概述

PXI系統(tǒng)能夠提供高性能模塊化儀器和其他具有特定同步功能和主要軟件功能的I/O模塊，適用于設(shè)備驗(yàn)證和自動化生產(chǎn)測試等測試和測量應(yīng)用。  要深入了解PXI，請參見圖1中的2張圖片，其中將PXI系統(tǒng)的機(jī)箱、控制器和PXI(e)外圍模塊與商用臺式PC的組件進(jìn)行了比較。關(guān)鍵在于了解PXI的組成架構(gòu)及其如何匹配商用PC技術(shù)：

• PXI機(jī)箱與臺式機(jī)機(jī)箱的比較

• PXI控制器與臺式機(jī)CPU、內(nèi)存和I/O的比較

• PXI(e)外圍模塊與臺式機(jī)PCI(e)外圍模塊的比較

圖1.PXI系統(tǒng)與商用臺式PC的對比。

PXI（PCI儀表擴(kuò)展）是一款成熟且基于PC的測量和自動化平臺。可提供電源、散熱和通信總線，以支持同一機(jī)箱內(nèi)的多個(gè)儀表模塊。PXI使用了基于PC的商用PCI總線技術(shù)，同時(shí)結(jié)合了堅(jiān)固耐用的CompactPCI模塊化封裝以及重要的定時(shí)和同步功能。互連外圍設(shè)備專業(yè)組(PCI-SIG)在發(fā)布PCI的進(jìn)化版－PCI  Express標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，顯著提高了系統(tǒng)帶寬。負(fù)責(zé)管理PXI的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(PXISA)采用了最新一代的商業(yè)PC總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PXI到PXI  Express的演變。PXI  Express保留了PXI的功能，以確保系統(tǒng)的向后兼容性，除了具有標(biāo)準(zhǔn)PXI功能外，還提供了更多的帶寬、電源、散熱以及定時(shí)和同步功能。

PXI和PXI Express擁有如此豐富的功能，看起來似乎非常復(fù)雜，但這些技術(shù)有一個(gè)共同的核心：主流PC通信總線。PXI和PXI Express機(jī)箱為當(dāng)今工程師的測量和自動化系統(tǒng)提供了一個(gè)應(yīng)用廣泛的成熟架構(gòu)。

由于PXI是一個(gè)由PXISA管理的開放規(guī)范，任何供應(yīng)商都可以構(gòu)建PXI產(chǎn)品。為了幫助解釋PXI系統(tǒng)的底層細(xì)節(jié)，本技術(shù)白皮書重點(diǎn)介紹了PXISA所定義的規(guī)范，以及這些規(guī)范是如何在NI PXI硬件上實(shí)現(xiàn)的。

硬件概覽

PXISA硬件規(guī)范規(guī)定了機(jī)械、電氣和軟件架構(gòu)相關(guān)的所有功能要求。PXI  Express規(guī)范是CompactPCI和CompactPCI  Express規(guī)范的具體體現(xiàn)。圖2所示為如何從機(jī)械和電氣方面將CompactPCI和CompactPCI  Express規(guī)范與關(guān)鍵的PXI特性相結(jié)合，從而構(gòu)建整體架構(gòu)。本文的后續(xù)章節(jié)將對這一層次結(jié)構(gòu)的每個(gè)部分進(jìn)行介紹，并解釋它們?nèi)绾尉唧w應(yīng)用于PXI。

圖2.PXI整體架構(gòu)

機(jī)械架構(gòu)

機(jī)械架構(gòu)規(guī)定了CompactPCI、CompactPCI  Express、PXI和PXI  Express之間的物理兼容性。例如，機(jī)械架構(gòu)規(guī)定系統(tǒng)控制器應(yīng)連接PXI機(jī)箱最左邊的插槽，以確保系統(tǒng)控制器位于PCI總線部分的左端。該位置的規(guī)定簡化了機(jī)箱與控制器選項(xiàng)之間的集成以及兼容程度。

PXI系統(tǒng)中使用的控制器可以是外部PC或嵌入式控制器。嵌入式控制器包括標(biāo)準(zhǔn)功能，如集成CPU、硬盤、內(nèi)存、以太網(wǎng)、視頻、串行、USB和其他I/O外圍設(shè)備。用戶可以在標(biāo)準(zhǔn)Windows環(huán)境中開發(fā)應(yīng)用，即與外部PC相同的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。

圖3.嵌入式控制器提供多個(gè)I/O接口，可與獨(dú)立運(yùn)行的儀器或外圍設(shè)備連接。

PXI規(guī)范沿用了CompactPCI和CompactPCI Express的高性能IEC連接器和堅(jiān)固耐用的EuroCard封裝系統(tǒng)。

