PXI：測量業(yè)界的自動化系統(tǒng)標準規(guī)范平臺

概覽
PXI（PCI的儀器擴充）是一個穩(wěn)固的、基于PC的測量與自動化系統(tǒng)平臺。PXI將PCI電氣總線的特性與CompactPCI穩(wěn)固的、模塊化歐卡封裝相結(jié)合，在此基礎上還增加了專門的同步總線和關鍵軟件特性。PXI是一種兼具高性能和低成本的測量與自動化系統(tǒng)部署平臺。這些系統(tǒng)所服務的應用包括制造測試、軍事與航空、機器監(jiān)視、汽車和工業(yè)測試等。 PXI于1997年開始開發(fā)并在1998年發(fā)布，作為一種開放的業(yè)界標準，PXI的引入是為了滿足對復雜儀器系統(tǒng)日益增長的需求。如今，PXI由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXISA）監(jiān)管，該組織由超過70家公司組成，并以推進PXI標準、確?；ゲ僮餍院途S護PXI規(guī)范為宗旨。

硬件架構(gòu)
PXI系統(tǒng)有三個基本組件構(gòu)成——機箱、系統(tǒng)控制器和外設模塊。

PXI機箱
PXI機箱為系統(tǒng)提供穩(wěn)固的模塊化封裝?，F(xiàn)有機箱的尺寸有3U和6U，一般插槽數(shù)從4槽到18槽不等，并且能夠提供如DC電源供電和集成的信號調(diào)理等特殊特性。機箱包含高性能的PXI背板，該背板包括了PCI總線和定時與觸發(fā)總線。使用這些定時與觸發(fā)總線，用戶可以為需要精確同步的應用開發(fā)所需系統(tǒng)。

PXI控制器
正如PXI硬件規(guī)范所定義的，所有的PXI機箱包含一個位于機箱最左邊的系統(tǒng)控制器插槽（插槽1）。可供選擇的控制器包括來自臺式機、工作站、服務器或便攜機的遠程控制器和高性能嵌入式控制器，這些控制器使用Windows 2000/XP或?qū)崟rOS（LabVIEW實時模塊）。

PXI遠程控制器
有兩種類型的PXI遠程控制器：

? PXI的便攜機控制

? PXI的PC控制

PXI的便攜機控制
使用ExpressCard MXI（測量的儀器擴展）和PCMCIA CardBus接口工具包，用戶可以從便攜機直接控制PXI系統(tǒng)。在啟動過程中，便攜式電腦會將PXI系統(tǒng)中的所有外設模塊識別為PCI設備。使用ExpressCard MXI，您可以控制您的PXI系統(tǒng)，使其吞吐量高達214 MB/s。

現(xiàn)在，對于現(xiàn)場測試、車載數(shù)據(jù)錄入以及NVH與NDT等應用，用戶可以通過使用PXI的便攜機控制來充分利用移動PXI系統(tǒng)的優(yōu)勢。您可以購買任何兼容ExpressCard MXI或PCMCIA CardBus的便攜機，以遠程控制您的PXI系統(tǒng)。欲了解更多信息，請參考PXI的便攜機控制。

PXI的PC控制
使用MXI-Express與MXI-4接口工具包，用戶可以從臺式機、工作站或服務器對PXI系統(tǒng)進行直接控制。在啟動過程中，計算機將識別PXI系統(tǒng)中的所有外設模塊為PCI設備。

使用MXI-Express，您可以以高達832 MB/s的穩(wěn)定吞吐量控制您的PXI系統(tǒng)。使用2-端口的MXI-Express接口工具包，用戶可以通過一臺PC同時對兩個PXI系統(tǒng)進行控制。

MXI-4接口工具包具備距離擴展和電氣隔離的低成本銅纜或光纜。如圖4所示，您可以使用MXI-4為高通道數(shù)應用構(gòu)建多機箱PXI系統(tǒng)。使用一個MXI-4連接，您可以實現(xiàn)一個雛菊鏈或星型拓撲的多機箱系統(tǒng)。關于多機箱拓撲配置的更多信息，請參考MXI-4系列用戶手冊。您可以購買任何的臺式機、工作站或服務器，然后使用MXI-Express或MXI-4的串行銅纜/光纜連接，遠程控制您的PXI系統(tǒng)。欲了解更多信息，請參考PXI的PC控制。

