La cohabitation des standards modulaires est privilégiée

Le 22/11/2016 à 14:00

C ela n'étonnera personne si l'on affirme que l'instrumentation modulaire fait désormais partie des solutions largement privilégiées pour bâtir des systèmes de mesure et des bancs de test. Même si cela n'est pas une preuve irréfutable, les annonces faites ces dernières années par les fabricants d'équipements de test et de mesure concernent (assez) souvent des cartes et des châssis au format PXI Express ( voir Mesures n°877, 881 et 887 ). Ou encore ces mêmes sociétés mettent l'accent sur la compatibilité LXI de leurs nouveaux oscilloscopes, multimètres numériques de table, etc.

Même si chaque facteur de forme a ses avantages et ses inconvénients, il n'empêche que les standards VXI, PXI/PXI Express, LXI etAXIe ont réussi à se faire une place sur le marché du test et de la mesure, aux côtés des instruments portables et de table, en une vingtaine d'années seulement. D'aucuns l'auront peut-être oublié, mais cela va déjà faire vingt ans l'année prochaine que le PXI a été développé par l'américain National Instruments. Et l'instrumentation modulaire ne s'arrête pas à ce standard, il ne faut en effet oublier ni le LXI, ni l'AXIe, les deux existant depuis bientôt respectivement 12 ans et 8 ans.

'occasion est donc toute trouvée de irelepoint sur le marché de l'instru-entation modulaire, ses évolutions urant les trente dernières années, son éritabledéploiement actuel auprès des dustriels et son avenir.Sheri DeTomasi, odular Strategic Lead chez Keysight echnologies, rappelle d'emblée que Hewlett-Packard est présent dans le domaine e l'instrumentation modulaire depuis plus de 0 ans, les premiers produits (systèmes d'ac-uisition de données 3497A et 3852A, sys-me de commutation 3488/99A) étant propriétaires. Nos produits 34972A et 34980A sont d'ailleurs encore aujourd'hui basés sur des bus propriétaires ».

Dix ans après le VXI, apparaît le PXI

« Le premier standard d'instrumentation modulaire ouverte (un standard ISO) a été le VME eXtended for Instrumentation (VXI), créé en 1987 par leVXIbus Consortium, sous l'impulsion de l'industrie militaire américaine, poursuit Bruno Cohen, directeur commercial de Qualitysource (groupe SphereaTest & Services). Il s'agissait déjà, à l'époque, de réduire la taille des instruments de mesure, de disposer d'une meilleure synchronisation et d'une structure réellement ouverte, ainsi que de réduire les coûts par rap-portaux appareils de table. » LeVXI répondait aux trois premières exigences, le coût d'une solution VXI étant toutefois jugé encore élevé par les utilisateurs. Comme l'adoption du standard n'a pas eu l'ampleur prévue par les fabricants, le volume de produits fabriqués,et donc la baisse des coûts, n'ont pas suivi.

Instrumentation modulaire et FPGA font bon ménage

Que ce soit chez les américains Innovative Integration (distribué en France par Acquisys), Marvin Test Systems, National Instruments ou Sundance DSP, on trouve de plus en plus de cartes au format PXI Express (PXIe) embarquant un FPGA. « Les développements du PXI et des FPGA, qui sont apparus avant ce dernier, se sont plutôt faits en parallèle. Certaines ressources PXI intégraient déjà un FPGA, afin de réduire le flux de données véhiculé sur le bus de fond de panier, car la bande passante du bus PXI était alors trop limitée », rappelle Christian Ropars, président d'Acquisys. Du côté de National Instruments, l'intégration des FPGA s'est déroulée en plusieurs étapes. Avant 2009, les entrées/sorties de la série R intégraient un FPGA « figé » ; puis, avec le FlexRIO, les utilisateurs ont pu avoir un accès direct au FPGA. « C'est en 2012, avec l'introduction du transceiver de signal vectoriel (VST ; voir Mesures n° 847 ), que nous avons opéré un grand changement. Il s'agissait en effet du premier instrument de mesure intégrant un FPGA et conçu par logiciel », explique Richard Keromen, responsable de l'équipe marketing technique pour la région Méditerranée chez National Instruments.

