PXI總線是什么？

【專家解說】：PXI總線體系結(jié)構(gòu) 自1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corp.簡(jiǎn)稱NI）推出虛擬儀器（Virtual Instruments,簡(jiǎn)稱VI）的概念以來，VI這種計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用。在VI系統(tǒng)中，用靈活、強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特征的解析，使儀器中的一些硬件、甚至整件儀器從系統(tǒng)中“消失”，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。但是，在GPIB、PC-DAQ和VXI三種VI體系結(jié)構(gòu)中，GPIB實(shí)質(zhì)上是通過計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展與延伸；PC-DAQ直接利用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線，沒有儀器所需要的總線性能；而第一次構(gòu)建VXI系統(tǒng)尚需較大的投資強(qiáng)度。 1997年9月1日，NI發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范——PXI。 PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展(PCI eXtensions for Instrumentation), 它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺(tái)式PC的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。 PXI這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。它通過增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于進(jìn)行精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間高速通訊的局部總線來滿足試驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求。PXI規(guī)范在CompactPCI機(jī)械規(guī)范中增加了環(huán)境測(cè)試和主動(dòng)冷卻要求以保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。PXI 將Microsoft™ Windows NT™ 和Microsoft™ Windows 95™定義為其標(biāo)準(zhǔn)軟件框架，并要求所有的儀器模塊都必須帶有按VISA規(guī)范編寫的WIN32設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序， 使PXI成為一種系統(tǒng)級(jí)規(guī)范，保證系統(tǒng)的易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低最終用戶的開發(fā)費(fèi)用。 1 PXI機(jī)械規(guī)范及其特性 由CompactPCI規(guī)范引入的Eurocard堅(jiān)固封裝形式和高性能的IEC連接器被應(yīng)用于PXI所定義的機(jī)械規(guī)范，使PXI系統(tǒng)更適于在工業(yè)環(huán)境下使用，而且也更易于進(jìn)行系統(tǒng)集成。 1.1 與 CompactPCI共享的 PXI機(jī)械特性 PXI提供了兩條與CompactPCI 標(biāo)準(zhǔn)兼容的途徑: 1.1.1 高性能IEC連接器 PXI應(yīng)用了與CompactPCI相同的、一直被用在象遠(yuǎn)距離通訊等高性能領(lǐng)域的高級(jí)針-座連接器系統(tǒng)。這種由IEC-1076標(biāo)準(zhǔn)定義的高密度（2mm間距）阻抗匹配連接器可以在各種條件下提供盡可能好的電氣性能。 1.1.2 Eurocard機(jī)械封裝與模塊尺寸 PXI和CompactPCI的結(jié)構(gòu)形狀完全采用了ANSI 310-C、IEC-297 和 IEEE 1101.1 等在工業(yè)環(huán)境下具有很長(zhǎng)應(yīng)用歷史的Eurocard規(guī)范。這些規(guī)范支持小尺寸(3U=100mm160mm)和大尺寸(6U=233.35mm160mm)兩種結(jié)構(gòu)尺寸。IEEE1101.10 和 IEEE1101.11等最新的Eurocard 規(guī)范中所增加的電磁兼容性(EMC)、用戶可定義的關(guān)鍵機(jī)械要素、以及其它有關(guān)封裝的條款均被移植到PXI規(guī)范中。這些電子封裝標(biāo)準(zhǔn)所定義的堅(jiān)固而緊湊的系統(tǒng)特性使PXI產(chǎn)品可以安裝在堆疊式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上，并保證在惡劣工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用時(shí)的可靠性。 圖2-28 所示的是PXI儀器模塊的兩種主要結(jié)構(gòu)尺寸及其接口連接器，其中，J1 連接器上定義了標(biāo)準(zhǔn)的32-bit PCI總線，所有的PXI總線性能定義在 J2 連接器上。