Ingeniería de Prueba · Biblioteca Técnica

La Tecnología VXI

Fecha de publicación: Pendiente de confirmar

Arquitectura del bus VXI, sincronización en el backplane, conexión con el controlador y estrategias para sistemas de prueba basados en VXI.

1. Presentación del tema

Muchas aplicaciones de prueba automática (ATE) requieren integrar en un mismo sistema de medición decenas de instrumentos, con una velocidad de procesamiento y transmisión de datos muy grande. Un rack de instrumentos de banco conectados por GPIB (IEEE-488.2) tiene dos limitaciones: el ancho de banda del bus, del orden de 1 MB/s, y el volumen, el consumo y el costo de repetir en cada equipo una pantalla, un panel frontal y una fuente de alimentación que en un sistema automatizado nadie utiliza.

La norma VXI (VME eXtensions for Instrumentation, IEEE 1155) resuelve ambas cosas. Si el instrumento se diseña sin las funciones de control en modo local, se reduce considerablemente el espacio que ocupa, su consumo y su complejidad: el instrumento adopta la forma de una tarjeta, y el sistema de instrumentación se convierte en un chasis (mainframe) con tarjetas insertadas que comparten alimentación, enfriamiento, reloj, líneas de disparo y un bus de datos de alta velocidad. A partir de varias tarjetas puede configurarse un instrumento de prestaciones avanzadas.

Mainframe VXI de 13 ranuras tamaño C con módulos instalados Fuente de alimentación y monitoreo (+5 V · ±12 V · ±24 V · −5.2 V · −2 V) Slot 0 · controlador Ventiladores: flujo de aire forzado de abajo hacia arriba a través de cada ranura Slot 0CLK10, MODID,arbitraje, triggers MódulosDMM, digitalizador,AWG, switching Ranuras 8–12libres, con panelesciegos para el aire 2 ranuras
Figura 1. Mainframe VXI de 13 ranuras (0 a 12) con módulos tamaño C. El chasis aporta alimentación, enfriamiento y el backplane; el módulo de Slot 0 administra los recursos compartidos.
Beneficios de la arquitectura VXI
  • Estándar abierto y multifabricante: módulos de distintos fabricantes conviven en el mismo mainframe sin conflictos eléctricos ni mecánicos.
  • Mayor throughput: menos tiempo de prueba o más mediciones en el mismo tiempo.
  • Tamaño y densidad: menos espacio en piso, posibilidad de sistemas portátiles y cercanía física al dispositivo bajo prueba.
  • Temporización y sincronización precisas entre instrumentos, gracias al backplane.
  • Software estandarizado (VXIplug&play) que simplifica configuración, programación e integración.
  • Diseño modular y robusto: mayor tiempo medio entre fallas (MTBF) y menor tiempo medio de reparación (MTTR), porque un módulo se reemplaza en minutos.
  • Menor costo durante la vida del sistema.
Estación de prueba con mainframe VXI, computadora de control y fixture con tarjeta bajo prueba
Foto 1. Estación de prueba funcional basada en VXI: el mainframe en la parte superior, la computadora de control y el fixture con la tarjeta bajo prueba al frente. Imagen: National Instruments, VXI Tutorial.

2. De VME a VXI

El bus VXI pertenece a la familia del bus VME. Su origen está en el bus VERSAbus, creado por Motorola para su microprocesador 68000. Sobre él se adoptó el formato de tarjeta Eurocard (IEC 60297-3) y el bus pasó a denominarse VME, estandarizado como IEEE 1014. Su éxito en sistemas de microprocesadores hizo que diferentes fabricantes lo adoptaran y crearan sistemas de instrumentación basados en VME, pero sin un estándar común entre ellos: cada fabricante resolvía a su manera los disparos, los relojes, el blindaje y la alimentación de sus tarjetas.

Para resolverlo, técnicos de Colorado Data Systems, Hewlett-Packard (hoy Keysight Technologies), Racal-Dana (hoy Astronics Test Systems), Tektronix y Wavetek definieron un nuevo bus con un objetivo concreto: un estándar de instrumentos basado en el bus VME. Posteriormente se sumaron otros socios, como National Instruments y Fluke. El VXIbus Consortium vigila el cumplimiento de la norma y publica nuevas revisiones para ampliar sus capacidades. Se trata de una arquitectura abierta: cualquier fabricante puede utilizarla sin pagar derechos.