PXI嵌入式控制器
嵌入式控制器為PXI機箱提供了一個完整的系統(tǒng)，不再需要外部的PC。典型的PXI嵌入式控制器是由若干集成在一個小尺寸PXI封裝的標準PC組件構(gòu)成。例如，NI PXI-8105控制器包含2.0 GHz Intel Core Duo T2500雙核處理器、高達2GB的DDR2 RAM、一個硬盤驅(qū)動器以及如ExpressCard、高速USB、以太網(wǎng)、串口、并口和GPIB端口等的標準PC外設。 有兩種類型的PXI嵌入式控制器：

? 基于Windows的PXI嵌入式控制器

? PXI實時嵌入式控制器

基于Windows的PXI嵌入式控制器：
基于Windows的PXI嵌入式控制器具備標準的PC特性，如集成的CPU、硬盤驅(qū)動器、RAM、以太網(wǎng)口、視頻、鍵盤/鼠標、串口、USB和其它外設，還有Microsoft Windows和已經(jīng)安裝好的所有設備的驅(qū)動程序。由于該控制器使用Microsoft Windows，所以用戶不會感覺到與PC或便攜機的差別。它也有與您PC或便攜機相似的應用軟件，如Microsoft Office Word、Excel和PowerPoint。

PXI實時嵌入式控制器：
PXI實時嵌入式控制器，除了為測量、自動化和控制提供實時的、確定性的、可靠I/O的實時OS，如LabVIEW實時模塊或VxWorks，還具備標準的PC特性。由于RT系列PXI控制器可以通過以太網(wǎng)配置和編程，您將可以跨網(wǎng)絡發(fā)布一個實時應用，并對其進行遠程監(jiān)控。這些控制器專為有確定性的、可靠性能要求的應用設計，并可以以無交互方式運行（如沒有鍵盤、鼠標或顯示器。）

對于便攜式系統(tǒng)及其包含的“單盒”應用，由于機箱需要不斷移動，故嵌入式控制器是理想之選。了解更多信息，請參考PXI控制器。

PXI外設模塊
NI提供100多個不同的PXI模塊，而且由于PXI是一個開放的業(yè)界標準，所以有來自PXI系統(tǒng)聯(lián)盟的70多個成員的接近1200個產(chǎn)品都可供您選擇。

? 模擬輸入與輸出

? 邊界掃描

? 總線接口與通信

? 載波產(chǎn)品

? 數(shù)字輸入與輸出

? 數(shù)字信號處理

? 功能測試與診斷

? 圖像采集

? 原型板

?儀器

? 運動控制

? 電源

? 接收器互聯(lián)設備

? 開關

? 定時輸入與輸出

? RF與通信

由于PXI與CompactPCI直接兼容，您可以在PXI系統(tǒng)中使用任何3U CompactPCI模塊。您還可以在ni.com/china/pxi找到NI所提供的模塊和我們PXI產(chǎn)品合作伙伴的分類列表。

PXI也通過提供用于與分立儀器或VXI系統(tǒng)進行通信的標準硬件和軟件，保護在這些系統(tǒng)的已有投資。例如，通過PXI-GPIB模塊實現(xiàn)PXI系統(tǒng)與基于GPIB的儀器的互聯(lián)，與通過PCI-GPIB模塊實現(xiàn)這兩者的互聯(lián)，沒有任何不同。軟件是完全相同的。此外，有許多方法可用于構(gòu)建與PXI、USB、LAN/LXI、VXI和分立儀器接口的混合系統(tǒng)。了解更多信息，請參考將在混合系統(tǒng)中集成LXI、USB、PXI Express和其它標準。

