• PXI規(guī)范概覽與最新發(fā)展
    NI大中華區(qū)市場(chǎng)總監(jiān) 朱君
          縱觀整個(gè)自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域,我們可以看到一些明顯的趨勢(shì):從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的每個(gè)階段,不斷提高的信號(hào)速率要求測(cè)試設(shè)備緊跟高速信號(hào)的測(cè)試要求;單一待測(cè)設(shè)備往往集成了多種不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議,這就需要測(cè)試系統(tǒng)能夠足夠靈活地適應(yīng)不斷更新的標(biāo)準(zhǔn);從商業(yè)角度考慮,縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間的壓力也與日俱增,這就需要進(jìn)一步縮短測(cè)試時(shí)間,然而另一方面往往又需要進(jìn)行更多的測(cè)試項(xiàng)目保證產(chǎn)品質(zhì)量;此外,對(duì)制造業(yè)的自動(dòng)化測(cè)試而言,測(cè)試設(shè)備的體積和功耗已經(jīng)無(wú)法再隨著測(cè)試需求線(xiàn)形增長(zhǎng)。
          PXI平臺(tái)的出現(xiàn)提供了一種 “out of the box (打破成規(guī))”的解決方案。PXI作為一種開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),于1997年提出,并于1998年正式發(fā)布,滿(mǎn)足了不斷增加的復(fù)雜儀器系統(tǒng)需求。今天,PXI規(guī)范由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(www.pxisa.org)管理和維護(hù)。PXI系統(tǒng)聯(lián)盟由超過(guò)70多家公司組成,其中包括全球眾多領(lǐng)先的測(cè)試測(cè)量廠商。本文將對(duì)PXI規(guī)范進(jìn)行概述并介紹一些最新發(fā)展。
    概述
          PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一種基于PC技術(shù)的面向測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的堅(jiān)固平臺(tái)。PXI標(biāo)準(zhǔn)將CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)(具有PCI電氣總線(xiàn)特性,同時(shí)具有堅(jiān)固的、模塊化的歐卡封裝)與專(zhuān)用同步總線(xiàn)和軟件特性結(jié)合在一起。一個(gè)PXI系統(tǒng)由三個(gè)基本部分組成——機(jī)箱、控制器、以及外圍I/O模塊?;赑XI的這種模塊化架構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分組件的單獨(dú)升級(jí),并且可以使測(cè)試系統(tǒng)能快速利用這些升級(jí)的組件所帶來(lái)的新技術(shù)。
          隨著商業(yè)PC的總線(xiàn)技術(shù)從PCI演進(jìn)到了PCI Express,顯著地拓展了總線(xiàn)的可用帶寬,PXI也將PCI Express集成到PXI標(biāo)準(zhǔn)中,以滿(mǎn)足更多的應(yīng)用需求。PCI工業(yè)制造商協(xié)會(huì)(PICMG,管理CompactPCI標(biāo)準(zhǔn))與PXI系統(tǒng)聯(lián)盟共同努力,確保PXI背板中集成了PCI Express技術(shù)之后,仍然維持與原有系統(tǒng)的后向兼容性。通過(guò)利用PCI Express技術(shù),PXI Express將PXI中的可用帶寬從132MB/s提高到6GB/s,提高了45倍多。與此同時(shí),還可以維持與原有PXI模塊間的軟件、硬件兼容性。正是由于此性能的增強(qiáng),PXI可用于許多新的應(yīng)用領(lǐng)域,其中很多應(yīng)用在以前只能由昂貴的專(zhuān)用硬件實(shí)現(xiàn)。
          PXI規(guī)范的設(shè)計(jì)基于了如下一些考慮:
          • 能在嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境下工作
          PXI規(guī)范定義了PXI系統(tǒng)能勝任惡劣環(huán)境所要滿(mǎn)足的要求。阻抗匹配的高性能IEC接口在各種條件下都能提供最好的電氣性能。PXI的機(jī)械封裝采用了歐卡結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)也被CompactPCIVME和VXI采用,在工業(yè)環(huán)境中有長(zhǎng)期成功的應(yīng)用歷史。此外,PXI規(guī)范還定義了保證工業(yè)環(huán)境中操作所需的特殊冷卻和環(huán)境要求。