Si l'on s'arrêtait au coût d'acquisition, une solution VXI coûtait effectivement plus cher que son équivalent avec des appareils de table. Mais, si l'on prenait également en compte le coût de possession, le VXI répondait aux attentes. D'autant qu'il existe encore des systèmes VXI, développés il y a plus d'une vingtaine d'années, qui sont toujours opérationnels. Et Sheri DeTomasi (Keysight Technologies) d'ajouter: « Soutenu principalement par Hewlett-Packard, National Instruments, Racal Wireless Solutions Group [ racheté en 2003 par Aeroflex, ndlr] et VXI Instruments, leVXI était avant tout destiné aux applications aérospatiale et de Défense, automobile. Ce qui est toujours le cas aujourd'hui pour les deux premières, l'automobile s'étant tournée vers le PXI ».

Les standards en instrumentation modulaire (VXI, PXI/PXI Express, LXI et AXIe) ont réussi à se faire une place sur le marché du test et de la mesure, aux côtés des instruments portables et de table, en une vingtaine d'années seulement.

Keysight Technologies

C'est dix ans plus tard, en 1997, que National Instruments présente les premiers produits au format PCI eXtended for Instrumentation (PXI) lors de son événement texan NIWeek. L'année suivante, la PXI Systems Alliance (SA) est créée dans la foulée pour le développement et la promotion du standard. « À l'origine, le PXI était destiné à étendre les possibilités d'acquisition de données à l'extérieur des PC, ces derniers étant rapidement limités en termes de nombre de voies, de synchronisation, etc. Et le bus fond de panier utilisé devait être basé sur un standard existant, d'où le choix du PCI [ Peripheral Component Interconnect, ndlr]», explique Richard Keromen, responsable de l'équipe marketing technique pour la région Méditerranée chez National Instruments.

Depuis sa création, le PXI n'a cessé d'évoluer, avec l'intégration des FPGA pour des calculs en temps réel, le passage au PXI Express, l'augmentation des performances des ressources en termes de fréquences et de résolutions, etc.

« En plus d'être une alternative économique au VXI, le PXI apportait, avec des DLL 32 bits, des lignes de synchronisation et de déclenche-ment dans un châssis de hauteur 3U (promu par National Instruments), avec un flux d'air forcé de bas en haut pour dissiper la chaleur », explique Michaël Crespin, directeur commercial de Pickering Interfaces France. « Il est vrai que l'argument n°1 pour le PXI était son meilleur positionnement en termes de prix par rapport au VXI. Même si une solution PXI (ni écran, ni boîtier, mais châssis et contrôleur) restait toujours plus chère qu'un instrument GPIB, de par les vo-lumes respectifs, ajoute néanmoins Bruno Cohen (Qualitysource) . Le PXI a permis de chasser sur des terrains où le VXI n'était pas présent, de répondre à des besoins auxquels leVXI ne pouvait pas répondre financièrement et techniquement ».

Avec l'évolution du bus PCI vers le PCI Express (PCIe), le consortium PXISA a ensuite développé le PXI Express (PXIe), lancé en 2005 et qui bénéficie d'amé-liorations significatives par rapport au PXI. « Si un certain nombre de fabricants ont rapidement développé des ressources en PXI (mesure, acquisition de données, commuta-tion), la réaction fut toute autre lorsque National Instruments a sorti ses premières ressources au format PXIe. La majorité des fabricants, tels que [le taïwanais] ADLink Technology,n'y croyaient pas et n'ont donc pas suivi National Instruments », constate Christian Ropars, président d'Acquisys. Mais la situation s'est par la suite inver-sée,les mêmes fabricants s'étant rendu compte de l'intérêt du PXIe. Darcy Dement, directrice marketing Europe Test et RF de National Instruments, en résume les principaux avantages: « Le bus fond de panier PXIe se distingue par une plus grande bande passante [jusqu'à 6Go/s voire 2 Go/s par module, en PXIe, contre 132Mo/s en PXI,ndlr] ou une très bonne latence [inférieure à 1µs, ndlr] – le temps de commutation peut parfois être la partie la plus importante dans un cycle de test (multimètre numérique ou SMU) –, et par la possibilité à deux modules voisins de communiquer entre eux sans passer par le contrôleur embarqué ( pear-to-pear ) ».