Relación entre VME, VXI y los estándares de instrumentación derivados VMEbusIEEE 1014 · Eurocard GPIBIEEE 488 · SCPI VXIbusIEEE 1155VXI-1 Rev. 4.0 (2eSST, VXS) aporta: bus de datos aporta: modelo de mensajes VISAAPI de E/S (IVI Foundation) VXI-11protocolo LAN (ONC-RPC) PXI / PXI Expressmodularidad sobre PCI/PCIe VXIplug&play consorcio VXI concepto detriggers y reloj LXIinstrumentos LAN
Figura 2. VXI combina el bus de datos de VME con el modelo de mensajes de GPIB. De su ecosistema derivan la API VISA, el protocolo de red VXI-11 —que usan la mayoría de los instrumentos LXI— y conceptos de sincronización que adoptó PXI.
Por qué VXI sigue siendo relevante para un ingeniero de prueba

Aunque hoy no se elija VXI para un sistema nuevo de manufactura, su legado está en todas partes: la cadena TCPIP::<host>::INSTR que se usa para controlar un osciloscopio por red corresponde al protocolo VXI-11, y la API VISA nació de la alianza VXIplug&play. Además, miles de estaciones ATE de defensa y aviónica basadas en VXI siguen en operación y deben mantenerse, ampliarse o migrarse.

3. Repaso del bus VME

VME es un bus paralelo asíncrono con una arquitectura diseñada para sistemas de microprocesadores. Aunque eléctrica y lógicamente es similar al 68000, está definido de forma suficientemente general para no depender del procesador, y se ha usado con procesadores de muchas familias. Por sí solo es limitado para instrumentación: no define relojes de referencia, líneas de disparo, blindaje electromagnético ni enfriamiento.

  • Conector P1 (mínimo obligatorio): todas las señales de control, direcciones de 16 o 24 bits (A16/A24) y datos de 8 o 16 bits (D08/D16).
  • Conector P2: expande el sistema a direcciones y datos de 32 bits (A32/D32) y deja líneas libres para el usuario.
  • VSB (VME Subsystem Bus): define el P2 como canal de comunicación adicional entre un grupo de tarjetas; pueden existir varios VSB en un mismo sistema VME, idea similar a la de los subsistemas VXI.

Las extensiones de VME aumentaron el ancho de banda del bus con nuevos protocolos de transferencia por bloques, que VXI hereda:

Tabla 1. Protocolos de transferencia de la familia VME/VXI (tasas máximas teóricas).

ProtocoloAncho de datosMecanismoTasa máxima
Ciclo simpleD16 / D32Handshake por cada palabra≈ 10–20 MB/s
BLT (block transfer)D32Una dirección, varias palabras40 MB/s
MBLTD64Multiplexa direcciones y datos80 MB/s
2eVMED64Transfiere en ambos flancos del strobe160 MB/s
2eSSTD64Doble flanco, síncrono a la fuente320 MB/s

VXI-1 Rev. 4.0 incorpora 2eSST y la tecnología de interconexión serial VXS, manteniendo compatibilidad con los módulos existentes.

4. Las extensiones del bus VXI

VXI conserva el P1 y parte del P2 tal como los define VME y agrega lo que un sistema de instrumentación necesita: tamaños de módulo más grandes, más fuentes de alimentación, blindaje, especificaciones de enfriamiento y, sobre todo, buses dedicados de reloj y disparo.

4.1 Tamaños de módulo

Tamaños de módulo VXI A, B, C y D a escala A100 × 160 mm3U · P1 B233 × 160 mm6U · P1, P2 el más utilizado C233 × 340 mm6U · P1, P2 D367 × 340 mm9U · P1, P2, P3 (en desuso) P1P2P3 ← conectores Dibujo a escala (alto × profundidad). Separación entre ranuras: 20.32 mm en A/B (VME) y 30.48 mm en C/D (VXI).
Figura 3. Los tamaños A y B son módulos VME estándar; VXI agrega los tamaños C y D, con mayor profundidad y mayor separación entre ranuras para blindaje y disipación.

Tabla 2. Tamaños de módulo VXI.

TamañoAlto × profundidadConectoresSeparaciónObservaciones
A100 × 160 mm (3U)P120.32 mmMódulo VME; compatible eléctricamente
B233.35 × 160 mm (6U)P1, P220.32 mmMódulo VME; usado en instrumentos compactos
C233.35 × 340 mm (6U)P1, P230.48 mmFormato dominante en la práctica
D366.7 × 340 mm (9U)P1, P2, P330.48 mmInstrumentos de alta complejidad; declarado en desuso en VXI-1 Rev. 4.0

Los módulos A y B se instalan en un mainframe C mediante adaptadores (carriers).

Además del mainframe clásico de 13 ranuras tamaño C para rack de 19 pulgadas, existen mainframes más pequeños para banco o aplicaciones portátiles, y mainframes mixtos que combinan ranuras C con ranuras B, lo que permite integrar módulos VXI B o incluso tarjetas VME sin adaptadores adicionales.

