PXI規(guī)范與最新發(fā)展概覽

NI中國市場經(jīng)理 朱君

隨著商業(yè)PC的總線技術(shù)從PCI演進(jìn)到了PCI Express，顯著地拓展了總線的可用帶寬，同時PXI也將PCI Express集成到PXI標(biāo)準(zhǔn)中，以滿足更多的應(yīng)用需求。PCI工業(yè)制造商協(xié)會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。通過利用PCI Express技術(shù)PXI中的可用帶寬從132 MB/s提高到6 GB/s，提高了45倍多。與此同時，還可以保留與原有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(yīng)用領(lǐng)域，其中很多應(yīng)用在以前只能由昂貴的專用硬件實現(xiàn)。

PXI規(guī)范概覽

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)將CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)(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(jié)合在一起。作為一種開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),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(lián)盟(www.pxisa.org)管理和維護(hù)。PXI系統(tǒng)由三個基本部分組成——機箱、控制器以及外圍I/O模塊?；赑XI的這種模塊化架構(gòu)，實現(xiàn)了系統(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(shù)。

PXI規(guī)范的設(shè)計對于測控環(huán)境要求、儀器體積、多儀器同步、自定義測控系統(tǒng)集成等要求提供了解決方案。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：(1)能在嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境下工作。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(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)也被CompactPCI VME和VXI采用)，在工業(yè)環(huán)境中有長期成功的應(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。(2)通過共享硬件資源以減小體積。在模塊化架構(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(jìn)行強制的空氣冷卻并推薦進(jìn)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(chǎn)品都應(yīng)該能提供這些測試結(jié)果文件，并提供工作及儲存溫度范圍。PXI規(guī)范同樣要求進(jìn)行電磁兼容性測試以保證可以符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。(3)內(nèi)置定時和觸發(fā)信號。PXI系統(tǒng)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于集成了定時和同步特性，減少不同儀器之間實現(xiàn)觸發(fā)和同步功能的復(fù)雜性。PXI機箱背板上整合了一個10 MHz的專用系統(tǒng)參考時鐘，通過等長的背板走線傳輸?shù)礁鞑宀?，各插槽之間的時鐘偏差小于1 ns，10 MHz系統(tǒng)時鐘的精度是由機箱決定的，典型值小于25 ppm，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)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)參考時鐘的精度。這樣可以用這個具有更高穩(wěn)定性的參考時鐘來取代背板的10 MHz時鐘。不同模塊上速率更高的采樣時鐘可以鎖相至該穩(wěn)定的10 MHz參考時鐘，從而提高多個模塊化儀器之間的同步性能。(4)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(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)架構(gòu)，以及對所有外圍設(shè)備模塊使用合適的配置信息和軟件驅(qū)動。

PXI規(guī)范的最新發(fā)展

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用硬件實現(xiàn)。例如利用高帶寬的中頻儀器進(jìn)行通信系統(tǒng)測試、高速數(shù)字協(xié)議接口,以及用于結(jié)構(gòu)和聲學(xué)測試的高通道數(shù)數(shù)據(jù)采集和高速圖像采集等。

PCI-SIG是一個被授權(quán)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2.5 GT/s增至5.0 GT/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，同時還對PCI Express Gen1的硬件和軟件完全兼容。工程師和科學(xué)家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PXI平臺的性能。

以PXI為基礎(chǔ)，PXI Express提供了更多的定時和同步功能——100 MHz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(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定時和同步信號外，PXI Express機箱應(yīng)提供這些額外的定時和同步功能。如圖1所示。

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

PXI Express與PXI的后向兼容

當(dāng)PCI Express技術(shù)被集成到PXI中時，基于PXI Express可以實現(xiàn)許多新的應(yīng)用。然而許多現(xiàn)有的PXI應(yīng)用并不會得益于PXI Express的性能提升。諸如數(shù)字萬用表（DMM）、開關(guān)模塊、工業(yè)I/O、低速總線接口、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)范的一個非常有價值的特性就是PCI以及PCI Express信號都可以被路由到新的插槽中去。因此儀器廠商并不需要針對新的PXI Express背板而重新設(shè)計所有的現(xiàn)有板卡模塊。與此相反，儀器廠商會繼續(xù)生產(chǎn)符合PXI信號標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，因為目前的PCI總線架構(gòu)可以滿足這些模塊的數(shù)據(jù)帶寬需求并且所有的混合插槽都支持PCI總線信號，如圖2所示。PXI Express系統(tǒng)同樣強調(diào)軟件兼容性，因此當(dāng)PXI升級到PXI Express系統(tǒng)時，無需更換驅(qū)動和應(yīng)用軟件。

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)范來滿足日益增長的構(gòu)建更大更復(fù)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(xiàn)相互通信（通過PCI Express非透明橋接器NTB），從而為分布式處理應(yīng)用提供了一個擁有多個多核CPU的系統(tǒng)解決方案。

PXImc規(guī)范同樣定義了如何在PXI Express機箱中使用附加控制器來提升系統(tǒng)的總處理能力，這對于一些有大運算量處理要求、同時又有體積或可移動性要求的測試測量應(yīng)用而言，是一個理想解決方案。

從1998年P(guān)XI標(biāo)準(zhǔn)誕生以來，PXI平臺通過兼容最新商業(yè)現(xiàn)成可用(COTS)技術(shù)發(fā)展迅速。這一可重配置的自定義平臺被用于各種有測量、控制或自動化需求的實際應(yīng)用——從前沿研究、軍工和航空、消費電子、通信到過程控制和工業(yè)自動化領(lǐng)域。超過70家公司共同推進(jìn)著PXI標(biāo)準(zhǔn)，保證互操作性，并共同來維護(hù)和推動PXI規(guī)范，確保它能適應(yīng)當(dāng)今與未來測控系統(tǒng)的發(fā)展需求。

圖2 PXI Express背板在集成PCI Express的同時仍然保持著對現(xiàn)有PXI模塊的兼容，用戶可以在得益于帶寬提升的同時保持對現(xiàn)有系統(tǒng)的后向兼容性