PXI規(guī)范概覽與最新發(fā)展

概述
PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一種基于PC技術的面向測試測量和自動化應用的堅固平臺。作為一種開放的工業(yè)標準, PXI 于1997年提出，并于1998年正式發(fā)布。 今天，PXI規(guī)范由PXI系統(tǒng)聯盟(www.pxisa.org)管理和維護。PXI系統(tǒng)聯盟由超過70多家公司組成，其中包括全球眾多領先的測試測量廠商。本文將對PXI規(guī)范進行概述并介紹一些最新發(fā)展。

PXI標準將CompactPCI標準（具有PCI電氣總線特性，同時具有堅固的、模塊化的歐卡封裝）與專用同步總線和軟件特性結合在一起。PXI系統(tǒng)由3個基本部分組成——機箱、控制器以及外圍I/O模塊。基于PXI的這種模塊化架構，可以實現系統(tǒng)部分組件的單獨升級，并且可以使測試系統(tǒng)能快速利用這些升級的組件所帶來的新技術。

隨著商業(yè)PC的總線技術從PCI演進到了PCI Express，顯著地拓展了總線的可用帶寬，PXI也將PCI Express集成到PXI標準中，以滿足更多的應用需求。PCI工業(yè)制造商協(xié)會（PICMG，管理CompactPCI標準）與PXI系統(tǒng)聯盟共同努力，確保PXI背板中集成了PCI Express技術之后，仍然維持與原有系統(tǒng)的后向兼容性。通過利用PCI Express技術，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，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，PXI可用于許多新的應用領域，其中很多應用在以前只能由昂貴的專用硬件(proprietary hardware)實現。

PXI規(guī)范的設計基于了如下一些考慮。

● 能在嚴酷的工業(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的機械封裝采用了歐卡結構，該結構也被CompactPCI、VME和VXI采用，在工業(yè)環(huán)境中有長期成功的應用歷史。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試儀器的體積，并降低功耗。 PXI規(guī)范還要求對所有的機箱進行強制的空氣冷卻并推薦進行完整的環(huán)境測試，包括溫度測試、濕度測試、振動測試以及電流沖擊測試。所有的PXI產品都應該能提供這些測試結果文件，并提供工作及儲存溫度范圍。PXI規(guī)范同樣要求進行電磁兼容性測試以保證可以符合相關國際標準的要求。

● 多模塊和多機箱之間的同步
PXI系統(tǒng)的一個關鍵優(yōu)勢在于集成了定時和同步特性，這可以減少不同儀器之間實現觸發(fā)和同步功能的復雜性：PXI機箱背板上整合了一個10MHz的專用系統(tǒng)參考時鐘（圖1），通過等長的背板走線傳輸到各插槽，各插槽之間的時鐘偏差小于1ns；10MHz系統(tǒng)時鐘的精度是由機箱決定的，典型值小于百萬分之25（25ppm），并且通過在機箱的星形觸發(fā)插槽（槽位2）安裝一塊具有更穩(wěn)定時鐘源的板卡（例如擁有板載OCXO的NI PXI-6653） 來取代背板的10MHz時鐘，達到更高穩(wěn)定性。不同模塊上速率更高的采樣時鐘可以鎖相至該穩(wěn)定的10MHz參考時鐘，從而提高多個模塊化儀器之間的同步性能。也可以輸出這個10MHz時鐘，用以同步多個PXI機箱和其他模塊儀器時作為參考時鐘。除了參考時鐘，PXI背板上也提供由8條TTL傳輸線組成的觸發(fā)總線，從而允許系統(tǒng)中的任意模塊都可設置一個可以被其他任意模塊檢測到的觸發(fā)信號。