Mainframe VXI de 9 ranuras con ranuras tamaño C y tamaño B
Foto 2. Mainframe VXI de 9 ranuras: seis ranuras tamaño C en la parte inferior y tres ranuras tamaño B en la superior, para módulos VXI B o tarjetas VME. Imagen: National Instruments, VXI Tutorial.

4.2 Alimentación y enfriamiento

Además de +5 V y ±12 V de VME, el backplane VXI distribuye ±24 V para circuitos analógicos de alto rango, −5.2 V y −2 V para lógica ECL y terminaciones, y +5 V de respaldo (standby). La revisión 4.0 incorpora además 3.3 V. El estándar exige que el fabricante del mainframe publique la corriente disponible en cada riel y la capacidad de enfriamiento por ranura, y que el fabricante del módulo publique su consumo y la caída de presión de aire que provoca, medidos con una metodología común (especificación VXI-8).

Al comparar mainframes hay que distinguir dos especificaciones de potencia: la potencia disponible, que es la capacidad nominal de la fuente, y la potencia utilizable, que es la que realmente puede entregarse a los módulos a través del backplane. Para seleccionar un mainframe se compara siempre la potencia utilizable. Una fuente que opera lejos de su límite trabaja más fría y dura más.

Pmódulo = Σ Vriel · Iriel  ;  Pmódulo ≤ Penfriamiento por ranura  ;  Carga = Σ PmódulosPutilizableEc. 1
Ejemplo 1 · Presupuesto de potencia de un mainframe

Se agregan cuatro digitalizadores de una ranura a un mainframe. Cada uno consume 5 A en +5 V, 0.6 A en +24 V, 0.6 A en −24 V, 1.2 A en −5.2 V y 0.4 A en −2 V. Con la Ec. 1: P = 25 + 14.4 + 14.4 + 6.24 + 0.8 = 60.8 W por módulo. Si el chasis especifica 50 W de enfriamiento por ranura, el módulo excede la capacidad aunque la fuente tenga corriente de sobra: la solución es dejar una ranura libre entre módulos o usar un mainframe de mayor flujo de aire. En los rieles, los cuatro módulos suman 4.8 A en −5.2 V, valor que debe compararse con la corriente disponible de ese riel, que suele ser el más limitado.

A nivel del sistema: si el conjunto de módulos consume 450 W y el mainframe entrega 1 100 W utilizables, la fuente trabaja al 450 / 1 100 = 41 % de su capacidad. El mismo sistema en un mainframe de 500 W utilizables la llevaría al 90 %: funcionaría, pero con menos margen para crecer y una vida útil más corta de la fuente. Como regla práctica, conviene dejar la carga por debajo del 70–80 %.

4.3 Buses de instrumentación en el backplane

Buses del backplane VXI 0 123456789101112 Bus VMEdatos/direcciones TTLTRG0–7ECLTRG0–1 CLK1010 MHz desde Slot 0 MODIDuna línea por ranura Bus localentre ranuras vecinas Bus suma analógico P1/P2P2P2P2P2P2
Figura 4. Buses de instrumentación que VXI agrega al backplane en el conector P2. El P3 (tamaño D) añade CLK100, SYNC100, star trigger, más líneas ECL y 24 líneas adicionales de bus local.

Tabla 3. Recursos de sincronización y comunicación del backplane VXI.

RecursoDescripciónUso típico en ATE
CLK10Reloj de 10 MHz, diferencial ECL, generado en Slot 0 y distribuido a cada ranuraReferencia de frecuencia común; elimina el error relativo entre bases de tiempo
TTLTRG0–78 líneas de disparo TTL de colector abierto, compartidas por todas las ranurasArrancar adquisiciones, avanzar un scan de switching, sincronizar fuente y medidor
ECLTRGLíneas de disparo ECL de alta velocidad (2 en P2, más en P3)Disparos con poca incertidumbre temporal
Star trigger · CLK100 · SYNC100Líneas punto a punto desde Slot 0 con retardo igualado; reloj de 100 MHzMuestreo simultáneo entre módulos con skew mínimo
MODIDUna línea dedicada de Slot 0 a cada ranuraIdentificar en qué ranura física está cada módulo
Bus localLíneas cortas entre ranuras adyacentes (12 por lado en P2)Pasar datos entre módulos sin ocupar el bus VME, p. ej., digitalizador → procesador
Bus suma analógicoLínea que suma corrientes a lo largo del backplaneCombinar salidas analógicas de varios módulos

Los protocolos de disparo definidos para las líneas TTLTRG van desde un pulso simple sin acuse (SYNC) hasta protocolos con confirmación de cada dispositivo receptor (ASYNC, START/STOP). El Resource Manager no asigna las líneas de disparo: su distribución es responsabilidad del integrador del sistema y debe documentarse.

