La Tecnología PXI

1. Presentación del tema

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) es una plataforma robusta basada en tecnología de PC para sistemas de medición y automatización. Combina el bus eléctrico de la PC —PCI en su versión original y PCI Express en PXI Express— con el empaque mecánico modular y robusto Eurocard de CompactPCI, y le agrega buses de temporización y sincronización especializados y características de software clave. El resultado es una plataforma de alto desempeño y costo moderado para pruebas de manufactura, validación de diseño, sistemas militares y aeroespaciales, monitoreo de máquinas, pruebas automotrices, semiconductores y RF.

PXI es un estándar abierto. Lo gobierna la PXI Systems Alliance (PXISA), un grupo de más de 60 compañías que promueve el estándar, asegura la interoperabilidad entre fabricantes y mantiene las especificaciones: hardware PXI (PXI-1), PXI Express (PXI-5), software (PXI-2 y PXI-6) y administración de disparos (PXI-9), entre otras. El ecosistema reúne alrededor de 1 500 productos de más de 70 fabricantes, lo que permite combinar en un mismo chasis módulos de distintos proveedores.

2. Arquitectura del hardware

Un sistema PXI se forma con tres componentes: el chasis, el controlador del sistema y los módulos periféricos. El chasis aporta el empaque, la alimentación, el enfriamiento y el backplane; el controlador es la computadora que ejecuta el software; y los módulos son los instrumentos.

2.1 Chasis y tipos de ranura

El chasis va de 4 a 18 ranuras y existe en versiones para banco, rack, alimentación de CD y con acondicionamiento o monitoreo integrados. Su backplane contiene el bus de datos —enlaces PCI Express en PXI Express— y los buses de temporización y disparo. Cada ranura está marcada con un símbolo que indica qué módulos acepta:

Tabla 1. Tipos de ranura en un chasis PXI / PXI Express.

Ranura	Acepta	Función
Sistema (ranura 1)	Controlador embebido o módulo de control remoto	Raíz del bus PCIe; siempre en el extremo izquierdo. Algunos controladores ocupan además ranuras de expansión a su izquierda
Timing del sistema	Módulo de temporización o cualquier periférico PXIe	Acceso a las líneas star y DSTAR hacia todas las ranuras; permite sustituir el reloj del backplane
PXI Express	Módulos PXIe	Enlace PCIe dedicado (x4 o x8 según el chasis)
Híbrida	Módulos PXIe y módulos PXI compatibles con ranura híbrida	Integra módulos PXI de bus PCI en chasis PXI Express
PXI-1 periférica	Módulos PXI y CompactPCI 3U	Chasis y sistemas PXI de bus PCI

Además del número de ranuras, el chasis se especifica por su ancho de banda total y por ranura, y por la potencia de enfriamiento por ranura, que limita qué módulos y controladores pueden instalarse.

Tabla 2. Ejemplos de chasis PXI Express de NI.

Chasis	Ranuras	Híbridas	Ancho de banda del sistema	Por ranura	Enfriamiento por ranura
PXIe-1095	18	5 (+11 PXIe y 1 de timing)	24 GB/s	8 GB/s	82 W
PXIe-1085 (24 GB/s)	18	16 (+1 de timing)	24 GB/s	8 GB/s	38 W
PXIe-1092	10	7 (+1 de timing)	24 GB/s	8 GB/s	82 W
PXIe-1082	8	4 (+2 PXIe y 1 de timing)	8 GB/s	2 GB/s	38 W
PXIe-1071	4	3	3 GB/s	1 GB/s	38 W

Fuente: hoja de selección de chasis PXI Express de NI. Ancho de banda en cada dirección.

2.2 El bus de datos: de PCI a PCI Express

El PXI original usaba el bus PCI de 32 bits a 33 MHz: 132 MB/s compartidos entre todos los módulos. PXI Express sustituye ese bus por enlaces PCI Express punto a punto, distribuidos por switches en el backplane: cada ranura tiene un enlace dedicado y el ancho de banda escala con el número de carriles (lanes) y la generación de PCIe:

Tabla 3. Ancho de banda de PCI Express por carril y por enlace.

Generación	Tasa	Por carril	x4	x8	x16
Gen1	2.5 GT/s	250 MB/s	1 GB/s	2 GB/s	4 GB/s
Gen2	5 GT/s	500 MB/s	2 GB/s	4 GB/s	8 GB/s
Gen3	8 GT/s	≈ 985 MB/s	≈ 3.9 GB/s	≈ 7.9 GB/s	≈ 15.8 GB/s

Valores teóricos por dirección; el throughput sostenido real es del orden de 75–90 % por la sobrecarga de protocolo.

