PXI ——主流自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)

PXI技術(shù)概覽
PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）不僅是一個(gè)總線技術(shù)，同時(shí)也是一個(gè)基于PC技術(shù)的模塊化I/O的標(biāo)準(zhǔn)，為基于PC技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量與控制系統(tǒng)架構(gòu)添加了集成的定時(shí)和同步功能、工業(yè)級(jí)的堅(jiān)固設(shè)計(jì)，以及更多的通道數(shù)。自1997年由NI公司提出以來(lái)，現(xiàn)在PXI已經(jīng)成為一個(gè)受到全球超過(guò)70家廠商共同支持的標(biāo)準(zhǔn)。

通常一個(gè)PXI系統(tǒng)由機(jī)箱、控制器與模塊化I/O三部分所組成（見(jiàn)圖1）。在PXI標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)模塊化儀器和CPU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵膬?nèi)部數(shù)據(jù)總線是帶寬達(dá)到132MB/s的PCI總線。此外，PXI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中需要一個(gè)專用的定時(shí)和觸發(fā)總線，以進(jìn)行不同模塊之間的同步（見(jiàn)圖2）。使用PXI架構(gòu)，用戶可以得益于PC技術(shù)的低成本、易用性以及靈活性，并且便于隨PC技術(shù)發(fā)展為系統(tǒng)進(jìn)行性能升級(jí)。無(wú)論您是準(zhǔn)備構(gòu)建一個(gè)儀器平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、或是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，PXI的開(kāi)放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)特性都能夠幫助降低系統(tǒng)的總成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)性能和帶寬，使系統(tǒng)集成工作變得輕松簡(jiǎn)單，同時(shí)確保系統(tǒng)具有長(zhǎng)期可維護(hù)性。

圖1 典型的PXI系統(tǒng)組成

圖2 PXI背板集成的數(shù)據(jù)總線與定時(shí)/觸發(fā)總線

PXI的廣泛應(yīng)用
PXI標(biāo)準(zhǔn)由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXISA）進(jìn)行管理，這是一個(gè)由世界各地超過(guò)70家公司共同簽約的聯(lián)盟，其宗旨是為了推動(dòng)PXI標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，保證標(biāo)準(zhǔn)的交互操作性，并維護(hù)PXI規(guī)范。隨著PXI已成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，一些世界領(lǐng)先的測(cè)試系統(tǒng)供應(yīng)商也將他們的測(cè)試解決方案轉(zhuǎn)向PXI平臺(tái)，包括NI、Agilent、Pickering在內(nèi)的許多測(cè)試設(shè)備廠商均已將PXI視為模塊化儀器的主流標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)PXI聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截止2010年5月，全球已部署的PXI系統(tǒng)已經(jīng)超過(guò)10萬(wàn)套，而部署的模塊更是多達(dá)60萬(wàn)個(gè)以上。PXI已成為主流的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)。

70余家PXISA成員現(xiàn)在提供超過(guò)1500種PXI外圍模塊，包括模擬和數(shù)字I/O、高速儀器、視覺(jué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制、各類總線接口，以及基于FPGA可重配置的I/O模塊等。用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊靈活構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試或控制系統(tǒng)。除了齊備的功能之外，PXI更是一個(gè)高性能平臺(tái)，許多業(yè)內(nèi)最高性能的儀器設(shè)備都是基于PXI平臺(tái)的，包括高達(dá)24位分辨率的數(shù)字化儀（NI PXI-5922）、最精確的71/2位數(shù)字萬(wàn)用表（NI PXI-4071）、具有超低相位噪聲和底噪的矢量信號(hào)分析儀（NI PXIe-5665）等等。由于PXI的模塊化特性，便于廠商在第一時(shí)間利用最新技術(shù)（如最新ADC、ASIC、FPGA等）推出新產(chǎn)品，從而使PXI用戶在最大程度保持投資的同時(shí)可以通過(guò)模塊升級(jí)享受最新技術(shù)帶來(lái)的性能提升。