Δtskew ≈ tp · |nA − nB|    (tp ≈ 2 ns por ranura)Ec. 2
Ejemplo 2 · Retardo de disparo entre ranuras

Dos digitalizadores deben muestrear al mismo tiempo; uno está en la ranura 2 y otro en la 12. Con la Ec. 2, la diferencia de retardo de propagación es ≈ 2 ns × 10 = 20 ns, el 20 % de un periodo de CLK10. Para una señal de 1 MHz eso equivale a 360° × 10⁶ × 20×10⁻⁹ = 7.2° de error de fase. Como cada módulo conoce su ranura y sabe que el disparo viene de Slot 0, puede compensar el retardo; las líneas star trigger, con retardo igualado, lo eliminan desde el hardware.

4.4 Slot 0, Resource Manager y direccionamiento

El módulo instalado en la ranura 0 es obligatorio y especial: actúa como controlador del sistema VME (arbitraje del bus), genera CLK10 y maneja las líneas MODID. Insertar un módulo configurado como Slot 0 en otra ranura puede dañarlo a él o al backplane. Con frecuencia el mismo módulo es la interfaz con la computadora de control.

El Resource Manager es una función de software que se ejecuta al encender el sistema: identifica los dispositivos y su ranura, asigna espacio de memoria A24/A32, establece la jerarquía comandante-servidor (commander/servant), configura las interrupciones y finalmente ordena a cada dispositivo iniciar la operación normal. Reside en la dirección lógica 0, que no necesariamente corresponde al módulo de la ranura 0.

El bus VXI puede controlar hasta 256 dispositivos (direcciones lógicas 0 a 255) distribuidos en uno o más subsistemas. Cada subsistema tiene hasta 13 ranuras (de la 0 a la 12); la unión de subsistemas se realiza con extensores de bus y todo funciona como un único sistema, transparente para el operador. Cada dispositivo tiene 64 bytes de registros de configuración en la parte alta del espacio A16:

DirecciónA16 = C000h + LA · 40h    (LA = dirección lógica, 0 a 255)Ec. 3
Ejemplo 3 · Ubicar los registros de un módulo

Un DMM está configurado con dirección lógica 24. Con la Ec. 3: C000h + 24 × 40h = C000h + 600h = C600h. En esa dirección se leen sus registros de identificación (fabricante y modelo), estado y control. Si dos módulos se configuran por error con la misma dirección lógica, el Resource Manager reporta un conflicto y ninguno de los dos opera correctamente.

Conviene distinguir dos conceptos: un dispositivo es típicamente un módulo, pero no siempre. Pueden existir varios dispositivos en un solo módulo (por ejemplo, una tarjeta con dos DMM independientes), y un dispositivo puede ocupar varios módulos (un analizador que usa tres ranuras).

4.5 Tipos de dispositivo

VXI combina lo mejor de dos mundos: de los instrumentos GPIB toma la facilidad de uso de los dispositivos basados en mensajes (comandos ASCII), y de las tarjetas DAQ conectadas al bus de la computadora toma la velocidad de los dispositivos basados en registros (acceso binario directo). A ambos les suma el entorno de instrumentación del backplane, las funciones de Slot 0 y el Resource Manager.

Tabla 4. Clases de dispositivos VXI.

ClaseComunicaciónVentajaLimitación
Basado en registros (register-based)Lectura/escritura binaria directa a registrosMáxima velocidad; hardware simple y económicoRequiere un driver que conozca el mapa de registros
Basado en mensajes (message-based)Protocolo Word Serial con comandos ASCII (SCPI), como en GPIBProgramación de alto nivel, independiente del hardwareMás lento; requiere un procesador en el módulo
MemoriaEspacio A24/A32 accesible directamenteTransferencias por bloques de grandes volúmenesSin capacidad de comando
ExtendidoDefinido por el fabricanteFunciones especialesMenor interoperabilidad

4.6 Instrumentos VXI

La oferta de instrumentos VXI cubre todas las funciones de un rack de banco —DMM, osciloscopios y digitalizadores, generadores arbitrarios, contadores, fuentes, switching, E/S digital y adquisición de datos con acondicionamiento— además de funciones propias de defensa y aviónica, como interfaces de bus MIL-STD-1553, sincro/resolver y prueba digital de alta velocidad. Algunas características típicas:

