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什么是PXI?

2006-10-10 00:00:00


PXI 是PCI eXtensions for Instrumentation 的缩写。直观地说,CompactPCI + Extensions for Instrumentation = PXI。对于PXI的发展,首先要提到制订并推广PXI规格的组织——PXISA (PXI System Alliance)。PXISA于1997年成立,同年推出了1.0版的PXI规格。随着PXISA的接受度提高,以及PXI标准的不断完善,PXI的规格和相关产品也逐渐走向了标准化的道路。1998年,PXI被定为工业标准,PXI开始快速而稳健地发展。2000年时,PXISA又推出了PXI 2.0版,并于2003年2月将规格更新至2.1版。

为更适于工业应用,PXI总线方式为PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求,增加了多板同步触发总线的技术规范,以便使用于相邻模块的高速通讯局总线。PXI还具有高度的可扩展性:PXI具有8个扩展槽,通过使用PCI-PCI桥接器,可扩展到256个扩展槽,而台式PCI系统只有3~4个扩展槽,台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来,便形成了出色的虚拟仪器平台。

PXI 的规格区分为硬件与软件两个部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的规格,也就是PICMG 2.0,建构于CompactPCI的机构规格与PCI的电气规格之上,加上仪器上所需要的电气信号延伸,即是所谓PXI的规格。所以,PXI的数据传输速率的峰值在33 MHz、32 bit的总线上,可达132MB/s;在66 MHz、64 bit的总线上更可高达528MB/s,远远高于GPIB与VXI接口的传输速率。PXI 背板上的每一个扩充槽,都有专用的10 MHz参考时脉,而时脉偏斜的精确度必须小于1ns。这样高的精确度使其可作为各扩充槽的基础时脉,来达到同步的效果。

与其他的总线规格相比,PXI于软件上对系统控制模块与周边模块作了规范。例如:PXI周边模块的厂商,必须提供可使用于Microsoft Windows上的驱动程序,而PXI控制模块则必须基于80x86架构,并可支持Microsoft Windows。随着各式操作系统的接受度提高,未来将可能加入PXI软件的规格制订。除了对软件架构上的规范外,PXI也制订了硬件描述档案的规格,系统操作人员可以利用这些档案,透过软件管理PXI系统上的模块。

PXI的仪器延伸信号,提供了各PXI模块之间的一个硬件的管道,不需经过软件的监督,PXI的模块可实时地在此管道上利用硬件的信号互相沟通。如此可以减低CPU的负担,并加速软件程序的执行。并且基于x86架构与广泛采用的Windows,可以有效降低PXI产品的学习曲线与购入成本。

多重的PXI模块选择,搭配不同机箱,使得PXI可以符合各种应用需求,并且易于维护。如此丰富的产品使得PXI目前已在汽车测试、半导体测试、功能性测试、航空设备测试以及军事等诸多领域得到了广泛的应用。

PCI

PXI平台是基于PCI总线的。PCI总线作为开放的工业标准,在测试与测量工程上具有不少优势。很多为传统计算机开发的设备其都是基于PCI总线的。目前已经有数以千计的PCI设备,而PCI总线本身也采纳了诸多最新的计算技术,得以不断优化。这对PXI而言意味着有大量的设备元件可以使用,这些元件:

与最常用的操作系统与软件完全兼容

针对最高速的处理器和总线进行了优化,以提高数据流量

一个决定系统流量的关键因素是测量设备与计算机之间的接口总线。尽管系统性能由于处理器速度与系统内存的增加而大幅提升,却依然受到与仪器与外部设备的通信因素限制。GPIB是最常见的仪器接口总线,但其数据传输速率比VXI和PCI慢得多。基于VXI的测量系统具有高于GPIB的性能,但用户必须为之付出高昂的代价。相比之下,PCI是为新型处理器设计的,数据传输速率比GPIB和VXI高得多。

 

 