          • 共享硬件資源以減小體積
          在這種模塊化架構(gòu)下,所有模塊化儀器可以共享控制器、電源、以及顯示單元,從而可以顯著減小測(cè)試儀器的體積,并降低功耗。多種I/O和模塊化儀器可以集成在一個(gè)PXI機(jī)箱中;模塊的供電電源對(duì)這些模塊的可靠使用起著關(guān)鍵作用,不同廠商的PXI機(jī)箱提供不同的功率,在選擇PXI系統(tǒng)時(shí)候應(yīng)選擇一個(gè)提供足夠大功率的機(jī)箱。除了提供電源之外,PXI規(guī)范還要求對(duì)所有的機(jī)箱進(jìn)行強(qiáng)制的空氣冷卻并推薦進(jìn)行完整的環(huán)境測(cè)試,包括溫度測(cè)試、濕度測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試以及電流沖擊測(cè)試。所有的PXI產(chǎn)品都應(yīng)該能提供這些測(cè)試結(jié)果文件,并提供工作及儲(chǔ)存溫度范圍。PXI規(guī)范同樣要求進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試以保證可以符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。
          PXI硬件規(guī)范還定義,所有的PXI機(jī)箱都包含一個(gè)位于機(jī)箱最左邊的系統(tǒng)控制器插槽(槽位1)??梢赃x擇的控制器可以是運(yùn)行Microsoft Windows操作系統(tǒng)或者是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式控制器,也可以是來(lái)自臺(tái)式機(jī)、工作站、服務(wù)器或者便攜式計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制器。
          • 多模塊和多機(jī)箱之間的同步
          和同步特性,這可以減少不同儀器之間實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和同步功能的復(fù)雜性:PXI機(jī)箱背板上整合了一個(gè)10MHz的專(zhuān)用系統(tǒng)參考時(shí)鐘(圖1),通過(guò)等長(zhǎng)的背板走線(xiàn)傳輸?shù)礁鞑宀?,各插槽之間的時(shí)鐘偏差小于1ns;10MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的精度是由機(jī)箱決定的,典型值小于百萬(wàn)分之25(25ppm),并且通過(guò)在機(jī)箱的星形觸發(fā)插槽(槽位2)安裝一塊具有更穩(wěn)定時(shí)鐘源的板卡(例如擁有板載OCXO的NI PXI-6653),可進(jìn)一步提高系統(tǒng)參考時(shí)鐘的精度。這樣可以用這個(gè)具有更高穩(wěn)定性的參考時(shí)鐘來(lái)取代背板的10MHz時(shí)鐘。不同模塊上速率更高的采樣時(shí)鐘可以鎖相至該穩(wěn)定的10MHz參考時(shí)鐘,從而提高多個(gè)模塊化儀器之間的同步性能。也可以輸出這個(gè)10MHz時(shí)鐘,用以同步多個(gè)PXI機(jī)箱和其他模塊儀器時(shí)作為參考時(shí)鐘。除了參考時(shí)鐘,PXI背板上也提供由8條TTL傳輸線(xiàn)組成的觸發(fā)總線(xiàn),從而允許系統(tǒng)中的任意模塊都可設(shè)置一個(gè)可以被其他任意模塊檢測(cè)到的觸發(fā)信號(hào)。
          以PXI為基礎(chǔ),PXI Express提供了更多的定時(shí)和同步功能——100MHz的差分系統(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)傳輸以及差分星形觸發(fā)總線(xiàn)。采用差分時(shí)鐘和同步,PXI Express系統(tǒng)中儀器時(shí)鐘的抗噪聲性能進(jìn)一步提高,并且可以以更高速率傳輸數(shù)據(jù)。因此,除了標(biāo)準(zhǔn)的PXI定時(shí)和同步信號(hào)外,PXI Express機(jī)箱應(yīng)提供這些額外的定時(shí)和同步功能。
    圖1. PXI及PXI Express機(jī)箱為模塊化系統(tǒng)集成提供了最佳的定時(shí)和同步性能
     
