PXI规范与最新发展概览

2011-03-21NI中国市场经理朱君

电子技术应用 2011年6期

NI中国市场经理朱君

随着商业PC的总线技术从PCI演进到了PCI Express，显著地拓展了总线的可用带宽，同时PXI也将PCI Express集成到PXI标准中，以满足更多的应用需求。PCI工业制造商协会PICMG（管理CompactPCI标准）与PXI系统联盟共同努力，确保PXI背板中集成了PCI Express技术之后，仍然维持与原有系统的后向兼容性。通过利用PCI Express技术PXI中的可用带宽从132 MB/s提高到6 GB/s，提高了45倍多。与此同时，还可以保留与原有PXI模块间的软件、硬件兼容性。正是由于此性能的增强，PXI可用于许多新的应用领域，其中很多应用在以前只能由昂贵的专用硬件实现。

PXI规范概览

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)标准将CompactPCI标准(具有PCI电气总线特性，同时具有坚固的、模块化的欧卡封装)与专用同步总线和软件特性结合在一起。作为一种开放的工业标准,PXI于1997年提出，并于1998年正式发布。今天，PXI规范由PXI系统联盟(www.pxisa.org)管理和维护。PXI系统由三个基本部分组成——机箱、控制器以及外围I/O模块。基于PXI的这种模块化架构，实现了系统部分组件的单独升级，并且可以使测试系统能快速利用这些升级的组件所带来的新技术。

PXI规范的设计对于测控环境要求、仪器体积、多仪器同步、自定义测控系统集成等要求提供了解决方案。PXI规范定义了PXI系统能胜任恶劣环境所要满足的要求：(1)能在严酷的工业环境下工作。阻抗匹配的高性能IEC接口在各种条件下都能提供最好的电气性能。PXI的机械封装采用了欧卡结构(该结构也被CompactPCI VME和VXI采用)，在工业环境中有长期成功的应用历史。此外，PXI规范还定义了保证工业环境中操作所需的特殊冷却和环境要求。(2)通过共享硬件资源以减小体积。在模块化架构下，所有模块化仪器可以共享控制器、电源以及显示单元，从而可以显著减小测试仪器的体积，并降低功耗。PXI规范还要求对所有的机箱进行强制的空气冷却并推荐进行完整的环境测试，包括温度测试、湿度测试、振动测试以及电流冲击测试。所有的PXI产品都应该能提供这些测试结果文件，并提供工作及储存温度范围。PXI规范同样要求进行电磁兼容性测试以保证可以符合相关国际标准的要求。(3)内置定时和触发信号。PXI系统的一个关键优势在于集成了定时和同步特性，减少不同仪器之间实现触发和同步功能的复杂性。PXI机箱背板上整合了一个10 MHz的专用系统参考时钟，通过等长的背板走线传输到各插槽，各插槽之间的时钟偏差小于1 ns，10 MHz系统时钟的精度是由机箱决定的，典型值小于25 ppm，并且通过在机箱的星形触发插槽（槽位2）安装一块具有更稳定时钟源的板卡(例如拥有板载OCXO的NI PXI-6653)，可进一步提高系统参考时钟的精度。这样可以用这个具有更高稳定性的参考时钟来取代背板的10 MHz时钟。不同模块上速率更高的采样时钟可以锁相至该稳定的10 MHz参考时钟，从而提高多个模块化仪器之间的同步性能。(4)为了使系统集成变得更简易，PXI同样规定了对软件的要求。这些要求包括使用标准操作系统架构，以及对所有外围设备模块使用合适的配置信息和软件驱动。

PXI规范的最新发展

PXI Express可以用于很多新型应用领域，其中很多领域在以前只能由昂贵的专用硬件实现。例如利用高带宽的中频仪器进行通信系统测试、高速数字协议接口,以及用于结构和声学测试的高通道数数据采集和高速图像采集等。

PCI-SIG是一个被授权致力于PCI总线规范开发的组织，于2007年1月公布了PCI Express 2.0规范（也被称为PCI Express Gen2）。PCI Express Gen2规范将总线的传输速率从2.5 GT/s增至5.0 GT/s，相当于在PCI Express Gen1的基础上使数据传输速率增加了一倍，同时还对PCI Express Gen1的硬件和软件完全兼容。工程师和科学家期待着融合这一新的发展成果的PXI Express产品的出现，以进一步增强PXI平台的性能。

以PXI为基础，PXI Express提供了更多的定时和同步功能——100 MHz的差分系统时钟、差分信号传输以及差分星形触发总线。采用差分时钟和同步，PXI Express系统中仪器时钟的抗噪声性能进一步提高，并且可以以更高速率传输数据。因此，除了标准的PXI定时和同步信号外，PXI Express机箱应提供这些额外的定时和同步功能。如图1所示。

图1 PXI及PXI Express机箱为模块化系统集成提供了最佳的定时和同步性能

PXI Express与PXI的后向兼容

当PCI Express技术被集成到PXI中时，基于PXI Express可以实现许多新的应用。然而许多现有的PXI应用并不会得益于PXI Express的性能提升。诸如数字万用表（DMM）、开关模块、工业I/O、低速总线接口、以及许多主流的发生器和分析仪等I/O应用并不需要背板新增的带宽。因此，PXI Express规范的一个非常有价值的特性就是PCI以及PCI Express信号都可以被路由到新的插槽中去。因此仪器厂商并不需要针对新的PXI Express背板而重新设计所有的现有板卡模块。与此相反，仪器厂商会继续生产符合PXI信号标准的产品，因为目前的PCI总线架构可以满足这些模块的数据带宽需求并且所有的混合插槽都支持PCI总线信号，如图2所示。PXI Express系统同样强调软件兼容性，因此当PXI升级到PXI Express系统时，无需更换驱动和应用软件。

PXImc

继将PCI Express技术引入PXI规范之后，PXI系统联盟于2009年11月发布了PXI MultiComputing(PXImc)规范来满足日益增长的构建更大更复杂测控系统的需要。PXImc通过定义特别的硬件和软件接口，允许不同的PXI Express系统（分别拥有各自独立的控制器）通过PCI Express总线实现相互通信（通过PCI Express非透明桥接器NTB），从而为分布式处理应用提供了一个拥有多个多核CPU的系统解决方案。

PXImc规范同样定义了如何在PXI Express机箱中使用附加控制器来提升系统的总处理能力，这对于一些有大运算量处理要求、同时又有体积或可移动性要求的测试测量应用而言，是一个理想解决方案。

从1998年PXI标准诞生以来，PXI平台通过兼容最新商业现成可用(COTS)技术发展迅速。这一可重配置的自定义平台被用于各种有测量、控制或自动化需求的实际应用——从前沿研究、军工和航空、消费电子、通信到过程控制和工业自动化领域。超过70家公司共同推进着PXI标准，保证互操作性，并共同来维护和推动PXI规范，确保它能适应当今与未来测控系统的发展需求。