图 1总线性能的理论值

除了提高流量,PCI还能够与所有的主流操作系统兼容。PXI利用这一点将GPIB和VXI也集成到PXI系统。有了这样的开放性,不同厂商开发的PXI设备都可以在一个集成的系统上工作。为了维护这种不同厂商之间的互用性,PXI规范还制定了相应的对软件标准。最主要的要求之一就是PXI设备必须能在Windows操作系统下工作,并配套驱动软件。这项要求不但保证了厂商兼容性,还能够加快用户集成和应用开发的速度。旧的系统架构迫使每个用户根据一套特定的函数调用方法开发各自的驱动程序,PXI规范则将这个负担转移到了设备厂商一方。

最后,为了完全利用PCI的优势,PXI规范指明所有的PXI设备须和CompactPCI完全兼容。CompactPCI模块使用的封装和PXI相同,而且也是建立在PCI总线上的;PXI较之增加了更为严格的环境测试,软件标准和一些额外的触发特性。这项严格的兼容性规定意味着当用户的应用不需要所有的模块都具有PXI专有的特性时,可以有更多的模块选择;这还意味着工程师可以将他们已经在使用的CompactPCI模块集成到PXI系统里。

物理特性

PXI是一个模块化的平台。系统的物理主机是一个拥有2至31个槽位的机箱,有的机箱还带有内置的显示器和键盘。机箱的第一槽(Slot 1)是控制器槽。目前可以使用的控制器有很多,最常见的两种是嵌入式控制器和MXI-3总线桥。嵌入式控制器是专为PXI机箱空间设计的常规计算机。MXI-3则是一种通过台式计算机控制PXI机箱的扩展器,这会在后面的内容中详细描述。机箱中的其它槽位被称为外部设备槽,用于插置功能模块,就像计算机里的PCI槽一样。

 

 

图2 3U PXI 系统的机械配置

PXI模块的支架和台式计算机的PCI槽有所不同,模块被上下两侧的导轨和“针-孔”式的接插端牢牢的固定住。事实上,PXI采纳了CompactPCI首先启用的高级“针-孔”式接插端结构。这种由国际电工委员会(International ElectrotechNIcal Commission)定义的高密度(2mm间距)阻抗匹配接插端(IEC-1076)提供了在所有情况下可以达到的的最佳电气性能。这些接插端已经被广泛采纳于各种高性能的应用,尤其是通信领域。

在尺寸上,3U的PXI机箱比绝大多数的台式或工业计算机平台更加紧凑,这对于在很多狭小环境下的测试来说是一项重要的特性。各种规格的机箱包含不同数量的槽位。如果经费有限,工程师可以选择槽位数最合适的机箱。机箱的设计考虑了系统集成的需要,使之能够很方便地固定到机柜上。PXI机箱外形小巧,也已成为便携或野外应用的理想选择。除了内置的显示器和键盘,有的机箱还可以使用后备电池的直流电源供电。

最后,PXI模块化、前插式的结构给维护和升级带来的极大的便利。如果系统中的一个模块需要修理,工程师可以将其取出,而不影响其它任何模块。模块化减少的的停机时间降低了系统寿命内的维护成本。

电气特性

PXI的背板提供了一些专为测试和测量工程设计的独到特性。专用的系统时钟用于模块间的同步;8条独立的触发线可以精确同步两个或多个模块;槽与槽之间的局部总线可以节省PCI总线的带宽;最后,可选用的星形触发特性适用于极高精度的触发。相比之下,触发线、时钟和局部总线在台式计算机、工业计算机和CompactPCI的机箱里都是没有的。

集成化、可扩展的系统

通过使用诸如MXI-2和MXI-3这样的远程控制接口技术,PXI系统能够轻易地与已有的测试与测量系统相集成。利用这些接口,工程师既可以享有PXI结构的优点,同时又避免了更换整个系统带来的的高额支出。

一个PXI系统通过MXI-2连接VXI机箱,就像在VXI背板上直接插入了一个VXI嵌入式控制器一样。工程师可以由PXI控制器设置所有的系统设备并与之通信,从而将一个已有的VXI系统合并到一个新的PXI系统中。工程师们可以根据需要逐步的将他们的VXI系统升级到PXI