Toujours au cours de l'année 2005, Agilent Technologies, qui deviendra plus tard Keysight Technologies, et VXI Technology, qui s'appelle désormais VTI Instruments (groupe américain Ametek), ont proposé le concept LAN eXtended for Instrumentation (LXI). Pour la petite histoire, il faut rappeler qu'Agilent Technologies avait, avant 2005, un avis très tranché sur l'instrumentation modulaire, en règle générale, et sur le PXI en particulier. En fait, la société dénigrait le standard, d'où un certain étonnement lorsqu'elle a lancé le LXI… et encore plus lorsqu'elle s'est convertie au PXI/PXIe quelques années plus tard!

D'autres formats sont parfois mis en œuvre

« L'intérêt du LXI était à l'origine de disposer d'un instrument de mesure sans face avant et pilotable via Ethernet. Il existe aujourd'hui très peu de tels modules ; on trouve plutôt des instruments de table intégrant un serveur web, un port RJ45 et une DLL, ou encore des châssis PXI ou VXI avec un contrôleur LXI », se souvient Bruno Cohen (Qualitysource). Certains fabricants se sont lancés sur le marché du LXI, mais en deux temps. « Nous avons pris quelques précautions : toutes nos cartes PXI ont d'abord été“LXIables”,via l'ajout d'un contrôleur embarqué LXI pour piloter un châssis PXI. Dans un deuxième temps,nous avons développé des modules full LXI 1U ou 2U », confirme Michaël Crespin (Pickering Interfaces France).

La revue d'effectifs des standards en instrumentation modulaire ne serait pas tout à fait complète, sans évoquer l'AXIe. Officiellement lancé en 2009 par l'américainAeroflex, dissous depuis dans le groupe britannique Cobham, AgilentTechnologies et l'américainTest Evolution Corp. – la société appartenait à l'époque à Aeroflex – (citons également les américains Giga-tronics et Guzik Technical Enterprises parmi les autres acteurs actuels), l'AdvancedTCA eXtensions for Instrumentation andTest (AXIe) s'appuie, comme son nom l'indique, sur le standard AdvancedTCA (ATCA).

« Une plateforme AXIe intègre le même bus fond de panier PCIe que celui du PXI, mais couvre des applications auxquelles le PXI ne peut pas répondre en termes de performances et de forte puissance, grâce notamment à un facteur de forme plus grand. Les applications typiques sont celles requérant des calculs de données intensifs (tests BER, physique des hautes énergies,guerre électronique,étalonnage de réseaux d'antennes multicanaux). L'AXIe est un peu le grand frère du PXI », explique Sheri DeTomasi (KeysightTechnologies). Cela en fait des plateformes très stables, très précises, très fiables, mais aussi très chères, voire trop chères.

Ce que confirme Christian Ropars (Acquisys): « L'AXIe, qui intègre également une synchronisation et d'autres fonctions inté-ressantes, a été développé essentiellement pour des modules RF,hyperfréquences et numériques haute vitesse,des modules pouvant notamment consommer davantage de puissance que les autres formats [jusqu'à 200 W contre 45 W en PXI, ndlr] . Ce sont des ressources très haut de gamme .» Il est par ailleurs possible de rencontrer, dans des applications bien particulières,des ressources de test et de mesure basées sur les standards µTCA et VPX, même si ces derniers restent toutefois très orientés res-pectivementverslestélécommunications et vers les systèmes durcis et les applications militaires. Il s'agit de numériseurs, de cartes pour bus de communi-cation avionique, par exemple.

Après cette revue d'effectifs, d'aucuns pourraient penser que les solutions basées sur le PXI/PXIe représentent la très grande majorité des systèmes de test déployés chez les industriels. La situation est toutefois plus complexe que cela, même si ce constat se rapproche de la réalité. On entraperçoit en effet que l'architecture type d'une solution de test est une combinaison d'instruments de mesure de standards différents. Mettons d'emblée de côté l'offre des modules USB ( voir Mesures n°879), une offre très bien adaptée à l'acquisition de données, dans l'enseignement par exemple, et dont le standard n'est en général pas considéré comme modulaire (dans le sens de bus fonds de panier).

