation dite “traditionnelle” s'intègre parfaitement dans une structure multiformat. et n'est-ce finalement pas cela, une architecture modulaire?

Mike Dewey, responsable marketing senior chez Geotest-MarvinTest Systems

Geotest-MTS continue à être très impliqué dans le développement d'instrumentation modulaire et de systèmes de test fonctionnels basés sur l'architecture PXi. Comparé aux autres standards tels que le LXi et l'AXie, le PXi se distingue par son facteur de forme compact et son bon rapport prix/performances. Critères que plébiscitent continuellement les clients pour leurs solutions de test et mesure. L'architecture PXi nous a permis de proposer des produits répondant à leurs attentes.

D'ailleurs le marché de l'instrumentation PXi se porte bien. il devrait connaître selon une étude de frost&Sullivan une croissance moyenne annuelle de 15 % dans les années à venir soit une progression plus élevée que celle du marché des équipements de test et mesures électroniques dans sa globalité.

“ L'intégration aux modules PXI de composants FPGA reconfigurables et accessibles à l'utilisateur est une tendance marquante du domaine. ” Mike Dewey

Nous nous attendons à ce que cette croissance soit tirée par les dernières avancées technologiques des composants programmables type fPGA ainsi que celles des produits dédiés au domaine du test radiofréquences et micro-ondes. Nous pouvons effectivement constater des progrès significatifs et continus des solutions PXi visant le test de signaux numériques et radiofréquences.

Autre tendance marquante: l'intégration aux modules PXi de composants fPGA reconfigurables et accessibles à l'utilisateur afin qu'il crée les traitements et les fonctions de test répondant à ses propres exigences.

Cependant le PXi conserve ses limites. Les applications mettant en œuvre des charges électroniques et les alimentations de puissance importante ne sont pas adaptées au déploiement de solutions PXi. il existe toutefois sur le marché certains châssis PXi qui délivrent 40 à 70W par emplacement soit une puissance supérieure aux 30W définie par le standard.

Mike Dewey Responsable marketing senior chez Geotest-Marvin Test Systems

Comme spécifié précédemment, l'une des clés du développement de l'instrumentation et des systèmes de test PXi est la disponibilité de composants électroniques hautes performances pour les traitements de signaux numériques, mixtes et radiofréquences et notre capacité à les intégrer aux matériels PXi pour répondre aux exigences accrues des industriels.

Christian Ropars, président et directeur général d'Acquisys

Christian Ropars Président-directeur général d'Acquisys

Plusieurs plates-formes d'instrumentation modulaire, plus ou moins récentes,cohabitent aujourd'hui.Parmi celles-ci on peut citer le vXi, le PXi, le PXie et l'AXie. Certains produits LXi peuvent être également assimilés à l'instrumentation modulaire, bien que la spécification LXi ne concerne pas les bus internes, ceux-ci pouvant être propriétaires ou rattachés à une autre spécification (PXi, PXie…). D'autres plates-formes, telles que le vPX ou le µTCA peuvent également être utilisées en instrumentation modulaire bien que ce ne soit pas leur application d'origine.

Les anciens standardsvXi et PXi étaient basés sur des bus de communication parallèle, vMe pour le vXi et PCi pour le PXi, ce qui apportait une limitation en terme de bande passante, celle-ci étant de plus partagée entre les différentes ressources.Tous les nouveaux standards utilisent le bus de communication série haute vitesse PCi express, ce qui permet d'ailleurs une communication interplateforme. Le PCi express procure des bandes passantes importantes, 250 Mo/s en Gen1 et jusqu'à 1 Go/s en Gen3. Plusieurs liaisons PCi express peuvent être couplées pour augmenter la bande passante 4x, 8x, 16x (jusqu'à 16 Go/s en Gen3). il ne s'agit plus d'une bande passante partagée mais d'une bande passante dédiée et ajustable pour chacune des ressources en fonction du besoin. Le PXi express a nécessité une modification de la spécification PXi afin de permettre l'utilisation de cartes PXi et de cartes PXi express dans un même châssis PXi Hybride. Le connecteur J2 a été supprimé et remplacé par le connecteur J4 afin de laisser de l'espace pour le connecteur PXi express J3 en fond de panier. Une carte PXi comporte désormais les connecteurs J1 et J4, tandis qu'une carte PXi express comporte les connecteurs J3 et J4. Les anciennes cartes PXi ne sont pas compatibles avec les châssis PXi hybrides.

Ces nouveaux systèmes intègrent soit un contrôleur embarqué de type PC soit une interface PCi ou PCi express vers un PC.vTi instruments, distribué parAcquisys, propose une solution basée sur une carte contrôleur PXi/PXi express avec interface LXi. Le système PXi bénéficie ainsi des avantages du LXi, tels que simplicité de connexion via une liaison ethernet, synchronisation ieee-1588 (PTP), serveur web intégré permettant un contrôle et une utilisation simplifiée via un “internet exploreur”, sans le besoin d'écriture d'une seule ligne de code.

