一文讀懂PXI架構基礎知識

概述

PXI系統能夠提供高性能模塊化儀器和其他具有特定同步功能和主要軟件功能的I/O模塊，適用于設備驗證和自動化生產測試等測試和測量應用。  要深入了解PXI，請參見圖1中的2張圖片，其中將PXI系統的機箱、控制器和PXI(e)外圍模塊與商用臺式PC的組件進行了比較。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比較

• PXI控制器與臺式機CPU、內存和I/O的比較

• PXI(e)外圍模塊與臺式機PCI(e)外圍模塊的比較

圖1.PXI系統與商用臺式PC的對比。

PXI（PCI儀表擴展）是一款成熟且基于PC的測量和自動化平臺。可提供電源、散熱和通信總線，以支持同一機箱內的多個儀表模塊。PXI使用了基于PC的商用PCI總線技術，同時結合了堅固耐用的CompactPCI模塊化封裝以及重要的定時和同步功能。互連外圍設備專業組(PCI-SIG)在發布PCI的進化版－PCI  Express標準時，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業PC總線技術，實現了PXI到PXI  Express的演變。PXI  Express保留了PXI的功能，以確保系統的向后兼容性，除了具有標準PXI功能外，還提供了更多的帶寬、電源、散熱以及定時和同步功能。

PXI和PXI Express擁有如此豐富的功能，看起來似乎非常復雜，但這些技術有一個共同的核心：主流PC通信總線。PXI和PXI Express機箱為當今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是一個由PXISA管理的開放規范，任何供應商都可以構建PXI產品。為了幫助解釋PXI系統的底層細節，本技術白皮書重點介紹了PXISA所定義的規范，以及這些規范是如何在NI PXI硬件上實現的。

硬件概覽

PXISA硬件規范規定了機械、電氣和軟件架構相關的所有功能要求。PXI  Express規范是CompactPCI和CompactPCI  Express規范的具體體現。圖2所示為如何從機械和電氣方面將CompactPCI和CompactPCI  Express規范與關鍵的PXI特性相結合，從而構建整體架構。本文的后續章節將對這一層次結構的每個部分進行介紹，并解釋它們如何具體應用于PXI。

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選項之間的集成以及兼容程度。

PXI系統中使用的控制器可以是外部PC或嵌入式控制器。嵌入式控制器包括標準功能，如集成CPU、硬盤、內存、以太網、視頻、串行、USB和其他I/O外圍設備。用戶可以在標準Windows環境中開發應用，即與外部PC相同的標準操作系統。

圖3.嵌入式控制器提供多個I/O接口，可與獨立運行的儀器或外圍設備連接。

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

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

借助該連接器，儀器通過背板總線與系統的其他部分進行連接和通信；例如，PCI和PCI Express總線。隨著該規范不斷發展以納入全新的通信總線，這些連接器的配置保持了向后兼容性。我們將會在電氣部分更詳細地進行介紹。

圖5.該規范定義了用于與PXI機箱通信的連接器。

PXI機械規范還包括CompactPCI和CompactPCI Express所沒有的特定散熱和環境改進，以確保在工業環境中可以正常運行。

圖6.了解PXI機箱如何滿足規范中的散熱要求。

電氣架構

電氣架構規定了必須遵守PCI、PCI Express、CompactPCI和CompactPCI Express規格和功率要求。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機箱的核心電氣特性是通信總線。隨著PCI演變成PCI Express，該規范也在不斷發展，通過將PCI Express集成到PXI機箱背板中，確保PXI能夠滿足更多的應用需求。

就傳統儀器而言，PXI支持PCI通信，這是一種通常用于并行傳輸和接收數據的32位總線。PCI儀器的最大帶寬或吞吐量是132  MB/s。由于應用需要更高的帶寬，將PCI  Express定義為通過稱為“lane”的一對發送－接收連接線路來串行傳輸數據，這使得每個方向的數據傳輸速率可達250  MB/s。這種串行連接稱為PCI Express Gen1  x1“鏈路”（乘1）。多條lane組合在一起可形成x2、x4、x8、x16和x32鏈路以增加帶寬。這些鏈路為控制器和儀器所在的插槽之間提供了連接。例如，x16插槽能以4  GB/s (250 MB/s*16)的速度傳輸和接收信息。為了確保與舊PXI儀器和新PXI  Express儀器兼容，PXI機箱內同時集成了PCI和PCI Express通信總線。隨著PCI  Express規范繼續更新，PXI將持續把新的功能納入PXI機箱，同時保持向后兼容性。