2.3 Buses de temporización y disparo

Lo que distingue a PXI de una PC industrial con tarjetas es su backplane de temporización. PXI Express conserva todos los recursos de PXI y agrega señales diferenciales con mejor inmunidad al ruido y menor skew:

Tabla 4. Recursos de sincronización del backplane PXI Express y skew típico entre módulos.

Señal	Tipo	Skew entre dispositivos	Uso recomendado
PXIe_CLK100 / PXIe_SYNC100	Reloj diferencial de 100 MHz y señal de sincronía, a todas las ranuras	< 250 ps	Reloj de referencia para sincronizar módulos de alta velocidad
PXIe_DSTAR A/B/C	Disparos diferenciales punto a punto desde/hacia la ranura de timing	< 500 ps	Disparos y relojes de máxima precisión
PXI_CLK10	Reloj de 10 MHz a todas las ranuras	< 1 ns	Referencia de frecuencia común del sistema
PXI_STAR	Disparo de un solo extremo, punto a punto desde la ranura de timing	< 10 ns	Disparos con baja incertidumbre
PXI_TRIG[0..7]	8 líneas de disparo compartidas por todas las ranuras	< 80 ns	Iniciar adquisiciones, avanzar listas de switching; solo para disparos, no para relojes

Fuente: NI, sincronización de módulos PXI Express con NI-DAQmx.

3. Controladores PXI

Según la especificación de hardware, todo chasis PXI tiene una ranura de controlador del sistema en el extremo izquierdo (ranura 1). Las opciones son un controlador remoto desde una PC de escritorio, una laptop o un servidor, o un controlador embebido de alto desempeño con Windows de 64 bits o con un sistema operativo de tiempo real (NI Linux Real-Time con LabVIEW Real-Time).

3.1 Control remoto

Un enlace de control remoto extiende el bus PCI Express de la computadora hasta el chasis mediante un módulo en la ranura 1 y una tarjeta o puerto en la PC. El enlace es transparente para el software: al arrancar, la computadora reconoce todos los módulos del chasis como dispositivos PCI Express propios, sin programación adicional. Esto permite usar la computadora más potente disponible y actualizarla sin tocar el chasis.

• MXI-Express: enlaces por cable de cobre o fibra óptica; la versión Gen3 x16 ofrece hasta 16 GB/s y admite topologías en cadena o estrella para varios chasis.
• Thunderbolt 3: control desde una laptop con hasta 2.3 GB/s sostenidos, ideal para caracterización en banco y sistemas portátiles.

3.2 Control embebido

Los controladores embebidos eliminan la computadora externa: el sistema completo queda contenido en el chasis. Se construyen con componentes estándar de PC en el formato PXI —procesadores Intel Core i3/i5/i7 o Xeon de hasta 18 núcleos, memoria DDR4, almacenamiento de estado sólido— y los periféricos de una PC: video, USB, Ethernet Gigabit, Thunderbolt y, en algunos modelos, GPIB. Los de gama alta se conectan al backplane con enlaces Gen3 x16 + x8 para alcanzar los 24 GB/s del chasis, pero requieren chasis con 82 W de enfriamiento por ranura. Son ideales para sistemas portátiles y para estaciones donde el chasis se mueve de un lugar a otro.

Tabla 5. Opciones de control de un sistema PXI Express.

Opción	Ancho de banda al backplane	Ventajas	Consideraciones
Embebido de alto desempeño	Hasta 24 GB/s	Sistema autocontenido, máximo throughput	Costo; requiere chasis con enfriamiento suficiente
Embebido de gama media	4–8 GB/s	Compacto y económico	Menos núcleos y ancho de banda
Remoto MXI-Express Gen3 x16	16 GB/s	Usa servidores o PC potentes; varios chasis	Requiere ranura PCIe x16 en la PC
Remoto Thunderbolt 3	2.3 GB/s	Control desde laptop, portátil	Ancho de banda limitado para streaming

4. Módulos periféricos

La oferta de módulos PXI cubre prácticamente toda la instrumentación de un laboratorio: adquisición de datos y acondicionamiento, DMM y SMU, osciloscopios y digitalizadores, generadores arbitrarios, analizadores y generadores vectoriales de RF, módulos con FPGA programable, switching, temporización y sincronización, e interfaces de bus (CAN, LIN, MIL-STD-1553, ARINC 429, GPIB, serie). Solo NI ofrece más de 600 módulos PXI.

• Compatibilidad con CompactPCI: PXI es compatible con CompactPCI, de modo que los módulos CompactPCI 3U funcionan en ranuras PXI-1, y los módulos CompactPCI Express en ranuras PXI Express.
• Ranuras híbridas: permiten seguir usando módulos PXI de bus PCI compatibles con ranura híbrida en un chasis PXI Express.
• Carriers: tarjetas PMC/XMC y otros formatos se instalan en el sistema mediante módulos adaptadores.