PXI機(jī)箱背板上包括可連接 J1 和 J2 連接器的所有 PXI 性能總線，對(duì)儀器模塊來講, 這些總線可以有選擇地使用。 圖2-29是用于說明一個(gè)完整PXI系統(tǒng)的基本組成部分。PXI 規(guī)定系統(tǒng)槽(相當(dāng)于 VXI 的零槽)位于總線的最左端，而 CompactPCI 系統(tǒng)槽則可位于背板總線的任何地方。PXI 規(guī)范定義唯一確定的系統(tǒng)槽位置是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，并增加來自不同廠商的機(jī)箱與主控機(jī)之間的互操作性。PXI 還規(guī)定主控機(jī)只能向左擴(kuò)展其自身的擴(kuò)展槽，不能向右擴(kuò)展而占用儀器模塊插槽。 1.2 新增加的電氣封裝規(guī)范 除了將 CompactPCI 規(guī)范中的所有機(jī)械規(guī)范直接移植進(jìn)PXI規(guī)范之外，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成， PXI還增加了一些 CompactPCI 所沒有的要求。如前所述，PXI 機(jī)箱中的系統(tǒng)槽必須位于最左端，而且主控機(jī)只能向左擴(kuò)展以避免占用儀器模塊插槽。PXI 還規(guī)定模塊所要求的強(qiáng)制冷卻氣流流向必須由模塊底部向頂部流動(dòng)。PXI 規(guī)范建議的環(huán)境測(cè)試包括對(duì)所有模塊進(jìn)行溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，并以書面形式提供試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，PXI 規(guī)范還規(guī)定了所有模塊的工作和存儲(chǔ)溫度范圍。 1.3 與CompactPCI的互操作性 如圖2-30所示，PXI的重要特性之一是維護(hù)了與標(biāo)準(zhǔn) CompactPCI 產(chǎn)品的互操作性。但許多 PXI 兼容系統(tǒng)所需要的組件也許并不需要完整的 PXI 總線特征。例如，用戶或許要在 PXI 機(jī)箱中使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) CompactPCI 網(wǎng)絡(luò)接口模塊，或者要在標(biāo)準(zhǔn) CompactPCI機(jī)箱中使用 PXI 兼容模塊。在這些情況下，用戶所需要的是模塊的基本功能而不是完整的 PXI 特性。 2 PXI規(guī)范的電氣性能 表2-7 PXI與VXI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展性能比較 參考時(shí)鐘 觸發(fā)線 星形總線 局部總線 VXI 10 MHz ECL 8 TTL & 2 ECL 僅 D 尺寸系統(tǒng) 12 線 PXI 10 MHz TTL 8 TTL 每槽一根 13 線 許多儀器應(yīng)用場(chǎng)合需要而 ISA 總線 、 PCI 總線或 CompactPCI 背板總線所沒有的系統(tǒng)定時(shí)能力， PXI 總線通過增加專門的系統(tǒng)參考時(shí)鐘、觸發(fā)總線、星形觸發(fā)線和模塊間的局部總線來滿足高精度定時(shí)、同步與數(shù)據(jù)通信要求。PXI 不僅在保持 PCI 總線所有優(yōu)點(diǎn)的前提下增加了這些儀器特性，而且可以比臺(tái)式 PCI計(jì)算機(jī)多提供三個(gè)儀器插槽，使單個(gè) PXI 總線機(jī)箱的儀器模塊插槽總數(shù)達(dá)到7個(gè)。 PCI總線與VXI 總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展性能比較參見表2-7。 2.1 參考時(shí)鐘 PXI規(guī)范定義了將10MHz參考時(shí)鐘分布到系統(tǒng)中所有模塊的方法。該參考時(shí)鐘可被用作同一測(cè)量或控制系統(tǒng)中的多卡同步信號(hào)。由于PXI嚴(yán)格定義了背板總線上的參考時(shí)鐘，而且參考時(shí)鐘所具有的低時(shí)延性能使各個(gè)觸發(fā)總線信號(hào)的時(shí)鐘邊緣更適于滿足復(fù)雜的觸發(fā)協(xié)議。 2.2 觸發(fā)總線 如表2-7所示，PXI 不僅將 ECL 參考時(shí)鐘改為 TTL 參考時(shí)鐘，而且只定義了 8 根 TTL 觸發(fā)線，不再定義 ECL 邏輯信號(hào)。這是因?yàn)楸Ａ?ECL 邏輯電平需要機(jī)箱提供額外的電源種類，從而顯著增加 PXI 的整體成本，有悖于 PXI 作為21世紀(jì)主流測(cè)試平臺(tái)的初衷。 使用觸發(fā)總線的方式可以是多種多樣的。例如，通過觸發(fā)線可以同步幾個(gè)不同 PXI模塊上的同一種操作，或者通過一個(gè) PXI 模塊可以控制同一系統(tǒng)中其它模塊上一系列動(dòng)作的時(shí)間順序。為了準(zhǔn)確地響應(yīng)正在被監(jiān)控的外部異步事件，可以將觸發(fā)從一個(gè)模塊傳給另一個(gè)模塊。一個(gè)特定應(yīng)用所需要傳遞的觸發(fā)數(shù)量是隨事件的數(shù)量與復(fù)雜程度而變化的。 2.3 星形觸發(fā) PXI 星形觸發(fā)總線為 PXI 用戶提供了只有 VXI D尺寸系統(tǒng)才具有的超高性能（Ultra-high performance）同步能力。如圖2-31所示，星形觸發(fā)總線是在緊鄰系統(tǒng)槽的第一個(gè)儀器模塊槽與其它六個(gè)儀器槽之間各配置了一根唯一確定的觸發(fā)線形成的。