  • Módulos multifunción que reemplazan varios instrumentos: un solo módulo de adquisición puede ofrecer 64 entradas analógicas, salidas analógicas, E/S digital y contadores, con disparo por las líneas TTL/ECL del backplane.
  • Switching reconfigurable: un módulo de relevadores puede operar como multiplexor 64×1 de 2 hilos o, mediante accesorios y software, como matriz 16×4 u 8×8, con aislamiento de 250 V CAT II y offset térmico menor a 2 µV.
  • Transferencia por DMA: los instrumentos con motor DMA envían sus datos al controlador sin ocupar la CPU, lo que optimiza el uso del bus cuando varios módulos adquieren a la vez.
  • Resolución flexible: digitalizadores con convertidor sigma-delta multibit en lazo cerrado intercambian velocidad por resolución en un mismo módulo.
Mainframe VXI con módulos de instrumentos y software de generación de formas de onda
Foto 3. Mainframe VXI con módulos de instrumentos: cada tarjeta es un instrumento completo, programado desde la computadora con su driver y su panel frontal virtual. Imagen: National Instruments, VXI Tutorial.
ΔNsobremuestreo = ½ · log2(OSR)   ⇒   ≈ 1.66 bits por cada factor de 10 en la reducción de la tasa de muestreoEc. 4
Ejemplo 4 · Velocidad contra resolución en un digitalizador de resolución flexible

Un digitalizador VXI de resolución flexible entrega 8 bits a 100 MS/s, 13 bits a 10 MS/s y 18 bits a 1 MS/s: gana ≈ 5 bits por cada década de reducción en la tasa. Con sobremuestreo y promediado simple (Ec. 4) solo se ganarían ≈ 1.66 bits por década, es decir, de 8 a ≈ 11.3 bits a 1 MS/s. La diferencia (≈ 6.7 bits adicionales) proviene del conformado de ruido (noise shaping) del lazo sigma-delta, que empuja el ruido de cuantización fuera de la banda de interés. En la práctica, un solo módulo puede funcionar como osciloscopio de alta velocidad o como digitalizador de alta resolución, y la selección del modo debe basarse en la ENOB requerida por la prueba.

5. Conexión con el controlador

Arquitecturas de control de un sistema VXI (a) Controlador embebido PC enSlot 0 Acceso directo al backplane.Máximo rendimiento, sin cables. (b) PC externa + enlace de bus PCtarjeta PCIe cable S0 MXI-2 o PCIe a Slot 0: el PC ve el busVXI como memoria propia. (c) Slot 0 con LAN o USB PC S0 Ethernet o USB; cómodo pero conmayor latencia por transacción.
Figura 5. Arquitecturas de control. La interfaz entre el controlador y el mainframe determina la latencia por transacción y la tasa sostenida del sistema.

Tabla 5. Opciones de control de un sistema VXI.

InterfazRendimientoComentarios
Controlador embebido en Slot 0Acceso nativo al busWindows, Linux o RTOS; ocupa una o dos ranuras
PCIe a Slot 0 (enlace de bus)Cercano al embebidoPermite usar una PC de escritorio o servidor actual
MXI-2≈ 38 MB/s sostenidosExtiende el bus por cable; muy común en sistemas instalados; también une varios mainframes
USB a Slot 0≈ 30 MB/sPortátil, sin abrir la PC
Ethernet a Slot 0Depende de la red y la latenciaControl remoto; los módulos basados en mensajes se exponen por VXI-11
GPIB a Slot 0≈ 1 MB/sSolución heredada; las versiones recientes de NI-VISA ya no soportan controladores GPIB-VXI

Cada configuración tiene ventajas propias. El controlador embebido ofrece el sistema más compacto y la conexión directa al backplane, aunque normalmente cuesta más. El enlace de bus (MXI-2 o PCIe) da un rendimiento en transferencias por bloques comparable al embebido, con la flexibilidad de una PC de escritorio que puede actualizarse sin tocar el mainframe; el cable MXI permite colocar la computadora junto al mainframe o hasta a 20 m, y encadenar varios mainframes con cables multipunto. La conexión por GPIB traduce de forma transparente los protocolos GPIB a VXI: cada instrumento VXI aparece como un instrumento GPIB con su propia dirección, lo que facilita integrar VXI de forma gradual en un sistema GPIB existente; es adecuada para aplicaciones con instrumentos basados en mensajes y poca transferencia de datos.

Controlador embebido VXI tamaño C
Foto 4. Controlador embebido: una PC completa en un módulo de Slot 0. Imagen: National Instruments, VXI Tutorial.
Kit de interfaz MXI-2 con módulo Slot 0, tarjeta para PC y cable
Foto 5. Enlace de bus MXI-2: módulo de Slot 0, tarjeta para la PC y cable. Imagen: National Instruments, VXI Tutorial.
Módulo controlador GPIB para VXI
Foto 6. Módulo de Slot 0 con interfaz GPIB, para integrar VXI en sistemas GPIB. Imagen: National Instruments, VXI Tutorial.
Ejemplo 5 · Tiempo de transferencia según la interfaz

Un digitalizador entrega un registro de 1 M muestras de 16 bits (2 MB). Tiempo de transferencia t = tamaño / tasa: por GPIB a 1 MB/s, 2 s; por MXI-2 a 38 MB/s, 53 ms; con un controlador embebido usando BLT D32 a 40 MB/s, 50 ms; con 2eSST a 320 MB/s, 6.3 ms. En una prueba que descarga 50 registros por unidad, la diferencia entre GPIB y MXI-2 es de 100 s contra 2.6 s: la interfaz de control, no el instrumento, define el tiempo de ciclo.