軟件架構(gòu)
由于PXI硬件是基于標準PC的技術，如PCI總線以及標準CPU和外設，標準的Windows軟件架構(gòu)對于用戶也不陌生。對基于Windows的PXI系統(tǒng)的開發(fā)和操作，與標準的基于Windows的PC并沒有什么不同。此外，由于PXI背板使用業(yè)界標準的PCI/PCI Express總線，所以在絕大多數(shù)情況下，編寫與PXI設備通信的軟件和PCI設備的對應部分完全相同。例如，與NI PXI-6251多功能數(shù)據(jù)采集模塊通信的軟件，和與基于PC的PCI-6251板卡通信的軟件完全相同。因此，在基于PC的系統(tǒng)與基于PXI的系統(tǒng)間移植軟件時，現(xiàn)有的應用軟件、范例代碼和編程技術都不必重新編寫。

作為基于Windows系統(tǒng)的替代方案，您可以為時序關鍵的應用（此類應用要求確定的循環(huán)速率和無交互式操作，即沒有鍵盤、鼠標或顯示器）采用一種實時軟件架構(gòu)。關于LabVIEW實時模塊與PXI系統(tǒng)結(jié)合使用的其它信息，請訪問www.ni.com/china/realtime。

PXI——業(yè)界標準平臺
每種總線都是獨特的，具有各自優(yōu)勢。例如，USB非常適合臺式機的便捷連接，而LAN/以太網(wǎng)是分布式系統(tǒng)的最佳選擇， PCI和PCI Express則能為ATE提供高性能。對于要求模塊化解決方案的應用，用戶理所當然會期望通過共享機箱、背板和處理器來降低成本并減小尺寸，通過與主處理器的高速連接實現(xiàn)更高的吞吐量，并通過用戶定義的軟件獲得更高的靈活性和更長的生命周期。

基于PCI和下一代PCI Express的PXI是繼GPIB之后增長最快的測試與測量標準。眼下PXI系統(tǒng)聯(lián)盟有70多家，能提供超過1200種的產(chǎn)品，預計到2011年前將有25%的年均增長（Frost Sullivan, 2005），這些都表明PXI很好地滿足了模塊化儀器在目前和未來的需求。本質(zhì)上，一個PXI系統(tǒng)中的所有儀器都共享同一個電源、機箱和控制器。而其它備選方法則是為每一個儀器單獨配置電源、機箱和（或）控制器，這既增加了成本與尺寸，又降低了可靠性。對于PXI，其控制器可以是高性能的位于0插槽的嵌入式控制器、臺式機、便攜機或服務器中的任一個。當您需要更快速的處理時，您可以方便地升級PXI系統(tǒng)的控制器。為復用現(xiàn)有裝置，您可以使用PXI來控制USB、GPIB、LAN/LXI、串口和VXI的儀器。

模塊化儀器需要高帶寬、低時延的總線，來將儀器模塊連接到共享處理器，以執(zhí)行用戶定義的測量。PXI可以滿足上述要求，因為PXI每個插槽的帶寬都可達到2 GB/s。以一個模塊化RF采集系統(tǒng)為例，PXI能夠?qū)蓚€通道的100 MS/s 16位IF數(shù)據(jù)直接傳送至處理器供運算。無論是LAN還是USB，都無法滿足這些要求，所以這樣的儀器總是包括一個嵌入式的、用戶定義的處理器。因此，PXI的高帶寬標準，提供了一種模塊化儀器所需要的真正的軟件定義的方式。

客戶為何選擇PXI？
更高的吞吐量
每個應用都是唯一的，具有其獨特需求的。然而，對于所有應用帶寬和時延始終是一個平臺的兩大重要特性。時延相對單點操作較為重要，如數(shù)字萬用表/開關掃描，而帶寬則對于數(shù)據(jù)流應用較為重要，如波形激勵/響應。通過PCI/PCI Express總線（如圖7所示），PXI為廣泛的應用提供兼具高帶寬和低時延的高速通信。

定時與同步
許多測量與自動化應用需要高級定時和同步能力，但依靠PC標準的I/O總線，如PCI/PCI Express、以太網(wǎng)/LAN和USB等，并不能直接實現(xiàn)這些能力。PXI提供了能夠滿足您的應用需求的高級定時與同步特性：