圖7.此NI PXIe-1085機箱范例根據插槽支持的模塊類型，突出了路由到每個插槽的PCI和PCI Express線路。

隨著機箱通信總線不斷發展并融入全新的PC技術，PXI外圍模塊已經從PXI發展到PXI Express，以利用PCI  Express通信總線功能。為了確保PXI和PXI  Express模塊之間的兼容性，PXI規范中增加了混合插槽相關要求。該插槽讓用戶能夠在PXI機箱中插入PXI或PXI  Express外圍模塊。PXI機箱可包括以下插槽：

• 系統插槽，支持插入嵌入式或遠程PXI Express控制器

• PXI外設插槽，支持插入PXI模塊

• PXI Express混合外設插槽，支持插入PXI Express外圍模塊、32位CompactPCI外圍模塊和混合兼容的PXI外圍模塊

• 系統定時插槽，可同時支持插入PXI Express外圍模塊和PXI Express系統定時模塊

圖8.PXI機箱內的插槽類型

綜上所述，該規范定義了PXI機箱背板可提供的技術。

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。

除了通信總線之外，電氣規范還定義了定時和同步功能。其中包含PXI 10  MHz系統時鐘的定義，該系統時鐘分配至系統所有的外圍模塊。該通用參考時鐘可用于同步測量或控制系統中的多個模塊。除時鐘功能外，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星型觸發網絡。8條PXI觸發器線路構成了靈活多變、用途廣泛的PXI觸發總線。例如，觸發器可用于同步多個PXI外圍模塊的操作。

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。

對于性能要求更高的應用，該規范通過規定PXI星型觸發網絡，為PXI系統提供了更高性能的同步功能集。星型觸發網絡在系統定時插槽（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實現了一條專用觸發線。定時同步模塊（星型觸發控制器）安裝在該插槽中，為其他外圍模塊提供精確的時鐘和觸發信號。該模塊還具有板載(TCXO，OCXO)、派生(DDS)或外部（銣源）時鐘，可覆蓋PXI機箱的板載VCXO精度，以定義機箱的高頻系統參考時鐘、10  MHz和100 MHz時鐘。

圖11.NI PXIe-1085機箱使用這種星型連接圖，以確保每個插槽之間傳輸延遲的匹配度。

從下圖可以看出PXI觸發總線和PXI星形觸發網絡如何路由至每個插槽。為了確保所有功能間的兼容性，PXI引入SYNC 100來同步機箱內的10 MHz和100 MHz時鐘。

圖12.選擇最合適的配置以確保定時和同步功能可滿足您的應用需求。

軟件概覽

PXI軟件規范定義了軟件架構，這是PXI平臺的關鍵元素。由于PXI是基于軟件定義的儀表架構，PXI本身并不包括硬件中用戶可直接訪問的功能，如顯示屏、旋鈕和按鈕。所有用戶可使用的功能都在軟件中。軟件框架為系統控制器模塊和PXI外圍模塊定義了PXI系統軟件要求。系統控制器模塊和PXI外圍模塊必須滿足操作系統和工具支持的特定要求，才能被視為符合給定的PXI軟件框架。

圖13.PXI軟件架構

PXI規范呈現了基于Microsoft Windows操作系統的PXI系統軟件框架。因此，該控制器可以使用行業標準的應用編程接口，如NI LabVIEW、NI Measurement Studio、Visual Basic、Visual C/C++和Python。PXI還需要模塊和機箱供應商提供某些軟件組件。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必須能夠實現儀表行業廣泛采用的VISA，以配置和控制VXI、GPIB、串行以及PXI儀表。

圖14.該圖顯示了PXI的完整軟件架構。

實際范例：PXI系統內的通信

以一個PXI系統的簡單用例為例子：使用PXI模塊（如NI  PXIe-5451）生成信號。您使用基于Windows的控制器并使用LabVIEW軟件編寫程序。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范例

通信之前，您需要運行一個在LabVIEW中編寫的程序。LabVIEW程序在后臺執行操作序列。以下是實現通信的步驟：

 第1步：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。

第2步：PXI系統控制器將LabVIEW中編寫的命令集傳輸給插在PXI外設插槽中的儀器

在PXI系統控制器的內存和處理器中，機器級代碼轉換為電信號，并沿著PCI或PCI Express通信總線傳輸。在此范例中，PCI Express通信沿著PXI機箱背板運行，用于連接系統控制器和外圍儀器。

第3步：命令通過機箱背板上的通信總線進行傳輸

信號通過PCI Express通信總線傳輸到儀器所在的PXI插槽中。

第4步：代碼傳輸至儀器

PXI模塊讀取發送的命令。在此范例中，NI PXIe-5451生成信號，因此儀器利用模塊上的電路讀取信號，執行所需的動作，生成信號并將其傳輸給模塊前端的連接器。

圖16演示了控制器和實際插槽之間的通信方式。

圖16.通過背板傳輸信號范例