在星形觸發(fā)專用槽中插入一塊星形觸發(fā)控制模塊，就可以給其它儀器模塊提供非常精確的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)然，如果系統(tǒng)不需要這種超高精度的觸發(fā)，也可以在該槽中安裝別的儀器模塊。 應(yīng)當(dāng)提出，當(dāng)需要向觸發(fā)控制器報(bào)告其它槽的狀態(tài)或報(bào)告其它槽對(duì)觸發(fā)控制信號(hào)的響應(yīng)情況時(shí)，就得使用星形觸發(fā)方式。PXI 系統(tǒng)的星形觸發(fā)體系具有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一是保證系統(tǒng)中的每個(gè)模塊有一根唯一確定的觸發(fā)線，這在較大的系統(tǒng)中，可以消除在一根觸發(fā)線上組合多個(gè)模塊功能這樣的要求，或者人為地限制觸發(fā)時(shí)間。二是每個(gè)模塊槽中的單個(gè)觸發(fā)點(diǎn)所具有的低時(shí)延連接性能，保證了系統(tǒng)中每個(gè)模塊間非常精確的觸發(fā)關(guān)系。 2.4 局部總線 如圖2-31所示，PXI局部總線是每個(gè)儀器模塊插槽與左右鄰槽相連的鏈狀總線。該局部總線具有13線的數(shù)據(jù)寬度，可用于在模塊之間傳遞模擬信號(hào)，也可以進(jìn)行高速邊帶通訊而不影響PCI總線的帶寬。局部總線信號(hào)的分布范圍包括從高速TTL信號(hào)到高達(dá)42V的模擬信號(hào)。 2.5 PCI性能 除了PXI系統(tǒng)具有多達(dá)八個(gè)擴(kuò)展槽（一個(gè)系統(tǒng)槽和七個(gè)儀器模塊槽），而絕大多數(shù)臺(tái)式PCI系統(tǒng)僅有三個(gè)或四個(gè)PCI擴(kuò)展槽這點(diǎn)差別之外，PXI總線與臺(tái)式PCI規(guī)范具有完全相同的PCI性能。而且，利用PCI-PCI橋技術(shù)擴(kuò)展多臺(tái)PXI系統(tǒng)，可以使擴(kuò)展槽的數(shù)量理論上最多能擴(kuò)展到256個(gè)。其它的PCI性能還包括 ① 33MHz性能 ② 32-bit和64-bit數(shù)據(jù)寬度 ③ 132MB/s(32-bit) 和264MB/s(64-bit)的峰值數(shù)據(jù)吞吐率 ④ 通過PCI-PCI橋技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展 ⑤ 即插即用功能 3 軟件性能 像其它的總線標(biāo)準(zhǔn)體系一樣，PXI定義了保證多廠商產(chǎn)品互操作性的儀器級(jí)（即硬件）接口標(biāo)準(zhǔn)。與其它規(guī)范所不同的是PXI在電氣要求的基礎(chǔ)上還增加了相應(yīng)的軟件要求，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成。這些軟件要求就形成了PXI的系統(tǒng)級(jí)（即軟件）接口標(biāo)準(zhǔn)。 PXI的軟件要求包括支持Microsoft Windows NT 和95 (WIN32) 這樣的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)框架，要求所有儀器模塊帶有配置信息（configuration information）和支持標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)開發(fā)環(huán)境（如NI的LabVIEW、LabWindows/CVI和Microsoft的VC/C++、VB和Borland的C++等）、而且符合VISA規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（WIN32 device drivers）。 對(duì)其它沒有軟件標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線硬件廠商來說，他們通常不向用戶提供其設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，用戶通常只能得到一本描述如何編寫硬件驅(qū)動(dòng)程序的手冊(cè)。用戶自己編寫這樣的驅(qū)動(dòng)程序，其工程代價(jià)（包括要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)、人力、物力和時(shí)間）是很大的。PXI規(guī)范要求廠商而非用戶來開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使PXI系統(tǒng)更容易集成和使用。 PXI規(guī)范還規(guī)定了儀器模塊和機(jī)箱制造商必須提供用于定義系統(tǒng)能力和配置情況的初始化文件等其它一些軟件要求。初始化文件所提供的這些信息是操作軟件用來正確配置系統(tǒng)必不可少的。例如，通過這種機(jī)制，可以確定相鄰儀器模塊是否具有兼容的局部總線能力。如果信息不對(duì)或者丟失，將無法操作和利用PXI的局部總線能力。 4 結(jié)束語(yǔ) 基于CompactPCI工業(yè)總線規(guī)范發(fā)展起來的PXI系統(tǒng)可以從眾多可資利用的軟、硬件中獲益，如運(yùn)行在PXI系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)就是最終用戶在通常的臺(tái)式PCI計(jì)算機(jī)上所使用過的軟件。PXI通過增加堅(jiān)固的工業(yè)封裝、更多的儀器模塊擴(kuò)展槽以及高級(jí)觸發(fā)、定時(shí)和邊帶通訊能力更好地滿足了儀器用戶的需要。