Si le standard PXI/PXIe est largement déployé dans les systèmes de test et de mesure, c'est que l'offre en termes de châssis, de contrôleurs et de ressources, tous fabricants confondus, est très riche. Le PXISA compte aujourd'hui 70 fabricants et recense 2000 modèles, dont 900 chez National Instruments, ce qui est plutôt normal compte tenu de la maturité du standard comparée aux LXI etAXIe, plus récents. « Au tout début,nous entendions des critiques sur l'inadéquation du PXI pour les instruments de mesure RF, pour la puissance (pour une question de refroidissement), pour les ressources requérant beaucoup de vitesse (commutation de patterns, par exemple) », rappelle Darcy Dement (National Instruments).

Dans la pratique, les utilisateurs privilégient les solutions « hybrides », à savoir combinant des ressources PXI/PXI Express 3U et 6U, avec des modules LXI, voire des instruments de table.

Depuis sa création, le standard PXI n'a cessé d'évoluer, avec l'intégration des FPGA pour des calculs en temps réel ( voir encadré page 32 ), des améliorations en termes de redondance, le passage du PXIe Gen 1 vers le PXIe Gen 2, etc. « Nous travaillons toujours à repousser les limites en termes de très hautes fréquences et de hautes résolutions. Les détracteurs affirment que les ressources PXI ne peuvent pas être précises à des fréquences de 26 GHz par exemple. Et pourtant, elles le sont. L'instrumentation modulaire n'est vraiment plus une sous-catégorie (dans les fréquences normales) ! Mais les gammes jusqu'à 110 GHz sont encore réservées aux instruments de table », précise Richard Keromen. Tous les nouveaux développements se font aujourd'hui en PXIe, voire même pour des ressources dites “lentes”.

Un manque de promotion pour le LXI modulaire ?

Si le PXIe affiche des performances plus élevées que le PXI, la cohabitation entre les deux standards n'est toutefois pas parfaite. « Il s'agit de deux bus différents,l'un parallèle (PXI) et l'autre série (PXIe), d'où notamment des différences au niveau des châssis en termes de connecteurs, d'alimentation. Ce qui peut avoir échappé à ceux qui ne sont pas au faîte de la technologie. Il existe dans le standard PXI une mémoire tampon (des buffers de 64 Ko) pour assurer un transfert plus rapide des données ; mais ces buffers ont été enlevés dans le PXIe », explique Michaël Crespin (Pickering Interfaces France). Ce qui fait dire à Christian Ropars (Acquisys) que « la tendance est de proposer des châssis full hybrid , à l'image du dernier modèle 6 emplacements PXES-2301 d'AD-Link Technology. Cela était auparavant plus complexe à réaliser, les composants n'existant pas forcément, et aujourd'hui les coûts ont diminué ».

Si les fabricants ont réussi à compléter l'offre PXI/PXIe, certaines ressources demeurent néanmoins plus difficiles à réaliser dans ces standards. La taille des cartes PXI/PXIe peut en effet être une limite, lorsque l'on doit disposer de courants de plusieurs ampères ou une grande matrice ( voir article page 45 ). D'où l'intérêt du LXI modulaire –on fait ici la différence entre les instruments de table conformes LXI et les systèmes modulaires LXI. « On pourrait tout faire en PXI,mais ce n'est pas sûr que ce soit forcément pertinent. Nous assistons aussi à un effet de mode. Car il n'y a aucun sens que des fonc-tions, telles que la commutation, se retrouvent dans un châssis PXI/PXIe. Sauf à éviter l'ajout d'un rack supplémentaire et s'il ya encore de la place dans le châssis », affirme Bruno Cohen (Qualitysource). Des propos confirmés par Michaël Crespin (Pickering Interfaces France) et Christian Ropars (Acquisys) qui ajoute que « ce n'est pas non plus logique de mettre des alimentations dans des châssis PXI/PXIe, excepté dans le cas particulier des stimuli en basse puissance .» Pour Bruno Cohen (Qualitysource), « comme tous les PC disposent d'un port RJ45 et que les câbles Ethernet ne coûtent presque rien (comparé à des contrôleurs et des câbles GPIB), le passage des instruments de mesure GPIB vers le LXI est également un critère économique. Le GPIB commence donc seulement à mourir, 30 ans après l'avis de décès .» Michaël Crespin (Pickering Interfaces France) regrette toutefois que, « lorsque le LXI est sorti, Agilent Technologies n'a pas plus promu le standard à l'époque, comme National Instruments l'avait fait, et le fait encore, pour le PXI. Ce coup de pouce se serait peut-être traduit par une offre plus conséquente en LXI aujourd'hui ».