6. Software: VISA, VXIplug&play y VXI-11

Para que instrumentos de distintos fabricantes funcionaran juntos, la alianza VXIplug&play definió reglas de instalación, paneles frontales virtuales, formatos de driver y, sobre todo, la API VISA (Virtual Instrument Software Architecture), hoy mantenida por la IVI Foundation. VISA ofrece la misma interfaz para VXI, GPIB, serial, USB, Ethernet y PXI; el tipo de bus se indica en la cadena de recurso:

  • VXI0::24::INSTR: dispositivo VXI con dirección lógica 24.
  • GPIB-VXI0::24::INSTR: el mismo dispositivo a través de un Slot 0 con GPIB (heredado).
  • TCPIP::192.168.1.50::INSTR: instrumento de red mediante el protocolo VXI-11.
  • TCPIP::192.168.1.50::hislip0::INSTR: el mismo instrumento con HiSLIP, el protocolo de red que sustituye a VXI-11.

El estándar de hardware garantiza que módulos de distintos fabricantes funcionen juntos en el mainframe; VXIplug&play extiende esa interoperabilidad al sistema completo, con la meta de que el usuario tenga el sistema funcionando «en cinco minutos o menos». Para ello define marcos de sistema (frameworks), combinaciones de sistema operativo y entorno de desarrollo, y exige que cada instrumento compatible se entregue con su driver de instrumento, un panel frontal virtual (soft front panel) y una rutina de instalación. Elegir un marco permite seleccionar controladores e instrumentos sabiendo de antemano que su software se integrará.

El protocolo VXI-11, definido por el VXIbus Consortium, lleva el modelo de mensajes de GPIB a la red mediante llamadas a procedimiento remoto (ONC-RPC) sobre TCP/IP. La mayoría de los instrumentos LXI lo implementan, de modo que buena parte de los osciloscopios, fuentes y analizadores con puerto Ethernet que hoy se controlan por red hablan «VXI».

El siguiente ejemplo en Python muestra que, gracias a VISA, el código de prueba es el mismo para un módulo VXI basado en mensajes y para un instrumento LXI por red; solo cambia la cadena de recurso:

# Mismo código para un DMM VXI y un DMM LXI: solo cambia el recurso VISA
# Requiere: una implementación de VISA (p. ej., NI-VISA) y pyvisa
import pyvisa

RECURSOS = {
    "DMM VXI (LA 24)": "VXI0::24::INSTR",
    "DMM LXI (red)":   "TCPIP::192.168.1.50::INSTR",   # VXI-11
}

rm = pyvisa.ResourceManager()
for nombre, recurso in RECURSOS.items():
    with rm.open_resource(recurso) as dmm:
        dmm.timeout = 5000                      # ms
        print(nombre, "->", dmm.query("*IDN?").strip())
        dmm.write("CONF:VOLT:DC 10")            # rango de 10 V (SCPI)
        lectura = float(dmm.query("READ?"))
        print(f"   Vdc = {lectura:.6f} V")
En el banco de pruebas

Antes de diagnosticar un instrumento VXI que «no responde», revise el reporte del Resource Manager (en NI, la utilidad de configuración del sistema). Ahí se ve si el módulo fue detectado, en qué ranura, con qué dirección lógica y si pasó su autoprueba. La mayoría de las fallas en sistemas VXI son de configuración: direcciones lógicas duplicadas, un módulo que no es Slot 0 instalado en la ranura 0, o líneas de disparo asignadas a dos funciones.

7. Cómo especificar un sistema VXI

La configuración de un sistema VXI —nuevo, ampliación o reemplazo de partes— sigue una secuencia que evita la mayoría de los problemas de integración:

  1. Defina el objetivo. ¿Se integra VXI en un sistema existente o es un sistema nuevo? ¿Qué beneficio concreto se espera: tiempo de prueba, densidad, compatibilidad con estaciones existentes? Fije expectativas medibles contra las cuales evaluar el resultado.
  2. Elija el software y el marco VXIplug&play. El software determina el tiempo de desarrollo, el mantenimiento y la reutilización en proyectos futuros. Prefiera entornos con depuración completa, drivers estandarizados (VISA/IVI) y un ejecutivo de pruebas como TestStand.
  3. Elija el controlador. Embebido, enlace de bus o conexión por red/GPIB, según tamaño, ubicación, throughput y herramientas de software (sección 5).
  4. Seleccione el mainframe. Número de ranuras con margen de crecimiento, potencia utilizable por riel, enfriamiento por ranura y compatibilidad con el receptor de interconexión (especificación VXIplug&play VPP-8) si se usarán adaptadores de interfaz (ITA).
  5. Seleccione los instrumentos. Verifique que sean compatibles con VXIplug&play, que el mainframe cubra su consumo y enfriamiento, y que existan drivers para su entorno.
  6. Itere e integre. Compare el resultado contra el objetivo inicial y repita la selección donde convenga optimizar desempeño o costo antes de instalar.