5. Arquitectura de software

Como el hardware PXI se basa en tecnologías de PC estándar —el bus PCI/PCI Express, procesadores y periféricos de PC—, el desarrollo y la operación de un sistema PXI con Windows no difieren de los de una PC. Además, como el backplane usa PCI Express estándar, el software para comunicarse con un módulo PXI es, en la mayoría de los casos, idéntico al de la tarjeta equivalente para PC: el código que controla un módulo de adquisición multifunción Serie X PXIe es el mismo que controla la tarjeta PCIe de la misma familia. El software de aplicación, los ejemplos y las técnicas de programación se reutilizan sin cambios al pasar de un sistema de escritorio a uno PXI.

Las especificaciones de software de PXISA (PXI-2 y PXI-6) definen además archivos de descripción de chasis y sistema, que permiten al driver conocer la topología —qué módulo está en qué ranura y cómo se enrutan los disparos—, y el soporte de VISA e IVI para módulos PXI. Para aplicaciones de tiempo crítico que requieren lazos deterministas y operación sin teclado, ratón ni monitor (headless), el controlador puede ejecutar un sistema operativo de tiempo real.

El siguiente ejemplo sincroniza dos módulos de adquisición en el mismo chasis: ambos usan PXIe_CLK100 como reloj de referencia y el esclavo arranca con el disparo de inicio del maestro, que NI-DAQmx enruta por el backplane:

# Sincronización maestro-esclavo de dos módulos DAQ en un chasis PXI Express
# Requiere: NI-DAQmx y el paquete nidaqmx
import nidaqmx
from nidaqmx.constants import AcquisitionType

FS, N = 1_000_000, 100_000          # 1 MS/s, 0.1 s

with nidaqmx.Task() as maestro, nidaqmx.Task() as esclavo:
    maestro.ai_channels.add_ai_voltage_chan("PXI1Slot2/ai0")
    esclavo.ai_channels.add_ai_voltage_chan("PXI1Slot3/ai0")

    for t in (maestro, esclavo):
        t.timing.cfg_samp_clk_timing(FS, sample_mode=AcquisitionType.FINITE,
                                     samps_per_chan=N)
        t.timing.ref_clk_src = "PXIe_Clk100"     # referencia común del backplane
        t.timing.ref_clk_rate = 100e6

    # El esclavo espera el disparo de inicio del maestro (ruteado por el backplane)
    esclavo.triggers.start_trigger.cfg_dig_edge_start_trig("/PXI1Slot2/ai/StartTrigger")

    esclavo.start()                      # primero el esclavo, luego el maestro
    maestro.start()
    a = maestro.read(number_of_samples_per_channel=N)
    b = esclavo.read(number_of_samples_per_channel=N)
print(len(a), len(b))

6. PXI frente a otras plataformas

Tabla 6. Comparación de plataformas de instrumentación para prueba automatizada.

Característica	PXI Express	VXI	LXI	Instrumentos de banco (GPIB/USB)
Bus de datos	PCIe dedicado por ranura	VME paralelo compartido	Ethernet	GPIB, USB, LAN
Ancho de banda	Hasta 24 GB/s por sistema	40–320 MB/s	Limitado por la red	≈ 1 MB/s (GPIB) a decenas de MB/s
Latencia por transacción	Microsegundos	Microsegundos	Cientos de µs a ms	Cientos de µs a ms
Sincronización	CLK10/100, TRIG, STAR, DSTAR (ps a ns)	CLK10, TTL/ECL, star	IEEE 1588, bus de disparo LXI	Cables BNC externos
Tamaño	Muy compacto (3U)	Grande	Instrumento completo	Instrumento completo
Fortaleza	Throughput, densidad, costo por canal	Sostenimiento de ATE existentes	Instrumentos distribuidos de alto desempeño	Uso manual y desempeño máximo por instrumento

En la práctica, los sistemas de prueba modernos son híbridos: un chasis PXI Express concentra la mayor parte de la instrumentación y se complementa con instrumentos LXI, USB o GPIB cuando una función específica lo requiere, todo bajo la misma capa de software (VISA, IVI y un ejecutivo de pruebas como TestStand).