圖4.NI PXI-8430具有類似EuroCard的封裝和高性能IEC連接器。

借助該連接器，儀器通過背板總線與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行連接和通信；例如，PCI和PCI Express總線。隨著該規(guī)范不斷發(fā)展以納入全新的通信總線，這些連接器的配置保持了向后兼容性。我們將會在電氣部分更詳細(xì)地進(jìn)行介紹。

圖5.該規(guī)范定義了用于與PXI機(jī)箱通信的連接器。

PXI機(jī)械規(guī)范還包括CompactPCI和CompactPCI Express所沒有的特定散熱和環(huán)境改進(jìn)，以確保在工業(yè)環(huán)境中可以正常運(yùn)行。

圖6.了解PXI機(jī)箱如何滿足規(guī)范中的散熱要求。

電氣架構(gòu)

電氣架構(gòu)規(guī)定了必須遵守PCI、PCI Express、CompactPCI和CompactPCI Express規(guī)格和功率要求。還增加了特定的定時(shí)和同步功能，使PXI成為適用于高性能測試和測量的獨(dú)特平臺。

PXI機(jī)箱的核心電氣特性是通信總線。隨著PCI演變成PCI Express，該規(guī)范也在不斷發(fā)展，通過將PCI Express集成到PXI機(jī)箱背板中，確保PXI能夠滿足更多的應(yīng)用需求。

就傳統(tǒng)儀器而言，PXI支持PCI通信，這是一種通常用于并行傳輸和接收數(shù)據(jù)的32位總線。PCI儀器的最大帶寬或吞吐量是132  MB/s。由于應(yīng)用需要更高的帶寬，將PCI  Express定義為通過稱為“l(fā)ane”的一對發(fā)送－接收連接線路來串行傳輸數(shù)據(jù)，這使得每個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)250  MB/s。這種串行連接稱為PCI Express Gen1  x1“鏈路”（乘1）。多條lane組合在一起可形成x2、x4、x8、x16和x32鏈路以增加帶寬。這些鏈路為控制器和儀器所在的插槽之間提供了連接。例如，x16插槽能以4  GB/s (250 MB/s*16)的速度傳輸和接收信息。為了確保與舊PXI儀器和新PXI  Express儀器兼容，PXI機(jī)箱內(nèi)同時(shí)集成了PCI和PCI Express通信總線。隨著PCI  Express規(guī)范繼續(xù)更新，PXI將持續(xù)把新的功能納入PXI機(jī)箱，同時(shí)保持向后兼容性。

圖7.此NI PXIe-1085機(jī)箱范例根據(jù)插槽支持的模塊類型，突出了路由到每個(gè)插槽的PCI和PCI Express線路。

隨著機(jī)箱通信總線不斷發(fā)展并融入全新的PC技術(shù)，PXI外圍模塊已經(jīng)從PXI發(fā)展到PXI Express，以利用PCI  Express通信總線功能。為了確保PXI和PXI  Express模塊之間的兼容性，PXI規(guī)范中增加了混合插槽相關(guān)要求。該插槽讓用戶能夠在PXI機(jī)箱中插入PXI或PXI  Express外圍模塊。PXI機(jī)箱可包括以下插槽：

• 系統(tǒng)插槽，支持插入嵌入式或遠(yuǎn)程PXI Express控制器

• PXI外設(shè)插槽，支持插入PXI模塊

• PXI Express混合外設(shè)插槽，支持插入PXI Express外圍模塊、32位CompactPCI外圍模塊和混合兼容的PXI外圍模塊

• 系統(tǒng)定時(shí)插槽，可同時(shí)支持插入PXI Express外圍模塊和PXI Express系統(tǒng)定時(shí)模塊

圖8.PXI機(jī)箱內(nèi)的插槽類型

綜上所述，該規(guī)范定義了PXI機(jī)箱背板可提供的技術(shù)。

圖9.PXI機(jī)箱集成了最新的通信總線，這些總線路由至不同的插槽選項(xiàng)，以滿足外圍模塊的需求。

除了通信總線之外，電氣規(guī)范還定義了定時(shí)和同步功能。其中包含PXI 10  MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的定義，該系統(tǒng)時(shí)鐘分配至系統(tǒng)所有的外圍模塊。該通用參考時(shí)鐘可用于同步測量或控制系統(tǒng)中的多個(gè)模塊。除時(shí)鐘功能外，PXI還具有觸發(fā)功能，如多支觸發(fā)總線和具有長度匹配的線路星型觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)。8條PXI觸發(fā)器線路構(gòu)成了靈活多變、用途廣泛的PXI觸發(fā)總線。例如，觸發(fā)器可用于同步多個(gè)PXI外圍模塊的操作。