8. VXI en la práctica: vigencia y migración

El mercado principal de VXI son los sistemas de prueba automática militares y de aviónica: estaciones que deben operar durante décadas, certificadas, con adaptadores de interfaz (ITA) y programas de prueba (TPS) cuya revalidación es costosa. Fabricantes como Astronics Test Systems, Bustec y VTI Instruments, junto con fabricantes de mainframes y receptores de interconexión, siguen ofreciendo módulos, controladores Slot 0 y chasis VXI, y la revisión 4.0 del estándar añadió transferencias 2eSST, interconexión serial y más potencia por ranura manteniendo la compatibilidad con los módulos existentes.

Línea de estaciones de prueba automática basadas en VXI con computadoras de control
Foto 7. Línea de estaciones ATE basadas en VXI: cada estación integra mainframes VXI, receptor de interconexión y computadora de control. Imagen: cortesía de Instrumentation Engineering Inc., publicada en VXI Tutorial de National Instruments.

Para un sistema nuevo, en cambio, la plataforma modular dominante es PXI Express, con más fabricantes, mayor ancho de banda y menor costo por canal; para instrumentos aislados o distribuidos, LXI. La decisión práctica con VXI suele ser cómo sostener o migrar un sistema existente.

Tabla 6. Estrategias para sistemas de prueba basados en VXI.

EstrategiaDescripciónCuándo convieneRiesgo
SostenerInventario de refacciones, reparación de módulos, reemplazos directos (drop-in)Pocos años de vida restante del programaUn reemplazo directo VXI puede crear otro problema de obsolescencia
Migración incrementalInstalar módulos PXI/PXIe en adaptadores dentro de ranuras VXI, uno por uno; al final, reemplazar chasis y controladorPresupuesto limitado o poco tiempo de paro de la estaciónMás complejidad de integración temporal
Migración completaNueva estación PXIe con reutilización de ITA y receptorPrograma con muchos años por delanteReescritura y revalidación de TPS

Según NI, reescribir un programa de prueba tras reemplazar instrumentación obsoleta cuesta del orden de 150 000 USD por TPS; por eso se prefieren estrategias que preserven el software y el cableado.

Existen dos tipos de adaptador para alojar módulos PXI en un mainframe VXI. Uno expone el módulo PXI como dispositivo basado en registros, de modo que el cambio de driver es menor y conviene para reemplazar módulos VXI de ese tipo. Otro integra el driver PXI en su firmware y presenta el módulo como dispositivo basado en mensajes con comandos SCPI, lo que puede evitar modificar y revalidar el software del sistema. Cada ranura VXI aloja uno o dos módulos PXI o PXI Express.

Error frecuente

Migrar el hardware sin aislar el software. Si los programas de prueba llaman directamente a funciones de un driver VXI específico, cada cambio de instrumento obliga a modificar y revalidar los TPS. Antes de cambiar el primer módulo, conviene introducir una capa de abstracción de hardware (HAL) o drivers IVI, de modo que la secuencia de prueba solicite «medir voltaje DC» y no «escribir en el registro C600h».

Tabla 7. VXI frente a las plataformas modulares actuales (resumen; la comparación detallada se presenta en el artículo sobre PXI).

CaracterísticaVXIPXI ExpressLXI
Base tecnológicaVME (bus paralelo)PCI Express (serie, punto a punto)Ethernet
Ancho de banda40–320 MB/s compartidosVarios GB/s por ranuraLimitado por la red
SincronizaciónCLK10, TTL/ECL, star triggerReloj de 10/100 MHz, PXI trigger, star trigger, DSTARIEEE 1588 (PTP), bus de disparo LXI
Tamaño de móduloGrande (6U × 340 mm)Compacto (3U)Instrumento completo
Potencia y blindaje por móduloMuy altosModeradosLos del propio instrumento
Aplicación actualSostenimiento de ATE de defensa y aviónicaATE nuevos, validación, RFInstrumentos de alto desempeño y distribuidos