7. Cómo especificar un sistema PXI

1. Liste los módulos que requiere la prueba y verifique para cada uno su tipo de ranura (PXIe, híbrida o PXI-1), su ancho de banda de streaming y su consumo.
2. Calcule el ancho de banda por ranura y del sistema completo (Ec. 1), incluida la topología de switches del backplane.
3. Seleccione el chasis: ranuras con margen de crecimiento, mezcla de ranuras PXIe e híbridas, potencia y enfriamiento por ranura, ranura de timing, nivel de ruido acústico y montaje (banco o rack).
4. Seleccione el controlador: embebido o remoto, según throughput, potencia de cómputo, sistema operativo y facilidad de actualización.
5. Defina la sincronización: qué módulos comparten reloj de referencia y disparos, y si se requiere un módulo de timing con OCXO, GPS o IEEE 1588 para sincronizar varios chasis.
6. Defina la arquitectura de software: drivers, capa de abstracción de hardware, ejecutivo de pruebas y gestión de datos.

8. Buenas prácticas

• Instale paneles de relleno en las ranuras vacías: sin ellos el flujo de aire se desvía y los módulos se calientan.
• Agrupe los módulos de mayor throughput en ranuras que no compartan el mismo switch del backplane.
• Use PXIe_CLK100 o PXI_CLK10 como referencia común y PXI_TRIG solo para disparos, nunca para relojes.
• Mantenga identificado el chasis en el software de configuración para que los drivers enruten disparos automáticamente.
• Programe con drivers estándar (NI-DAQmx, IVI, VISA) y una capa de abstracción: así un módulo se reemplaza por otro del mismo tipo sin reescribir la secuencia de prueba.
• Planee la calibración por módulo: cada instrumento PXI se calibra de forma independiente, sin retirar el chasis completo del servicio si se dispone de módulos de repuesto.

9. Resumen

• PXI combina el bus de la PC (PCI y, en PXI Express, PCI Express) con la mecánica Eurocard de CompactPCI, buses de temporización dedicados y especificaciones de software; lo gobierna la PXI Systems Alliance.
• Un sistema PXI tiene tres componentes: chasis de 4 a 18 ranuras, controlador en la ranura 1 y módulos periféricos.
• PXI Express da a cada ranura un enlace PCIe dedicado; los chasis actuales alcanzan 24 GB/s por sistema y 8 GB/s por ranura.
• El backplane ofrece relojes de 10 y 100 MHz, ocho líneas de disparo y líneas star/DSTAR con skew de cientos de picosegundos.
• El control puede ser embebido (hasta 24 GB/s) o remoto por MXI-Express (16 GB/s) o Thunderbolt (2.3 GB/s), siempre transparente para el software.
• El software de un módulo PXI es el mismo que el de la tarjeta PC equivalente; Windows y tiempo real son las dos arquitecturas de ejecución.
• Para especificar un sistema se verifican tipo de ranura, ancho de banda, enfriamiento por ranura y sincronización, no solo el número de ranuras.

10. Glosario ES / EN

Ancho de banda por ranura

Slot bandwidth: tasa máxima de datos del enlace PCIe dedicado a una ranura.

Carril

Lane: par diferencial de transmisión y recepción de PCI Express.

Chasis

Chassis: gabinete con backplane, fuente y ventilación.

Controlador embebido

Embedded controller: computadora completa en formato de módulo PXI.

Control remoto

Remote control (MXI-Express, Thunderbolt): extensión del bus PCIe de una PC externa hasta el chasis.

Disparo estrella diferencial

Differential star trigger (DSTAR): líneas punto a punto desde la ranura de timing con skew mínimo.

Maestro-esclavo

Master-slave synchronization: un módulo recibe el disparo y lo reenvía sincronizado a los demás.

Módulo periférico

Peripheral module: instrumento en formato PXI.

Panel de relleno

Filler panel: tapa para ranuras vacías que conserva el flujo de aire.

Ranura de sistema

System slot: ranura 1, donde va el controlador.

Ranura de timing del sistema

System timing slot: ranura con acceso a las líneas star y DSTAR.

Ranura híbrida

Hybrid slot: acepta módulos PXI Express y módulos PXI compatibles con ranura híbrida.

Reloj de referencia

Reference clock (PXI_CLK10, PXIe_CLK100): señal de frecuencia común del backplane.

Sesgo

Skew: diferencia de tiempo con que una misma señal llega a distintos módulos.

Sin periféricos

Headless: operación sin teclado, ratón ni monitor.

Tiempo real

Real-time OS: sistema operativo con tiempos de respuesta deterministas.

11. Referencias

1. Topete Samaniego, D. «La Tecnología PXI», serie Instrumentación Virtual, FFTLab.com.
2. Topete Samaniego, D. La Tecnología VXI, davidtopete.com.
3. NI. Introduction to the PXI Architecture.
4. NI. NI-DAQmx Synchronization of PXI Express Modules.
5. NI. NI PXI Timing and Synchronization Design Advantages.

Por: David Topete Samaniego