PXI構架及應用教程 - 全文

為了幫助您更深入地了解PXI，請參見圖1 中的兩張圖片。該圖片將PXI系統的機箱、控制器及PXI(e)外圍模塊與商用臺式機組件進行了比較。關鍵在于了解PXI的組成架構及其如何匹配商用PC技術：

PXI機箱與臺式機機箱的對比

PXI控制器與臺式機CPU、內存、I/O的對比

PXI(e)外圍模塊與臺式機PCI(e)外圍模塊的對比

圖 1. PXI系統與商用臺式機的對比

PXI(面向儀器系統的PCI擴展) 是一個基于PC的成熟平臺，適用于測量和自動化系統。它提供了電源、冷卻和通信總線來支持同一機箱內的多個儀器模塊。PXI采用基于PC的商用PCI總線技術，但同時結合了堅固的CompactPCI模塊化封裝以及重要的定時和同步功能。

外圍部件互連專業組(PCI-SIG)發布了PCI的進化版——PCI Express標準，顯著提高了系統帶寬。負責管理PXI的PXI系統聯盟(PXISA)采用了最新一代的商用PC總線技術，實現了PXI到PXI Express的演變。 PXI Express保持了PXI功能，以確保系統的向后兼容性，除了具有標準的PXI功能外，它還提供了更高的帶寬、電源、冷卻、定時和同步功能。

PXI和PXI Express擁有如此豐富的功能，看起來似乎非常復雜，但是，這些技術的核心是相同的：主流PC通信總線。 PXI和PXI Express機箱為當代工程師的測量和自動化系統提供了一個應用廣泛的成熟架構。

由于PXI是由PXISA管理的開放式規范，任何廠商都可開發PXI產品。為了更好地解釋底層PXI系統細節，本文重點介紹了PXISA制定的PXI規范,以及這些規范如何在NI PXI硬件中得到體現。

硬件概覽

The PXISA 硬件規范規定了與機械、電子和軟件架構相關的所有要求。PXI Express規范是CompactPCI與CompactPCI Express規范的具體體現。圖2顯示了這些機械和電子特性如何將CompactPCI與CompactPCI Express規范與主要PXI功能相結合來構建總體架構。本文后面幾節將會對這一層次結構的每個部分進行介紹，并解釋它們具體是如何應用到PXI中。

圖 2. PXI整體架構

機械架構

機械架構規定了CompactPCI、CompactPCI Express、PXI和PXI Express之間的物理兼容性。例如，機械架構規定系統控制器應連接PXI機箱最左邊的插槽，以確保系統控制器位于PCI總線部分的左端。該位置的規定簡化了機箱與控制器之間的集成以及它們之間的兼容程度。

PXI系統中使用的控制器可以是外部PC，也可以是嵌入式控制器。嵌入式控制器包含了集成CPU、硬盤驅動器、內存、以太網、視頻、串口、USB和其他I/ O外設等標準功能。您可以在標準的Windows環境下來開發應用程序——與外部PC相同的標準操作系統。

圖 3. 嵌入式控制器提供了一系列I/O接口來連接獨立運行的儀器或外圍設備。

PXI規范沿用了CompactPCI and CompactPCI Express的高性能IEC連接器和堅固EuroCard封裝系統。

圖 4. NI PXI-8430具有類似于EuroCard的封裝和高性能IEC連接器。

儀器通過該連接器和背板的總線（如PCI和PCI Express總線）與系統的其余部分相連接和進行通信。隨著規范不斷發展以納入最新通信總線，這些連接器配置保持了向后兼容性。在電子架構部分我們將會更詳細進行介紹。

圖 5. 規范定義了用于與PXI機箱通信的連接器。

PXI的機械規范還包括CompactPCI與CompactPCI Express所沒有的冷卻和環境要求，以確保PXI在任何工業環境中都能正常運行。

圖 6. 了解PXI機箱如何滿足規范中的冷卻要求

電子架構

電子架構必須遵循PCI、PCI Express、CompactPCI和CompactPCI Express的規范及功率要求。它還增加了特定的定時和同步功能，使PXI成為適用于高性能測試和測量的獨特平臺。

PXI機箱的核心電子特性是通信總線。隨著PCI演變成PCI Express，規范也發生了相應變化，以確保PCI Express可以集成到PXI機箱背板中來滿足更多的應用需求。

對于傳統儀器， PXI支持PCI通信——通常用于并行發送和接收數據的32位總線。PCI儀器最大帶寬的或吞吐量為132 MB / s。隨著應用需要更高的帶寬，PCI Express的數據通過稱為“lane”的一對發送-接收連接線路來串行傳輸數據，每個方向的數據的傳輸速率可達250 MB / s。該串行連接被稱為PCI Express Gen1 X1“鏈路”（乘1）。多條lane可以組合在一起，形成x2、x4、x8、x16和x32鏈路來提高帶寬。這些鏈路為控制器和裝有儀器的插槽之間提供了連接。例如， x16插槽可以發送和接收4 GB/s ( 250 MB/s* 16)的數據。為了確保與舊PXI儀器和新PXI Express儀器的兼容性， PXI機箱內同時集成了PCI和PCI Express通信總線。隨著PCI Express規范的演變， PXI將繼續把新的功能納入PXI機箱中，同時保持向后兼容性。

