縱觀整個(gè)自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域，我們可以看到一些明顯的趨勢(shì)：從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的每個(gè)階段，不斷提高的信號(hào)速率要求測(cè)試設(shè)備緊跟高速信號(hào)的測(cè)試要求；單一待測(cè)設(shè)備往往集成了多種不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，這就需要測(cè)試系統(tǒng)能夠足夠靈活地適應(yīng)不斷更新的標(biāo)準(zhǔn)；從商業(yè)角度考慮，縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間的壓力也與日俱增，這就需要進(jìn)一步縮短測(cè)試時(shí)間，然而另一方面往往又需要進(jìn)行更多的測(cè)試項(xiàng)目保證產(chǎn)品質(zhì)量；此外，對(duì)制造業(yè)的自動(dòng)化測(cè)試而言，測(cè)試設(shè)備的體積和功耗已經(jīng)無法再隨著測(cè)試需求線形增長(zhǎng)。
PXI平臺(tái)的出現(xiàn)提供了一種 “out of the box (打破成規(guī))”的解決方案。PXI作為一種開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，于1997年提出，并于1998年正式發(fā)布，滿足了不斷增加的復(fù)雜儀器系統(tǒng)需求。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(cè)試測(cè)量廠商。本文將對(duì)PXI規(guī)范進(jìn)行概述并介紹一些最新發(fā)展。
概述
PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一種基于PC技術(shù)的面向測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的堅(jiān)固平臺(tái)。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。一個(gè)PXI系統(tǒng)由三個(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(cè)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CompactPCIVME和VXI采用，在工業(yè)環(huán)境中有長(zhǎng)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(cè)試儀器的體積，并降低功耗。多種I/O和模塊化儀器可以集成在一個(gè)PXI機(jī)箱中；模塊的供電電源對(duì)這些模塊的可靠使用起著關(guān)鍵作用，不同廠商的PXI機(jī)箱提供不同的功率，在選擇PXI系統(tǒng)時(shí)候應(yīng)選擇一個(gè)提供足夠大功率的機(jī)箱。除了提供電源之外，PXI規(guī)范還要求對(duì)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(cè)試，包括溫度測(cè)試、濕度測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試以及電流沖擊測(cè)試。所有的PXI產(chǎn)品都應(yīng)該能提供這些測(cè)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(cè)試以保證可以符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。
PXI硬件規(guī)范還定義，所有的PXI機(jī)箱都包含一個(gè)位于機(jī)箱最左邊的系統(tǒng)控制器插槽（槽位1）。可以選擇的控制器可以是運(yùn)行Microsoft Windows操作系統(tǒng)或者是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式控制器，也可以是來自臺(tái)式機(jī)、工作站、服務(wù)器或者便攜式計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制器。
• 多模塊和多機(jī)箱之間的同步
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(zhǎng)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），可進(jìn)一步提高系統(tǒng)參考時(shí)鐘的精度。這樣可以用這個(gè)具有更高穩(wěn)定性的參考時(shí)鐘來取代背板的10MHz時(shí)鐘。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(cè)到的觸發(fā)信號(hào)。
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。
圖1. PXI及PXI Express機(jī)箱為模塊化系統(tǒng)集成提供了最佳的定時(shí)和同步性能
除了使用基于信號(hào)的方法來同步PXI及PXI Express系統(tǒng)，也可以基于絕對(duì)時(shí)間實(shí)現(xiàn)同步。通過附加的定時(shí)模塊，可以使用包括GPS、IEEE-1588或者IRIG-B在內(nèi)的多種方式提供絕對(duì)時(shí)間。這些協(xié)議通過數(shù)據(jù)包的方式傳輸時(shí)間信息，因此系統(tǒng)可基于這些時(shí)間信息進(jìn)行同步。如果PXI系統(tǒng)之間的部署距離很遠(yuǎn)，共享實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)或觸發(fā)信號(hào)比較困難，在這種情況下，就可以依靠像GPS這樣的信號(hào)源來同步不同PXI系統(tǒng)的測(cè)量任務(wù)。除了電氣要求外，為了使系統(tǒng)集成變得更簡(jiǎn)易，PXI同樣規(guī)定了對(duì)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(duì)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)使，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
