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(shù)的面向測試測量和自動(dòng)化應(yīng)用的堅(jiān)固平臺(tái)。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)聯(lián)盟由超過70多家公司組成，其中包括全球眾多領(lǐng)先的測試測量廠商。本文將對PXI規(guī)范進(jìn)行概述并介紹一些最新發(fā)展。

PXI標(biāo)準(zhǔn)將CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)（具有PCI電氣總線特性，同時(shí)具有堅(jiān)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。PXI系統(tǒng)由3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)，并且可以使測試系統(tǒng)能快速利用這些升級(jí)的組件所帶來的新技術(shù)。

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，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(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用硬件(proprietary hardware)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。

● 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試儀器的體積，并降低功耗。 PXI規(guī)范還要求對所有的機(jī)箱進(jìn)行強(qiáng)制的空氣冷卻并推薦進(jìn)行完整的環(huán)境測試，包括溫度測試、濕度測試、振動(dòng)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(chǔ)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。

● 多模塊和多機(jī)箱之間的同步
PXI系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于集成了定時(shí)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的專用系統(tǒng)參考時(shí)鐘（圖1），通過等長的背板走線傳輸?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，典型值小于百萬分之25（25ppm），并且通過在機(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） 來取代背板的10MHz時(shí)鐘，達(dá)到更高穩(wěn)定性。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傳輸線組成的觸發(fā)總線，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到的觸發(fā)信號(hào)。

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

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。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。

● 為進(jìn)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(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(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)時(shí)，無須更換驅(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(qiáng)，PXI Express可以用于很多新型應(yīng)用，例如：

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

*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（包括基于LVDS的專用協(xié)議、IEEE 1394、光纖信道等）

*用于結(jié)構(gòu)和聲學(xué)測試的高通道數(shù)數(shù)據(jù)采集

*高速圖像采集
PCI-SIG——一個(gè)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2.5GT/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。

當(dāng)PCI Express技術(shù)被集成到PXI中，可以基于PXI Express實(shí)現(xiàn)許多新應(yīng)用，不過許多現(xiàn)有的PXI儀器，諸如數(shù)字萬用表（DMM）、開關(guān)模塊、工業(yè)I/O、低速總線接口等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)值的方面就是后向兼容：儀器廠商并不需要針對新的PXI Express背板而重新設(shè)計(jì)所有的現(xiàn)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(jī)箱，從而保持之前的投資。

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(dú)立的控制器）通過PCI Express總線實(shí)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(gè)擁有多個(gè)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(jī)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(yùn)算量處理要求、同時(shí)又有體積或有可移動(dòng)性要求的測試測量應(yīng)用而言，是一個(gè)理想解決方案。

總結(jié)
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)今與未來測控系統(tǒng)的發(fā)展需求。從1998年P(guān)XI標(biāo)準(zhǔn)誕生以來，PXI平臺(tái)發(fā)展迅速，被用于各種有測量、控制或自動(dòng)化需求的實(shí)際應(yīng)用，PXI被選為數(shù)千種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。