9. Buenas prácticas para sistemas VXI

  • Documente la configuración del mainframe: ranura, dirección lógica, clase de dispositivo y asignación de cada línea TTLTRG/ECLTRG. Es la información que más se pierde con el tiempo.
  • Haga el presupuesto de potencia por riel y por ranura (Ec. 1) antes de agregar un módulo, en especial en −5.2 V y ±24 V.
  • Coloque paneles ciegos en las ranuras vacías para conservar el flujo de aire, y deje ranuras libres junto a los módulos de mayor disipación.
  • Compare la potencia utilizable, no la disponible, y mantenga la carga de la fuente por debajo del 70–80 %.
  • Mantenga la calibración: calibración trazable en laboratorio dentro de su intervalo y, entre calibraciones, autocalibración por software en los módulos que tienen referencias internas.
  • Use CLK10 como referencia común de todos los instrumentos que lo permitan; así las mediciones de frecuencia y fase comparten base de tiempo.
  • Programe con VISA y drivers IVI, nunca con accesos directos a registros desde la secuencia de prueba.
  • Planee la obsolescencia desde ahora: identifique los módulos sin reemplazo, los adaptadores PXI disponibles y el costo de revalidar cada TPS.

10. Resumen

  • VXI (IEEE 1155) convierte cada instrumento en una tarjeta dentro de un mainframe que comparte alimentación, enfriamiento, reloj, disparos y un bus de datos de alta velocidad.
  • Hereda de VME el bus de datos (P1/P2, A16–A32, D08–D64) y agrega tamaños de módulo C y D, más fuentes de alimentación, blindaje y especificaciones de enfriamiento.
  • Sus buses de instrumentación —CLK10, TTLTRG, ECLTRG, star trigger, MODID, bus local y bus suma— permiten sincronizar módulos con resolución de nanosegundos.
  • El Slot 0 administra el backplane; el Resource Manager (dirección lógica 0) configura hasta 256 dispositivos en subsistemas de 13 ranuras.
  • Los dispositivos basados en registros son rápidos; los basados en mensajes se programan con SCPI como un instrumento GPIB.
  • El mainframe se selecciona por potencia utilizable, enfriamiento por ranura y número de ranuras con margen; la carga de la fuente conviene mantenerla por debajo del 70–80 %.
  • La interfaz con el controlador (embebido, PCIe, MXI-2, USB, LAN) define el tiempo de transferencia de datos y, con frecuencia, el tiempo de ciclo de la prueba.
  • El legado de VXI vive en VISA y en el protocolo VXI-11 de los instrumentos LXI; la plataforma se mantiene en ATE de defensa y aviónica, con rutas de migración incremental hacia PXI Express.

11. Glosario ES / EN

Bus local
Local bus: líneas entre ranuras adyacentes para comunicación privada entre módulos.
Comandante / servidor
Commander / servant: jerarquía de control entre dispositivos VXI.
Dirección lógica
Logical address (LA): identificador de 0 a 255 de cada dispositivo VXI.
Dispositivo basado en mensajes
Message-based device: se programa con comandos ASCII (SCPI) mediante el protocolo Word Serial.
Dispositivo basado en registros
Register-based device: se programa leyendo y escribiendo registros binarios.
Gestor de recursos
Resource Manager (RM): software que identifica y configura los dispositivos al arranque.
Identificación de módulo
Module identification (MODID): líneas que indican la ranura física de cada módulo.
Línea de disparo
Trigger line (TTLTRG, ECLTRG): señal compartida para sincronizar eventos entre módulos.
Mainframe
Mainframe, chassis: chasis con backplane, fuentes y ventilación.
Programa de prueba
Test program set (TPS): software, adaptador y documentación para probar una unidad.
Ranura 0
Slot 0: posición del módulo que administra el backplane.
Reloj de referencia
CLK10: reloj de 10 MHz distribuido desde la ranura 0.
Star trigger
Star trigger: líneas punto a punto desde la ranura 0 con retardo igualado.
Transferencia por bloques
Block transfer (BLT, MBLT, 2eSST): transferencia de varias palabras con una sola fase de direccionamiento.
Adaptador de interfaz
Interface test adapter (ITA): arnés y fixture entre el receptor del ATE y la unidad bajo prueba.
VISA
Virtual Instrument Software Architecture: API estándar de E/S para instrumentos.
VXI-11
TCP/IP Instrument Protocol: protocolo de control de instrumentos por red basado en ONC-RPC.

12. Referencias

  1. Topete Samaniego, D. «La Tecnología VXI», serie Instrumentación Virtual, FFTLab.com.
  2. Topete Samaniego, D. Tarjetas de Adquisición de Datos y Acondicionamiento de Señal, davidtopete.com.
  3. National Instruments. VXI Tutorial e Instrument Control Overview, sección «VXI and VME» del catálogo de soluciones de instrumentación.
  4. NI. Triggering with NI-VXI.
  5. NI. Strategies to Manage Obsolescence in Aerospace and Defense (white paper).

Por: David Topete Samaniego