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（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)用領(lǐng)域，其中很多領(lǐng)域在以前只能由昂貴的專用硬件實(shí)現(xiàn)。例如，基于PCI Express，一個(gè)1GB/s數(shù)據(jù)帶寬的數(shù)字化儀可以通過一條直接路徑與CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這個(gè)傳輸速度大約是32位數(shù)據(jù)位寬、33MHz主頻PCI總線所能提供的速率的8倍。這樣，利用PCI Express技術(shù)，一個(gè)高分辨率的16位中頻數(shù)字化儀或者信號(hào)發(fā)生器就可以以高達(dá)500MHz的采樣率實(shí)現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)流連續(xù)傳輸，不受總線帶寬制約，也不受與其他模塊共享帶寬的限制。
特別地，在國(guó)防和航空航天自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域，PXI Express所擁有的更高的帶寬為許多應(yīng)用提供了新的解決方案：
• 利用高帶寬的中頻儀器進(jìn)行通信系統(tǒng)測(cè)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(cè)試的高通道數(shù)數(shù)據(jù)采集
• 高速圖像采集
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。
PXI Express與PXI的后向兼容
當(dāng)PCI Express技術(shù)被集成到PXI中，基于PXI Express實(shí)現(xiàn)許多新應(yīng)用的同時(shí)，許多現(xiàn)有的PXI應(yīng)用并不會(huì)得益于PXI Express的性能提升。比方說，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、以及許多主流的發(fā)生器和分析儀等I/O應(yīng)用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PCI以及PCI Express信號(hào)都可以被路由到新的插槽中去。其結(jié)果是， 擁有PXI模塊的用戶也可以把基于PXI規(guī)格的儀器插入PXI Express的機(jī)箱，從而保持之前的投資, 儀器廠商也不需要針對(duì)新的PXI Express背板而重新設(shè)計(jì)所有的現(xiàn)有板卡模塊， 與此相反，儀器廠商會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)符合PXI信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，因?yàn)槟壳暗腜CI總線架構(gòu)可以滿足這些模塊的數(shù)據(jù)帶寬需求并且所有的混合插槽都支持PCI總線信號(hào)（圖3）。
圖3. PXI Express背板在集成PCI Express的同時(shí)仍然保持著對(duì)現(xiàn)有PXI模塊的兼容，用戶可以在得益于帶寬提升的同時(shí)保持對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的后向兼容性
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(duì)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。
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，以滿足日益增長(zhǎng)的構(gòu)建更大更復(fù)雜測(cè)控系統(tǒng)的需要。這些系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)共同點(diǎn)在于，工程師需要以最小的延遲來傳輸和處理大量的數(shù)據(jù)。PCI Express能提供數(shù)千兆Byte每秒的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量及微秒級(jí)的延遲，因此，PCI Express能夠很好的適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。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)。
PXImc規(guī)范同樣也允許處理系統(tǒng)使用板載的PCI Express非透明橋接器，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Peer-to-Peer）的方式實(shí)現(xiàn)PXImc設(shè)備和其他PCI Express板卡之間通信。正是因?yàn)檫@個(gè)特性，可以在PXI Express機(jī)箱的非控制器插槽中安置這種處理器模塊，實(shí)現(xiàn)與PXI Express板卡通信，若有需要的話，再通過機(jī)箱背板的PCI Express總線與系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行通信。在PXI機(jī)箱中使用附屬控制器的這種方法極大提升了單一系統(tǒng)的總處理能力，同時(shí)仍保持著緊湊而穩(wěn)固的系統(tǒng)集成，這對(duì)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(cè)試測(cè)量應(yīng)用而言，是一個(gè)理想解決方案。
總結(jié)
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(cè)量、控制或自動(dòng)化需求的實(shí)際應(yīng)用——從前沿研究、軍工和航空、消費(fèi)電子、通信到過程控制和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，PXI被選為數(shù)千種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。
超過70家公司共同推進(jìn)著PXI標(biāo)準(zhǔn)，保證互操作性，并共同來維護(hù)PXI規(guī)范。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(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展需求。