圖10.NI PXIe-1085機(jī)箱PXI觸發(fā)總線連接圖顯示了觸發(fā)傳輸至PXI外圍模塊的方式。

對于性能要求更高的應(yīng)用，該規(guī)范通過規(guī)定PXI星型觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)，為PXI系統(tǒng)提供了更高性能的同步功能集。星型觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)定時(shí)插槽（插槽序號旁邊有標(biāo)注，PXI和PXI   Express分別以菱形和正方形表示）和其他外設(shè)插槽之間實(shí)現(xiàn)了一條專用觸發(fā)線。定時(shí)同步模塊（星型觸發(fā)控制器）安裝在該插槽中，為其他外圍模塊提供精確的時(shí)鐘和觸發(fā)信號。該模塊還具有板載(TCXO，OCXO)、派生(DDS)或外部（銣源）時(shí)鐘，可覆蓋PXI機(jī)箱的板載VCXO精度，以定義機(jī)箱的高頻系統(tǒng)參考時(shí)鐘、10  MHz和100 MHz時(shí)鐘。

圖11.NI PXIe-1085機(jī)箱使用這種星型連接圖，以確保每個(gè)插槽之間傳輸延遲的匹配度。

從下圖可以看出PXI觸發(fā)總線和PXI星形觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)如何路由至每個(gè)插槽。為了確保所有功能間的兼容性，PXI引入SYNC 100來同步機(jī)箱內(nèi)的10 MHz和100 MHz時(shí)鐘。

圖12.選擇最合適的配置以確保定時(shí)和同步功能可滿足您的應(yīng)用需求。

軟件概覽

PXI軟件規(guī)范定義了軟件架構(gòu)，這是PXI平臺的關(guān)鍵元素。由于PXI是基于軟件定義的儀表架構(gòu)，PXI本身并不包括硬件中用戶可直接訪問的功能，如顯示屏、旋鈕和按鈕。所有用戶可使用的功能都在軟件中。軟件框架為系統(tǒng)控制器模塊和PXI外圍模塊定義了PXI系統(tǒng)軟件要求。系統(tǒng)控制器模塊和PXI外圍模塊必須滿足操作系統(tǒng)和工具支持的特定要求，才能被視為符合給定的PXI軟件框架。

圖13.PXI軟件架構(gòu)

PXI規(guī)范呈現(xiàn)了基于Microsoft Windows操作系統(tǒng)的PXI系統(tǒng)軟件框架。因此，該控制器可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口，如NI LabVIEW、NI Measurement Studio、Visual Basic、Visual C/C++和Python。PXI還需要模塊和機(jī)箱供應(yīng)商提供某些軟件組件。對于PXI組件，用于定義系統(tǒng)配置和系統(tǒng)功能的初始化文件是必需的。最后，規(guī)范還規(guī)定了PXI必須能夠?qū)崿F(xiàn)儀表行業(yè)廣泛采用的VISA，以配置和控制VXI、GPIB、串行以及PXI儀表。

圖14.該圖顯示了PXI的完整軟件架構(gòu)。

實(shí)際范例：PXI系統(tǒng)內(nèi)的通信

以一個(gè)PXI系統(tǒng)的簡單用例為例子：使用PXI模塊（如NI  PXIe-5451）生成信號。您使用基于Windows的控制器并使用LabVIEW軟件編寫程序。LabVIEW通過儀器驅(qū)動程序與儀器進(jìn)行通信。Measurement  & Automation Explorer (MAX)用于確保系統(tǒng)的設(shè)置可支持該通信。

圖15.硬件設(shè)置和軟件環(huán)境范例

通信之前，您需要運(yùn)行一個(gè)在LabVIEW中編寫的程序。LabVIEW程序在后臺執(zhí)行操作序列。以下是實(shí)現(xiàn)通信的步驟：

 第1步：在PXI系統(tǒng)控制器上運(yùn)行LabVIEW

編寫應(yīng)用程序代碼，該代碼會被編譯并被轉(zhuǎn)化為機(jī)器級代碼。

第2步：PXI系統(tǒng)控制器將LabVIEW中編寫的命令集傳輸給插在PXI外設(shè)插槽中的儀器

在PXI系統(tǒng)控制器的內(nèi)存和處理器中，機(jī)器級代碼轉(zhuǎn)換為電信號，并沿著PCI或PCI Express通信總線傳輸。在此范例中，PCI Express通信沿著PXI機(jī)箱背板運(yùn)行，用于連接系統(tǒng)控制器和外圍儀器。

第3步：命令通過機(jī)箱背板上的通信總線進(jìn)行傳輸

信號通過PCI Express通信總線傳輸?shù)絻x器所在的PXI插槽中。

第4步：代碼傳輸至儀器

PXI模塊讀取發(fā)送的命令。在此范例中，NI PXIe-5451生成信號，因此儀器利用模塊上的電路讀取信號，執(zhí)行所需的動作，生成信號并將其傳輸給模塊前端的連接器。

圖16演示了控制器和實(shí)際插槽之間的通信方式。

圖16.通過背板傳輸信號范例