Le PXi/PXie fournit aujourd'hui une solution performante répondant aux principaux besoins de l'instrumentation. Cependant dans certains cas cette plate-forme sera trop limitée, compte tenu de l'espace disponible (carte 160 x 100 mm) ou de la puissance d'alimentation nécessaire, pour répondre à certaines applications telles que large commutation, ressources hyperfréquences… Ceci a conduit certains fabricants à s'orienter vers une plate-forme modulaire LXi notamment pour la commutation ou une plateformeAXie pour les applications numériques et hyperfréquences, plate-formeAXie qui est néanmoins beaucoup plus onéreuse.

“ Un instrument LXI classe A pourra cohabiter dans un même système avec des équipements PXI/PXie,VXI ou AXIe. Il est ainsi possible d'effectuer le meilleur choix en terme de performances ou de prix pour chacun des éléments. ” Christian Ropars

Le LXi est normalisé au niveau de la prise ethernet et doit répondre à certains critères suivant la classe de l'instrument. Les instruments LXi classe B intègrent le protocole de synchronisation ieee-1588 (PTP) tandis que les instruments LXi classe A possèdent en complément un bus de synchronisation hardware compatible avec celui du vXi, du PXi ou PXi express et de l'AXie. Un instrument LXi classe A pourra cohabiter dans un même système avec des équipements PXi/PXie,vXi ou AXie. La synchronisation interéquipements sera assurée. il est ainsi possible d'effectuer le meilleur choix en terme de performances ou en terme de prix pour chacun des éléments du système.

Les standards en lice Le format VXI ( VMEbus eXtension for Instrumentation ) qui repose sur le bus VME a été élaboré en 1987 par Colorado Data Systems, Hewlett Packard, Racal Dana Instruments, Tektronix et Wavetek. Après avoir connu un succès certain pour les tests exigeant de nombreuses voies de mesure et de hautes performances, il est aujourd'hui en perte de vitesse. Aucun nouveau produit VXI n'est lancé sur le marché mais il est encore employé dans les secteurs comme l'aéronautique ou la défense qui exigent une pérennité du matériel sur 20 à 30 ans. Là, les bancs de test doivent être exploités sur toute la durée de vie des équipements. Le format PXI ( PCI eXtensions for Instrumentation ) inventé par National Instruments en 1997 est devenu aujourd'hui un standard bien établi. Il a suivi l'évolution du bus PCI en PCI Express en 2005 pour évoluer vers le format PXI Express (PXIe). De nombreuses cartes sont encore proposées au format PXI. Mais il existe des châssis proposant des emplacements PXI, PXI Express et hybrides qui acceptent à la fois les cartes PXI Express et les cartes PXI de dernière génération. Créé en 2005 par Agilent Technologies et VXI Technology (rebaptisée VTI Instruments en 2009), le standard LXI ( Lan eXtension for Instrumentation ) ne s'appuie pas sur un bus PC, mais sur Ethernet pour assurer le contrôle d'un instrument. Il propose une architecture modulaire mais dans les faits celle-ci n'a pas fait d'émules. Il existe peu de modules ou de cartes répondant à ce standard. L'essentiel des instruments LXI existant sur le marché sont des appareils classiques simplement dotés d'une interface Ethernet compatible LXI. Ils profitent de la vitesse de communication et de toutes les fonctionnalités d'Ethernet (Interface Web, contrôle à distance, reconnaissance automatique des appareils, etc.). L'AXIe est le dernier né des formats d'instrumentation modulaire. En novembre 2009, Aeroflex Corporation, Agilent Technologies et Test Evolution Corporation ont formé un consortium dans le but de développer et de promouvoir les spécifications le format d'instrumentation modulaire AXIe ( AdvancedTCA eXtensions for Instrumentation ) reposant sur le standard AdvancedTCA utilisé notamment dans le secteur des télécoms. L'AXIe, dont la version 1.0 des spécifications date du 30 juin 2010, s'appuie aussi sur les spécifications logicielles de l'IVI ( Interchangeable Virtual Instrument) , qui vise à faciliter l'interchangeabilité matérielle, tout en revendiquant sa complémentarité avec le PXI et le LXI. Comme tous les autres standards d'instrumentation modulaire, il propose des capacités de synchronisation et de déclenchement nécessaires aux applications de test et mesure électroniques. Pour l'instant, ce standard est encore trop récent pour qu'une offre de produits conformes à ce standard se soit constituée. Seuls Agilent et Test Evolution proposent quelques produits compatibles.