? 100 MHz差分系統(tǒng)參考時鐘

? 10 MHz參考時鐘信號

? 差分星型觸發(fā)

? 帶有長度匹配的星型觸發(fā)總線可以最小化模塊間的時延和偏移

? 收發(fā)高速定時和觸發(fā)信號的觸發(fā)總線

? 用于多機箱同步的差分信號

系統(tǒng)可靠性
PXI規(guī)范定義了確保PXI系統(tǒng)勝任惡劣環(huán)境所要滿足的要求。PXI的特性在于高性能的IEC（國際電工委員會）連接器和CompactPCI所使用的穩(wěn)固的歐卡封裝系統(tǒng)。PXI規(guī)范還定義了保證工業(yè)環(huán)境中正常操作所需的特殊的冷卻和環(huán)境要求。模塊化方便了您對PXI系統(tǒng)的配置、重新配置和修復，相應地有非常低的平均修復時間（MTTR）。因為PXI是模塊化的，您可以單獨升級某一個模塊和組件，而不必替換整個系統(tǒng)。

更低的系統(tǒng)成本
由于PXI是一個基于PC的平臺，它以合理的價格提供了高精度的測量、同步和定時特性。PC組件的低成本，只是您使用PXI節(jié)約成本的開始。使用PXI，您可以在辦公室和生產(chǎn)車間使用同樣的OS和應用軟件，如MS Excel和Word。對于軟件的熟悉，免除了培訓的成本和每次部署新系統(tǒng)時重新培訓人員的必要。由于PXI以PC技術為基礎，所以您的獲益是多方面的，包括低成本的組件、熟悉的軟件和系統(tǒng)的復用。

PXI平臺的擴展——PXI Express
PXI Express技術是PXI平臺的最新版本。PXI Express規(guī)范將PCI Express信號集成到了PXI標準，使得背板帶寬從132 MB/s增加到6 GB/s——45倍的提高。通過吸納100 MHz差分參考時鐘和差分觸發(fā)器，PXI Express也增強了PXI的定時和同步特性。

PXI Express規(guī)范，在保持后向兼容的同時，為PXI增加了以下特性：

軟件： PCI Express使用與PCI相同的操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序模型，從而保證了基于PCI的系統(tǒng)（如PXI）與基于PCI Express的系統(tǒng)（如PXI Express）間的完全軟件兼容。這樣的軟件兼容性是由PCI特殊利益集團（PCI-SIG）負責，該組織由一些如Intel的公司成員組成，致力于PCI和PCI Express標準的開發(fā)和發(fā)展。

硬件： PXI Express機箱能提供混合的外設插槽，既可接受PXI Express外設模塊，又可接受兼容混合插槽的PXI外設模塊。這些外設插槽能提供PCI和PCI Express的信號。

由于PXI Express保持了與PXI的完全軟件兼容，您可以在PXI Express系統(tǒng)上使用您為先前PXI系統(tǒng)開發(fā)的任何代碼。軟件兼容性覆蓋了操作系統(tǒng)（如Windows XP和Linux）、應用軟件（如Microsoft Office）和用戶代碼（如LabVIEW VI和C++項目）。了解更多信息，請參考PXI Express。

總結(jié)：PXI是測量業(yè)界的標準平臺
PXI模塊化測量技術為測量與自動化用戶定義了一個穩(wěn)固的計算平臺，該平臺顯著地利用了主流PC工業(yè)的技術進步。通過使用標準的PCI/PCI Express總線，PXI模塊化測量系統(tǒng)能夠從廣泛可用的軟硬件組件中獲益。用戶對PXI系統(tǒng)上所運行的軟件應用和OS都已經(jīng)非常熟悉，因為這些軟件已經(jīng)用于普通的臺式機。通過增加穩(wěn)固的工業(yè)封裝、豐富的I/O插槽和提供高級定時與觸發(fā)能力的特性，PXI可以很好的滿足您的各類需求。