作為PXI標(biāo)準(zhǔn)的提出者和倡導(dǎo)者，NI在過(guò)去13年中發(fā)布了超過(guò)400種PXI產(chǎn)品，僅在2010年就發(fā)布了48款PXI新產(chǎn)品，不斷拓展基于PXI的模塊化測(cè)試系統(tǒng)性能和應(yīng)用范圍；同時(shí)不斷為PXI平臺(tái)引入最新商用技術(shù)（如最新多核處理器、PCI Express、FPGA等），并持續(xù)對(duì)PXI產(chǎn)品提供軟件（包括驅(qū)動(dòng)）的升級(jí)維護(hù)以及技術(shù)支持。

從消費(fèi)電子、半導(dǎo)體、汽車(chē)、軍事和航空，到醫(yī)療設(shè)備測(cè)試等等，PXI已經(jīng)成為一系列測(cè)試測(cè)量應(yīng)用的理想平臺(tái)。無(wú)論應(yīng)用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證，還是生產(chǎn)線測(cè)試的機(jī)架式應(yīng)用，或是為車(chē)載數(shù)據(jù)記錄開(kāi)發(fā)便攜式或嵌入式系統(tǒng)，PXI都有合適的解決方案。

PXI Express–將PCI Express技術(shù)整合到PXI背板
作為最新的PC總線技術(shù)，PCI Express在與PCI保持兼容的同時(shí)，提供更高的總線帶寬，同時(shí)擁有非常低的傳輸延遲，這一點(diǎn)在LAN、USB和GPIB等其他設(shè)備上都是無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。在x1的模式下，PCI Express能夠在一個(gè)基本通信通道的單個(gè)方向上提供250Mb/s的帶寬，而在x16的模式下，帶寬更可以高達(dá)4Gb/s。與PCI的共享總線帶寬不同，基于PCI Express的I/O設(shè)備與CPU之間的通路帶寬可以是獨(dú)享的，從而進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的總帶寬。

圖3 所有PCI Express插槽具有專用的帶寬來(lái)連接PC內(nèi)存，無(wú)須像傳統(tǒng)PCI那樣共享帶寬

依靠高性能、模塊化的硬件架構(gòu)以及良好的兼容性，PCI Express已經(jīng)有能力解決許多測(cè)試測(cè)量應(yīng)用中的新問(wèn)題。而之前這些問(wèn)題都只能依靠昂貴的專用設(shè)備，例如通信系統(tǒng)測(cè)試中的高帶寬IF儀器、高速數(shù)字協(xié)議接口（包括基于LVDS的專用協(xié)議、CameraLink、以及其他接口）、多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

NI繼將PCI技術(shù)帶入基于PC的測(cè)量和測(cè)試應(yīng)用之后，又將PCI Express技術(shù)整合到PXI中，推出PXI Express，同時(shí)確保對(duì)原有PXI平臺(tái)提供長(zhǎng)期支持。通過(guò)在背板上利用PCI Express技術(shù)，PXI Express大大提高了PXI帶寬，且與PXI模塊保持軟件和硬件上的兼容性（PXI Express定義的“混合插槽”允許在同一個(gè)插槽中安裝PXI或PXI Express模塊）。除了PXI現(xiàn)有的定時(shí)和同步功能，PXI Express還提供了附加的定時(shí)和同步功能，包括100MHz差分系統(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)、以及差分星形觸發(fā)（見(jiàn)圖4）。通過(guò)使用差分時(shí)鐘和同步，PXI Express系統(tǒng)增加了對(duì)儀器時(shí)鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時(shí)鐘信號(hào)。

圖4 在PXI平臺(tái)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，PXI Express提供了附加的定時(shí)和同步功能，實(shí)現(xiàn)了更高精度的測(cè)量
 

此外，PCI Express還引入Peer-to-Peer的通訊方式，使得系統(tǒng)中的不同PCI Express模塊之間可以不經(jīng)過(guò)控制器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NI已將這一技術(shù)運(yùn)用于PXI Express系統(tǒng)，相關(guān)硬件和軟件支持PXI模塊之間數(shù)據(jù)的直接傳輸——例如，PXIe數(shù)字化儀可以將采集到的數(shù)據(jù)直接通過(guò)背板傳輸給帶有FPGA的PXIe模塊進(jìn)行自定義處理，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。