圖1 PXI及PXI Express機箱為模塊化系統(tǒng)集成提供了極佳的定時和同步性能

以PXI為基礎，PXI Express提供了更多的定時和同步功能——100MHz的差分系統(tǒng)時鐘、差分信號傳輸以及差分星形觸發(fā)總線。采用差分時鐘和同步，PXI Express系統(tǒng)中儀器時鐘的抗噪聲性能進一步提高，并且可以以更高速率傳輸數據。因此，除了標準的PXI定時和同步信號外，PXI Express機箱應提供這些額外的定時和同步功能。

● 為進一步簡化系統(tǒng)集成而對軟件提出的要求
除了電氣要求外，為了使系統(tǒng)集成變得更簡易，PXI同樣規(guī)定了對軟件的要求。這些要求包括使用標準操作系統(tǒng)架構，以及對所有外圍設備模塊使用合適的配置信息和軟件驅動。

PXI Express系統(tǒng)同樣強調軟件兼容性，因此當升級PXI到PXI Express系統(tǒng)時，無須更換驅動和應用軟件。

PXI規(guī)范的最新發(fā)展
PCI Express和PCI Express 2.0
正如本文開頭所提到的，PCI Express相比PCI可增加超過45倍的總線吞吐量（見圖2）。正是由于此性能的增強，PXI Express可以用于很多新型應用，例如：

圖2 利用PCI Express提供的更高的數據帶寬和更低的傳輸延遲，PXI Express系統(tǒng)可以更好滿足高頻應用、高速數字接口以及高速圖像采集等新的應用需求

*利用高帶寬的中頻儀器進行通信系統(tǒng)測試

*高速數字協(xié)議接口（包括基于LVDS的專用協(xié)議、IEEE 1394、光纖信道等）

*用于結構和聲學測試的高通道數數據采集

*高速圖像采集
PCI-SIG——一個被授權致力于PCI總線規(guī)范開發(fā)的組織，于2007年1月公布了PCI Express 2.0規(guī)范（也被稱為PCI Express Gen2）。PCI Express Gen2規(guī)范將總線的傳輸速率從2.5GT/s增至5.0GT/s，相當于在PCI Express Gen1的基礎上使數據傳輸速率增加了一倍，同時還對PCI Express Gen1的硬件和軟件完全兼容。工程師和科學家可以期待著融合這一新的發(fā)展成果的PXI Express產品的出現，以進一步增強PXI平臺的性能。

當PCI Express技術被集成到PXI中，可以基于PXI Express實現許多新應用，不過許多現有的PXI儀器，諸如數字萬用表（DMM）、開關模塊、工業(yè)I/O、低速總線接口等并不需要背板新增的帶寬。因此，PXI Express規(guī)范的一個非常有價值的方面就是后向兼容：儀器廠商并不需要針對新的PXI Express背板而重新設計所有的現有板卡模塊，擁有PXI模塊的用戶也可以把基于PXI規(guī)范的儀器插入PXI Express的機箱，從而保持之前的投資。

PXImc
繼將PCI Express技術引入PXI規(guī)范之后，PXI系統(tǒng)聯盟于2009年11月發(fā)布了PXI MultiComputing (PXImc)規(guī)范來滿足日益增長的構建更大更復雜測控系統(tǒng)的需要。 PXImc通過定義特別的硬件和軟件接口，允許不同的PXI Express系統(tǒng)（分別擁有各自獨立的控制器）通過PCI Express總線實現相互通信（通過PCI Express非透明橋接器NTB），從而為分布式處理應用提供了一個擁有多個多核CPU的系統(tǒng)解決方案。

PXImc規(guī)范同樣的定義了如何在PXI Express機箱中使用附加控制器來提升系統(tǒng)的總處理能力，這對一些有大運算量處理要求、同時又有體積或有可移動性要求的測試測量應用而言，是一個理想解決方案。

總結
PXI是一種基于商業(yè)現成可用(COTS)技術的可重配置的平臺，并能適應當今與未來測控系統(tǒng)的發(fā)展需求。從1998年PXI標準誕生以來，PXI平臺發(fā)展迅速，被用于各種有測量、控制或自動化需求的實際應用，PXI被選為數千種應用的實現平臺。