使用MXI-3,台式计算机上的CPU可以透明地设置和控制PXI/CompactPCI模块。在BIOS和操作系统看来,PXI模块就像插在PC上的PCI板卡一样。MXI-3和PXI机箱组合是扩展系统I/O的一个极佳选择。从结构上说,MXI-3是一个PCI到PCI的桥(PCI-PCI bridge)。一块PCI MXI-3板卡插在台式计算机上,并与插在PXI机箱控制器槽内的PXI MXI-3模块通过电缆相连,实现通信。

什么是工业计算机(Industrial PC)?

典型的工业计算机(工控机)是装在一个坚固机盒内的单板计算机与PCI背板,遵循PICMG规范。如同台式计算机,它们可以运行标准的操作系统。测量板卡插置在PCI槽中。PCI槽位的数量取决于计算机生产商。但关键的一点是工业计算机的槽位与PCI-PCI桥之比低于PXI机箱。这一点之所以重要是因为PCI-PCI桥会导致显著的带宽损耗。另外,维护工业计算机也比维护PXI系统困难。首先,要从测试机柜上取下计算机,如果连接的电缆不够长,那就必须先将它们拔下。如同台式计算机一样,必须先将外部的机箱盖打开,才能触及PCI槽及更换卡件。在平时,机箱盖用于防止灰尘和其它碎片触及CPU,非常重要。

机械特性比较

PXI机箱和设备是为承受工业和野外环境而设计的;模块也都具有牢固的接插端,可以抵抗撞击与振动。为了保护电路,机箱内设计有额外的冷却装置。此外,设备都是从机箱的前面拆卸,维护与升级非常方便。

坚固性设计

PXI规范要求所有的设备都通过环境测试。厂家建议进行湿度、撞击和振动测试。这些测试可以帮助工程师掌握更多的信息,在构建系统选择符合标准的设备。PXI系统最适合用于生产测试或野外环境,因为它们正是为承受这样的环境而设计的。

PXI机箱内的模块导轨就是坚固性的力证。上下两侧的导轨可以牢牢地固定PXI模块。这种安装方式减轻了背板上的承受力,也使模块免受撞击和振动。模块的面板可以用螺丝固定到机箱上,进一步防止松动。在工业计算机中,板卡通常是以夹在接口部分两侧的插槽及卡沿和机箱的连接来固定的。仅仅两个接触点,其中之一还是背板,使板卡极有可能在恶劣的环境下抖动移位。另外,PXI的接插端部分也比PCI的更宽,更长。

 

 

图 3 PXI外设模块配置与接插端

最后,PXI机箱通常在背板上只有很少的电路,这样当任何电路需要更换的时候,维护都非常简单。工业计算机有两种设计。第一种是使用主动型背板,即计算机主板是背板的一部分。这种情况下如果主板出现问题,整个计算机都要更换。第二种设计是使用被动型背板,即背板上面只有PCI-PCI桥。这种设计中要用到单板计算机(SBC)。SBC插入背板中一个类似PCI接口的接插端。这种设计显然比嵌入式PXI控制器更容易振动和震颤。

冷却

PXI规范对冷却具有严格的要求。外设模块最低限度也要冷却到和工业计算机同一等级。PXI必须带有强迫冷却装置,产生特定方向的气流,均匀冷却所有模块。而大多数工业计算机使用的冷却装置仅由一到两个风扇构成,通常无法均匀冷却主板与外设板卡。均衡的冷却可以延长模块或板卡的使用寿命,从而降低系统寿命内的平均维护成本。最后,所有的PXI设备都经过测试,清楚标明工作和存放时的正常温度。因此,用户可以对所开发的系统更加了解,并知道是否需要增加额外手段,保证系统在适当的环境下工作。