以PXI/PXI Express為核心構(gòu)建混合總線測(cè)試系統(tǒng)
開(kāi)放的PXI/PXI Express平臺(tái)也提供用于與VXI系統(tǒng)或分立儀器進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)硬件和軟件，包括GPIB、USB、LAN、Serial等接口。事實(shí)上，許多實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)都不是基于單一總線的，而是一個(gè)混合總線系統(tǒng)，比如既有PXI設(shè)備，又有基于GPIB的傳統(tǒng)儀器，但是PXI更適合作為這種混合總線系統(tǒng)的核心。一方面，作為一種內(nèi)部總線，PXI具有最大的數(shù)據(jù)傳輸速率和最低的延時(shí)，保證其不會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i；另一方面，PXI平臺(tái)的硬件基于標(biāo)準(zhǔn)PC技術(shù)（如PCI/PCI Express總線、通用的CPU和外圍設(shè)備，同時(shí)主流的Windows軟件構(gòu)架對(duì)用戶來(lái)說(shuō)也非常熟悉），基于PXI系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和操作就像使用標(biāo)準(zhǔn)的基于Windows的PC機(jī)一樣方便，也便于升級(jí)維護(hù)。NI一直免費(fèi)提供業(yè)內(nèi)最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，并持續(xù)對(duì)其進(jìn)行更新。任何人只要訪問(wèn)ni.com/idnet即可下載8000多種儀器驅(qū)動(dòng)程序，快速實(shí)現(xiàn)與基于各種總線的第三方設(shè)備之間的連接通信。

圖5  以PXI為核心構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

軟件與服務(wù)的重要作用
盡管PXI具有顯而易見(jiàn)的靈活性與開(kāi)放性優(yōu)勢(shì)，但相比傳統(tǒng)儀器，基于PXI的模塊化儀器需要廠商能提供更好的軟件支持與技術(shù)服務(wù)。許多模塊化儀器都被用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，這就要求廠商能夠提供靈活易用的應(yīng)用程序接口(API) 以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，從而在集成系統(tǒng)中充分發(fā)揮模塊化I/O的硬件性能。針對(duì)某些特殊應(yīng)用（如視頻測(cè)試、半實(shí)物仿真等），如果廠商能提供專業(yè)軟件工具，就可以進(jìn)一步幫助用戶高效實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。針對(duì)這一情況，NI提出了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的五層參考架構(gòu)（見(jiàn)圖6），其中上面三層均是軟件層次。NI在每個(gè)層次都可以為用戶提供合適的選擇。

圖6  以軟件為核心的模塊化測(cè)試系統(tǒng)五層架構(gòu)

此外，由于PXI系統(tǒng)往往需要經(jīng)過(guò)用戶或集成商的二次開(kāi)發(fā)以滿足具體的應(yīng)用需求，因此，供應(yīng)商是否具備足夠的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、能否提供良好的技術(shù)支持與服務(wù)也成為用戶選擇PXI產(chǎn)品時(shí)的重要考慮。

總結(jié)與展望
PXI作為測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，利用現(xiàn)成即用的商業(yè)技術(shù)提升了測(cè)試系統(tǒng)的性能，同時(shí)降低了系統(tǒng)的成本。標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)技術(shù)使PXI系統(tǒng)以驚人的速度在測(cè)試和控制應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的接受，已成為這一領(lǐng)域的主流平臺(tái)。同時(shí)隨著PXI新產(chǎn)品功能的日益豐富，各種新應(yīng)用不斷被開(kāi)辟。PCI Express技術(shù)是PXI未來(lái)發(fā)展的大方向，在保證向后兼容性的同時(shí)，必將使平臺(tái)擴(kuò)展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域中。

同時(shí)，PXI標(biāo)準(zhǔn)本身也在不斷發(fā)展。去年年底通過(guò)的PXImc(PXI MultiComputing)規(guī)范中定義了通過(guò)PCI Express背板或線纜直接連接PXImc設(shè)備（可以是PXI控制器或其他設(shè)備）的方式，從而可以在同一PXI機(jī)箱中載有多個(gè)控制器，或者直接通過(guò)PCI Express連接不同的PXI系統(tǒng)或其他設(shè)備，進(jìn)而滿足復(fù)雜運(yùn)算或分布式應(yīng)用的需求。PXImc在保證向后兼容的同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展了PXI的應(yīng)用范圍，我們期待開(kāi)放的PXI技術(shù)在未來(lái)有更廣闊的發(fā)展空間。