Le PXI Express va continuer à évoluer, passant du PXIe Gen 3 au PXIe Gen 4, voire Gen 5, avec une augmentation des débits en fond de panier à chaque fois. L'avenir de l'instrumentation modulaire sera donc toujours le PXIe.

Et le VXI là-dedans ? Il n'est pas complètement mort. Des sociétés utilisent encore des systèmes développés sur une baseVXI, et elles ont d'ailleurs des difficultés à trouver un remplaçant. « Dans les années 2000, il n'existait pas vraiment d'alternative auVXI – c'était juste le début du PXI, d'où une offre encore restreinte – et leVXI se caractérise toujours par des performances un cran au-dessus. Il reste donc aujourd'hui un marché pour le VXI, mais un marché de remplacement ou de copie de bancs », explique Christian Ropars (Acquisys). La grande pérennité des cartes VXI a toutefois un inconvénient majeur: la majorité des ressources ayant été développées il y a plus de 10 ans, les technologies de cartes et de composants utilisées sont aussi d'époque (montage traversant), et la différence avec des produits PXI/PXIe, bien plus récents, est désormais très forte (composants CMS, par exemple). «S i des fabricants comme National Instruments,RacalWireless Solutions Group ouTektronix ont arrêté leur offre enVXI, nous assurons toujours le support de nos produits VXI pour les industriels de l'avionique, du militaire qui nous ont fait confiance à l'époque. Tant que nous avons des pièces de rechange… », ajoute Michaël Crespin (Pickering Interfaces France).

Un marché en forte croissance relative

C'est ainsi que les utilisateurs privilégient les solutions combinant les différents standards, ce qui permet d'optimiser au mieux les aspects de performances, de ressources, d'encombrement, etc. « Le meilleur système est hybride ! », lance Richard Keromen (National Instruments). Mais il ne faut pas sous-estimer les aspects de synchronisation et de maintenance. D'ailleurs les utilisateurs recherchent des interlocuteurs qui puissent les accompagner au niveau de l'aide au développement, au démarrage du support, de la formation,etc. » Christian Ropars (Acquisys) détaille les situations que fabricants et distributeurs rencontrent chez les clients: « Le PXI/PXIe couvre une bonne partie du marché des bancs de test. Lors de la conception d'un nouveau projet,deux solutions principales s'offrent au client : une solution tout PXI/PXIe,car il s'agit de petits bancs,ou une solution mixte (PXI et LXI, voire des ins-truments de table LXI et/ou GPIB) pour les configurations plus complexes [voir encadré ci-contre] . »

Le logiciel huile tous les rouages

Développer des bancs de test « hybrides », à savoir reposant sur des châssis PXI/PXI Express (PXIe) et LXI, voire des modules AXIe et même des instruments de table, peut sembler relativement aisé sur le papier côté matériel, mais qu'en est-il de l'aspect logiciel ? « Le logiciel est la clé de tout système de test automatisé, que ce soit une solution clé en main ou développée par l'utilisateur. Avec l'environnement de conception graphique LabView, les industriels peuvent mettre en œuvre la même approche logicielle (interface identique, IP identiques…) pour un système PXI/PXIe ou un instrument de table. L'approche de National Instruments est simple : il s'agit d'être neutre en termes de choix de bus », réaffirme Darcy Dement, directrice marketing Europe Test et RF de National Instruments. Pourtant, l'ouverture des logiciels fait encore peur à certains : 90 % des premières questions sur l'instrumentation modulaire portent sur « Où sont les boutons ? », d'où les soft front panels (DLL) pour rassurer les utilisateurs. Il faut également prouver que cela peut représenter des gains de temps et d'argent significatifs. Pour Christian Ropars, président d'Acquisys, « Tant que l'on reste sur des plateformes PXI/PXIe et LXI, il n'y a aucune difficulté pour faire communiquer toutes les ressources – toutes ces plateformes disposent de driver IVI. » Si c'est aussi vrai pour le VXI, la situation est plus compliquée pour l'AXIe et le µTCA, par exemple.