          除了使用基于信號(hào)的方法來(lái)同步PXI及PXI Express系統(tǒng),也可以基于絕對(duì)時(shí)間實(shí)現(xiàn)同步。通過(guò)附加的定時(shí)模塊,可以使用包括GPS、IEEE-1588或者IRIG-B在內(nèi)的多種方式提供絕對(duì)時(shí)間。這些協(xié)議通過(guò)數(shù)據(jù)包的方式傳輸時(shí)間信息,因此系統(tǒng)可基于這些時(shí)間信息進(jìn)行同步。如果PXI系統(tǒng)之間的部署距離很遠(yuǎn),共享實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)或觸發(fā)信號(hào)比較困難,在這種情況下,就可以依靠像GPS這樣的信號(hào)源來(lái)同步不同PXI系統(tǒng)的測(cè)量任務(wù)。除了電氣要求外,為了使系統(tǒng)集成變得更簡(jiǎn)易,PXI同樣規(guī)定了對(duì)軟件的要求。這些要求包括使用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)架構(gòu),以及對(duì)所有外圍設(shè)備模塊使用合適的配置信息和軟件驅(qū)動(dòng)。
          PXI Express系統(tǒng)同樣強(qiáng)調(diào)軟件兼容性,因此當(dāng)升級(jí)PXI到PXI Express系統(tǒng)使,無(wú)須更換驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件。
          PXI規(guī)范的最新發(fā)展
          PCI Express
          正如本文開(kāi)頭所提到的,PCI Express相比PCI可增加超過(guò)45倍的總線(xiàn)吞吐量(圖2)。正是由于此性能的增強(qiáng),PXI Express可以用于很多新型應(yīng)用領(lǐng)域,其中很多領(lǐng)域在以前只能由昂貴的專(zhuān)用硬件實(shí)現(xiàn)。例如,基于PCI Express,一個(gè)1GB/s數(shù)據(jù)帶寬的數(shù)字化儀可以通過(guò)一條直接路徑與CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,這個(gè)傳輸速度大約是32位數(shù)據(jù)位寬、33MHz主頻PCI總線(xiàn)所能提供的速率的8倍。這樣,利用PCI Express技術(shù),一個(gè)高分辨率的16位中頻數(shù)字化儀或者信號(hào)發(fā)生器就可以以高達(dá)500MHz的采樣率實(shí)現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)流連續(xù)傳輸,不受總線(xiàn)帶寬制約,也不受與其他模塊共享帶寬的限制。
          特別地,在國(guó)防和航空航天自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域,PXI Express所擁有的更高的帶寬為許多應(yīng)用提供了新的解決方案:
          • 利用高帶寬的中頻儀器進(jìn)行通信系統(tǒng)測(cè)試
          • 高速數(shù)字協(xié)議接口(包括基于LVDS的專(zhuān)用協(xié)議、IEEE 1394、光纖信道等)
          • 用于結(jié)構(gòu)和聲學(xué)測(cè)試的高通道數(shù)數(shù)據(jù)采集
          • 高速圖像采集
    圖2. 利用PCI Express提供的更高的數(shù)據(jù)帶寬和更低的傳輸延遲,PXI Express系統(tǒng)可以更好滿(mǎn)足高頻應(yīng)用、高速數(shù)字接口以及高速圖像采集等新的應(yīng)用需求。
     
          PXI Express與PXI的后向兼容
          當(dāng)PCI Express技術(shù)被集成到PXI中,基于PXI Express實(shí)現(xiàn)許多新應(yīng)用的同時(shí),許多現(xiàn)有的PXI應(yīng)用并不會(huì)得益于PXI Express的性能提升。比方說(shuō),諸如數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)、開(kāi)關(guān)模塊、工業(yè)I/O、低速總線(xiàn)接口、以及許多主流的發(fā)生器和分析儀等I/O應(yīng)用并不需要背板新增的帶寬。因此,PXI Express規(guī)范的一個(gè)非常有價(jià)值的方面就是PCI以及PCI Express信號(hào)都可以被路由到新的插槽中去。其結(jié)果是, 擁有PXI模塊的用戶(hù)也可以把基于PXI規(guī)格的儀器插入PXI Express的機(jī)箱,從而保持之前的投資, 儀器廠商也不需要針對(duì)新的PXI Express背板而重新設(shè)計(jì)所有的現(xiàn)有板卡模塊, 與此相反,儀器廠商會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)符合PXI信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,因?yàn)槟壳暗腜CI總線(xiàn)架構(gòu)可以滿(mǎn)足這些模塊的數(shù)據(jù)帶寬需求并且所有的混合插槽都支持PCI總線(xiàn)信號(hào)(圖3)。