圖 7. NI PXIe-1085機箱這一范例突出了每條PCI和PCI Express總線根據插槽支持的模塊類型路由至每個插槽。

隨著機箱通信總線不斷發展以集成最新PC技術，PXI外圍模塊也從PXI演變成PXI Express，以利用PCI Express通信總線的功能。為了確保PXI和PXI Express模塊之間的兼容性，PXI規范將混合插槽納入其中。該插槽使您能夠在PXI機箱上插入PXI或PXI Express外圍模塊。PXI機箱包含以下插槽：

系統插槽，用于插入嵌入式或遠程PXI Express控制器

PXI外設插槽，用于插入PXI模塊

PXI Express混合外設插槽，用于插入PXI Express外圍模塊、32位CompactPCI外圍模塊和混合兼容PXI外圍模塊

系統定時插槽，用于插入PXI Express外圍模塊和PXI Express系統定時模塊

圖 8. PXI機箱內包含的插槽類型

綜上所述，PXI規范定義了PXI機箱背板可提供的所有技術。

圖 9. PXI機箱集成了最新的通信總線，這些總線路由至不同的插槽選項，以滿足外圍模塊的需求。

除了通信總線，電子規范還定義了定時和同步功能，其中包含分配至系統所有外圍模塊的PXI 10 MHz系統時鐘的定義。這一共用參考時鐘可用于同步測量或控制系統中的多個模塊。除了時鐘，PXI還具有觸發功能，如多支觸發總線和具有長度匹配的線路的星形觸發網絡。八條PXI觸發線組成了PXI觸發總線，該總線非常靈活，具有多種不同的使用方式。例如，觸發器可用于同步多個PXI外圍模塊之間的運行。

圖 10. NI PXIe-1085機箱PXI觸發總線連接圖顯示了觸發傳輸至PXI外圍模塊的方式。

對于需要更高性能的應用，該規范通過規定PXI星形觸發網絡來為PXI系統提供了更高性能的同步功能。星形觸發網絡成為了系統定時插槽（插槽序號旁邊有標注，PXI和PXI Express分別以菱形和正方形表示）和其他外設插槽之間的專用觸發線。定時和同步模塊——星形觸發控制器——安裝在系統定時插槽上，用于為其他外圍模塊提供精確的時鐘和觸發信號。另外，該模塊還具有板載(TCXO, OCXO)、衍生(DDS)或外部（銣源）時鐘，可覆蓋PXI機箱的板載VCXO精確度，以定義機箱的高頻率系統參考時鐘、10 MHz和100 MHz時鐘。

圖 11. NI PXIe-1085機箱采用該星形連接圖來確保每個插槽之間的傳輸延遲匹配。

從下圖可以看出PXI觸發總線和PXI星形觸發網絡路由至每個插槽。為了確保這些功能之間的兼容性，PXI引入了SYNC 100來同步機箱內的10 MHz和100 MHz時鐘。

圖 12. 選擇最適合的配置來確保定時和同步功能能夠滿足您的應用需求。

系統概述

PXI軟件規范還定義了軟件架構，這是PXI平臺一個非常重要的元素。由于PXI基于軟件定義的儀器架構，PXI的硬件本身不包含用戶可直接訪問的功能，如顯示屏、旋鈕和按鍵。所有用戶可訪問的功能均是在軟件上。該軟件框架定義了系統控制器模塊和PXI外圍模塊的PXI系統軟件要求。系統控制器模塊和PXI外圍模塊必須滿足特定的操作系統和工具支持需求，才能被視為兼容給定的PXI軟件框架。

圖 13. PXI軟件架構

PXI規范規定了基于Microsoft Windows操作系統的PXI系統的軟件框架。因此，控制器可以使用行業標準的應用程序編程接口，如NI LabVIEW、NI Measurement Studio、Visual Basic和Visual C/ C + +。 PXI還需要由模塊和機箱供應商提供的特定軟件組件。對于PXI組件，用于定義系統配置和系統功能的初始化文件是必需的。最后，規范還規定了PXI必須能夠實現儀器儀表行業廣泛采用的VISA，以配置和控制VXI、GPIB、串口以及PXI儀器。

圖 14. 該圖顯示了PXI的完整軟件架構。

實際示例：PXI系統內的通信
舉一個PXI系統的簡單用例：使用PXI模塊（如NI PXIe-5451）生成信號。您使用的是基于Windows的控制器并使用LabVIEW軟件來編寫程序。LabVIEW通過儀器驅動程序與儀器進行通信。Measurement & Automation Explorer (MAX)用于確保系統的設置可支持該通信。

圖 15. 硬件設置和軟件環境示例

如果要開始通信，需要運行一個使用LabVIEW編寫的程序。LabVIEW程序在后臺執行操作序列。以下是實現通信的步驟：

步驟1：在PXI系統控制器上運行LabVIEW
編寫應用程序代碼，該代碼會被編譯并被轉化為機器級代碼。

步驟2： PXI系統控制器將以LabVIEW編寫的命令集傳送至插到PXI外設插槽的儀器中。
在PXI系統控制器內存和處理器中，機器級代碼轉化為電信號，并沿著PCI或PCI Express通信總線傳輸。在本例中， PXI機箱背板上運行的是PCI Express通信，用于將系統控制器與外設儀器相連接。

步驟3：命令通過機箱背板上的通信總線進行傳輸
信號通過PCI Express通信總線傳輸至裝有儀器的PXI插槽。

步驟4：代碼傳輸至儀器
PXI模塊讀取發送過來的命令。在本例中，NI PXIe-5451生成信號后，儀器通過模塊上的電路讀取信號，然后執行所需的操作，生成信號后，將其傳輸至模塊前端的連接器。

圖 16 顯示了控制器和實際插槽之間的通信方式。