Cela ne surprendra donc personne que les prospections des cabinets d'études soient très favorables au marché de l'instrumentation modulaire. Selon la société d'analyses française ReportLinker, par exemple, le marché mondial de l'instrumentation basée sur le VXI, le PXI et l'AXIe afficherait un taux de croissance annuel pondéré (CAGR) de 15,2% entre 2015 et 2020, passant de 809,7 millions de dollars à 1,7667 milliard de dollars, généré par le marché des équipements de test automatisés. En 2014, la société d'analyse américaine Frost & Sullivan prévoyait que le marché mondial du PXI pour les applications test passerait de 563,3 M$ en 2013 à 1,75 milliard de dollars en 2020.

« Au niveau mondial, le segment de marché des produits modulaires croît plus rapidement que celui des instruments de test et de mesure traditionnels.Et le PXI/PXIe représente la plus importante part de marché des ventes en ins-trumentation modulaire », ajoute Juergen Stemler, Marketing Brand Manager for EMEAI, High Speed Digital, Photonic and Modular Test chez Keysight Technologies. Même s'il ne s'agit que d'un fabricant, Keysight Technologies avait, toujours selon Frost & Sullivan dans un communiqué de presse paru début octobre 2016, vu passer son chiffre d'affaires réalisé par son offre en PXI de 14,8 M$ en 2010 à 90 M$ cinq ans plus tard, soit une croissance de 7,8%. Si le segment de marché duVXI est plutôt stable, voire en décroissance, il n'en demeure pas moins un marché intéressant. Comme il reste très peu d'acteurs, les derniers fabricants sont les «rois du pétrole» pour répondre aux demandes de gestion de l'obsolescence et de remplacement.

Il n'y a aucun sens que des fonctions, telles que la commutation, se retrouvent dans un châssis PXI/PXI Express, en raisons des limitations en termes d'encombrement et de puissance du standard. C'est pourquoi le LXI est privilégié.

Enfin, le segment de marché du LXI affiche des revenus bien supérieurs que ceux du PXI/PXIe. « Mais cela est dû à la différence de prix entre les instruments de mesure LXI (jusqu'à une centaine de milliers d'euros pour un analyseur de spectre, par exemple) et les modules PXI/PXIe (plusieurs centaines d'euros à quelques milliers d'euros) », indique Michaël Crespin (Pickering Interfaces France). Pour donner une idée des principaux acteurs, on retrouve National Instruments assez loin devant KeysightTechnologies, puis Pickering Interfaces (suivent ensuite Marvin Test Services, ADLink Technology…), en PXI, et Keysight Technologies, Rohde & Schwarz, Pickering Interfaces, Tektronix via Keithley Instruments, etc., en LXI.

Quid de l'avenir ? Le PXIe va continuer à évoluer, passant du PXIe Gen 3 (bande passante jusqu'à 24 Go/s sur 24 liens), dont les premiers modules sortent actuellement, au PXIe Gen 4, voire Gen 5, avec une augmentation des débits en fond de panier à chaque fois. L'avenir de l'instrumentation modulaire sera toujours le PXIe – il ne restera que quelques (rares) ressources en PXI–,qui intègrera des châssis et des modules encore plus performants. « Le PXIe et sa version future,guidés par le monde du PC – ils partagent un bus de communication commun – vont continuer à progresser, se partageant avec le LXI (mais pas à parts égales), car les deux standards sont actuellement en vogue », ajoute Bruno Cohen (Qualitysource). « Comme les technologies progressent, le test devient lui aussi toujours plus complexe.Comme par exemple développer les prochains standards sans fil, qui se caractérisent par des fréquences millimétriques, des largeurs de bande de 1 GHz, voire plus, toujours plus de canaux, des quantités phénoménales de données à gérer. L'instrumentation modulaire aura donc un rôle à jouer pour résoudre ces défis », conclut Juergen Stemler, (KeysightTechnologies).