    圖3. PXI Express背板在集成PCI Express的同時(shí)仍然保持著對(duì)現(xiàn)有PXI模塊的兼容,用戶(hù)可以在得益于帶寬提升的同時(shí)保持對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的后向兼容性
     
          PCI-SIG —— 一個(gè)被授權(quán)致力于PCI總線(xiàn)規(guī)范開(kāi)發(fā)的組織,于2007年1月公布了PCI Express 2.0規(guī)范(也被稱(chēng)為PCI Express Gen2)。PCI Express Gen2規(guī)范將總線(xiàn)的傳輸速率從2.5GT/s增至5.0GT/s,相當(dāng)于在PCI Express Gen1的基礎(chǔ)上使數(shù)據(jù)傳輸速率增加了一倍,同時(shí)還對(duì)PCI Express Gen1的硬件和軟件完全兼容。工程師和科學(xué)家可以期待著融合這一新的發(fā)展成果的PXI Express產(chǎn)品的出現(xiàn),以進(jìn)一步增強(qiáng)PXI平臺(tái)的性能。
          PXImc
          繼將PCI Express技術(shù)引入PXI規(guī)范之后,PXI系統(tǒng)聯(lián)盟于2009年11月發(fā)布了PXI MultiComputing (PXImc)規(guī)范,以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的構(gòu)建更大更復(fù)雜測(cè)控系統(tǒng)的需要。這些系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)共同點(diǎn)在于,工程師需要以最小的延遲來(lái)傳輸和處理大量的數(shù)據(jù)。PCI Express能提供數(shù)千兆Byte每秒的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量及微秒級(jí)的延遲,因此,PCI Express能夠很好的適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。PXImc通過(guò)定義特別的硬件和軟件接口,允許不同的PXI Express系統(tǒng)(分別擁有各自獨(dú)立的控制器)通過(guò)PCI Express總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)相互通信(通過(guò)PCI Express非透明橋接器NTB),從而為分布式處理應(yīng)用提供了一個(gè)擁有多個(gè)多核CPU的系統(tǒng)。
          PXImc規(guī)范同樣也允許處理系統(tǒng)使用板載的PCI Express非透明橋接器,通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(Peer-to-Peer)的方式實(shí)現(xiàn)PXImc設(shè)備和其他PCI Express板卡之間通信。正是因?yàn)檫@個(gè)特性,可以在PXI Express機(jī)箱的非控制器插槽中安置這種處理器模塊,實(shí)現(xiàn)與PXI Express板卡通信,若有需要的話(huà),再通過(guò)機(jī)箱背板的PCI Express總線(xiàn)與系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行通信。在PXI機(jī)箱中使用附屬控制器的這種方法極大提升了單一系統(tǒng)的總處理能力,同時(shí)仍保持著緊湊而穩(wěn)固的系統(tǒng)集成,這對(duì)一些有大運(yùn)算量處理要求、同時(shí)又有體積或有可移動(dòng)性要求的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用而言,是一個(gè)理想解決方案。
          總結(jié)
          從1998年P(guān)XI標(biāo)準(zhǔn)誕生以來(lái),PXI平臺(tái)發(fā)展迅速,被用于各種有測(cè)量、控制或自動(dòng)化需求的實(shí)際應(yīng)用——從前沿研究、軍工和航空、消費(fèi)電子、通信到過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,PXI被選為數(shù)千種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。
          超過(guò)70家公司共同推進(jìn)著PXI標(biāo)準(zhǔn),保證互操作性,并共同來(lái)維護(hù)PXI規(guī)范。PXI是一種基于商業(yè)現(xiàn)成可用(COTS)技術(shù)的可重配置的平臺(tái),并能適應(yīng)當(dāng)今與未來(lái)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展需求。
     
     
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