维护

PXI平台的设计简化了维护工作。所有的模块和接线端都在机箱的前面。每个模块的前面都有一个手柄,使其能正确插入和容易拆卸。两个导轨确保模块对准,避免背板上的针被损坏。用户还可以拆下机箱中的一个模块而不影响到系统的其它部分。

工业计算机的维护通常很耗时。首先,要松开机柜上固定用的螺丝,向外抽拉,取下计算机。而且,像前面提到的,如果连接电缆不够长,所有的电缆都必须从PCI板卡上拔下。然后要打开机箱盖,才能卸下PCI板卡。

升级

由于PXI系统的模块化,升级单个组件很容易。比方说,某用户希望升级到更快的处理器,他可以拆下控制器进行更换。因为所有的设备都支持标准软件,所以只要在新的控制器里装上软件和驱动程序,然后插回机箱内就可以了。这些变化对使用者来说几乎是透明的。

然而,对于工业计算机的配置,用户通常需要为了升级处理器而拆除计算机里所有的板卡,然后更换整个计算机或主板。这样的升级过程将耗费不少时间和代价,而且很复杂。

电气特性比较

PXI机箱有许多专为测试和测量工程设计的电气特性。其中很重要的一项就是I/O的易扩展性。有的大规模的数据采集系统需要尽可能高的带宽,这一点就显得极为重要。第二项特性是PXI背板上的10MHz专用系统时钟,提供更高的精度与更佳的锁相环。为了使触发更加准确,机箱还具备总线型的触发线。槽与槽之间局部总线的设计节省了PCI的带宽。最后,当一些方案需要10MHz以上的触发时,可以使用非常精确的星形触发。工业计算机则没有这些内置的电气特性。PCI总线的速度从0到66MHz不等,且设备间的通信也通过PCI。这样的系统从准确同步和精确触发的角度来说都是很不可靠的。

I/O 扩展

PXI系统的设计具有很好的可扩展性。在每个33MHz总线区段上,PXI背板可以集成7个模块,而工业计算机只能有4个。通过PCI-PCI桥,一个PXI机箱内可以容纳更多板卡。使用MXI-3接口,用户更可以轻易地扩展多个机箱。理论上,基于33MHz总线区段的PXI系统插槽上限是256个。在前面的介绍中也提到过,工业计算机的PCI-PCI桥比较多。这就意味着带宽的损耗更大,然则整个系统的性能都会受到明显的影响。

专用系统时钟

PXI背板上内置有一个10MHz的专用系统时钟。这个高质量的时钟用于模块间的同步,具有很低的槽间偏斜信号。而工业计算机或其它任何系统上的板卡要实现类似的同步,就必须将板卡上各自用于定时和触发的时钟信号源和触发总线以电缆连接起来。

对于工业计算机,每个设备的时钟质量和精度都不相同,和计算机机箱的时钟相比或高或低。但是由于这些时钟信号都通过总线连接在一起,它们的偏斜(通常是纳秒级)就比机箱时钟的偏斜(通常是皮秒级)更大,而且信号也不带屏蔽。而PXI的系统时钟使用了一块低偏斜、扇出式的缓冲芯片,从本质上给每个槽提供一个独用的时钟,使质量得到保证。而且,由于PXI上的时钟线是内置于背板上的,它们就比外部的连线享有更好的屏蔽。

总线式触发线

在用到触发时,PXI的触发信号可以从背板上通过,用户不必像在计算机上那样将板卡用电缆连接起来。PXI背板上有八根专用的触发线,与包括系统控制器槽在内的每个槽相连。有了这些特性,用户可以实现更加复杂的模块触发,例如用一个模块触发另一个模块,或是异步触发等。异步触发允许以别处发生的事件触发一个模块。最后,通过很多新款的模块,可以将触发信号引入机箱,或从机箱引出。

槽间局部总线

PXI总线允许相邻槽位上的模块通过专用的连线相互通信,而不占用真正的总线。这些连线构成了PXI的局部总线。局部总线是一种菊花链形式的互连总线,将每个外设槽与其左右两边相邻的外设槽连接。因此,每个槽的右侧局部总线与其右边邻槽的左侧局部总线相连,并以此规律延伸。局部总线的宽度为13线,可用于在模块间传递模拟信号或者提供高速的旁带通信途径,而不影响PCI的带宽。这一特性对于涉及模拟信号的数据采集卡和仪器类板卡非常有用。

局部总线信号的范围可以从高速的TTL信号到高达42V的模拟信号。这些连线非常精确,偏斜很小,可用于一些高端的操作。必须注意的是,这些线在PCI总线或工业计算机上都是没有的。

那么第二槽(Slot 2)的左侧局部总线怎么办呢?将这13条线引到系统控制器是没有意义的。于是,这些线被设计用于实现星形触发。

星形触发

PXI规范指明,背板的布线必须符合特定的要求——即由星形触发槽发出的触发信号通过星形触发线传送到每个模块的时间相等,致使各个模块间的触发关系都非常精确。星形触发是一种高精度的触发信号,可以触发一个机箱内的所有模块。尽管也可以用普通的PXI触发总线同步这些模块,但星形触发提供的性能更佳。尤其值得一提的是,星形触发的信号偏斜小于1纳秒,而从星形触发槽到外设槽之间的时延也不超过5纳秒。

要使用星形触发,必须在第二槽中放入一个能够产生星形触发信号的模块。第二槽是专门放置星形触发控制器的(尽管在不需要星形触发的应用中,置于第二槽的任何标准模块都能正常工作)。被触发的模块也要设计为能够接收星形触发信号。从机箱内任何槽位发出的触发信号通过标准的PXI触发总线也能实现同样的功能,但是时间精度就低一些。

软件比较

软件要求是PXI规范的另一个特性。所有的PXI硬件必须至少支持Windows 95、Windows 98、Window NT或Windows 2000四个操作系统中的一个。规范还指出,考虑到有一些其它的操作系统能够提供和当前体系同样程度的软件支持面,正被广泛接受,它们也有可能被加入到PXI体系中。

控制器和设备必须符合VXIplug&play标准,并与VISA软件兼容。另外,随模块必须提供驱动软件,这样模块间就能够进行标准通信,也可以缩短工程师的开发时间。像VXI这样的早期平台就没有这些要求,这意味着工程师们不得不为每个设备花费几个月的时间去开发仪器驱动程序。PXI迫使生产商花时间完成驱动程序的开发,这样就可以为用户节省相当可观的时间。

最后,PXI系统附带的 .ini 文件简化了系统设置。虽然这些文件的潜在作用还没有完全实现,但它们确实已经提供了诸如在设置软件中识别槽位等附加功能。

工业计算机没有这样的软件规范。虽然不少PCI设备也能在Windows环境下工作,它们却不一定能和VISA兼容,也不一定附有驱动软件。这样用户就可能为代码兼容性问题头痛不已,还不得不投入可观的时间和费用去开发他们自己的驱动程序。

价格比较

PXI系统的设计降低了构建和维护的成本。得益于系统的模块化,其平均维修耗时比其它平台都短。系统坚固的设计也旨在延长控制器与模块的工作寿命。

虽然有些工业计算机价钱比PXI低,但此二者并不属于同等级的产品。PXI的可靠性更高、更坚固、使用的总体成本更低。

总结

PXI的设计吸取了PCI规范的优点,又足够坚固,完全符合工业应用的要求。PXI系统具有很多固化的规范特性,帮助缩短开发时间,也使测试测量工程师的工作更加轻松。其最卓著的特性包括系统的模块化、容易集成、容易装卸和连接,以及众多提高设备同步与触发精确度的电气特性。

PXI的主要优点包括:

具备软件标准,缩短了系统开发时间

系统工作寿命内的平均维护成本低廉

符合工业环境应用的坚固设计

方便系统升级的模块化设计

更多的高性能I/O槽位

10MHz的专用系统时钟

总线式触发线

槽间局部总线

星形触发

[整理编辑:中国测控网]
标签:  PXI[113]
 
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