PXI總線體系結(jié)構(gòu)

1、PXI總線體系結(jié)構(gòu)、引言自1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司(NationalInstrumentsCorp.簡(jiǎn)稱NI)推出虛擬儀器(VirtualInstruments,簡(jiǎn)稱VI)的概念以來(lái)，VI這種計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用。在VI系統(tǒng)中，用靈活、強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特征的解析，使儀器中的一些硬件、甚至整件儀器從系統(tǒng)中“消失”，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。但是，在GPIBPC-DAVXI三種VI體系結(jié)構(gòu)中，GPIB實(shí)質(zhì)上是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)儀器功能的擴(kuò)展

2、與延伸；PC-DAQft接利用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線，沒(méi)有儀器所需要的總線性能；而第一次構(gòu)建VXI系統(tǒng)尚需較大的投資強(qiáng)度。1997年9月1日，NI發(fā)布了一種全新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范PXI。PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展(PCIeXtensionsforInstrumentation),它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺(tái)式PC的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來(lái)，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。PXI這種新型模塊化儀器系統(tǒng)

3、是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。它通過(guò)增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于進(jìn)行精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間高速通訊的局部總線來(lái)滿足試驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求。PXI規(guī)范在CompactPCI機(jī)械規(guī)范中增加了環(huán)境測(cè)試和主動(dòng)冷卻要求以保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。PXI將Microsoft?WindowsNT?和Microsoft?Windows95?定義為其標(biāo)準(zhǔn)軟件框架，并要求所有的儀器模塊都必須帶有按VISA規(guī)范編寫(xiě)的WIN32設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使PXI成為一種系統(tǒng)級(jí)規(guī)范，保證系統(tǒng)的易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低最終用戶的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。二、PXI機(jī)械

4、規(guī)范及其特性由CompactPCI規(guī)范引入的Eurocard堅(jiān)固封裝形式和高性能的IEC連接器被應(yīng)用于PXI所定義的機(jī)械規(guī)范，使PXI系統(tǒng)更適于在工業(yè)環(huán)境下使用，而且也更易于進(jìn)行系統(tǒng)集成。1、與CompactPCI共享的PXI機(jī)械特性PXI提供了兩條與CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)兼容的途徑：(1)高性能IEC連接器PXI應(yīng)用了與CompactPCI相同的、一直被用在象遠(yuǎn)距離通訊等高性能領(lǐng)域的高級(jí)針-座連接器系統(tǒng)。這種由IEC-1076標(biāo)準(zhǔn)定義的高密度（2mm可距）阻抗匹配連接器可以在各種條件下提供盡可能好的電氣性能。（2）Eurocard機(jī)械封裝與模塊尺寸PXI和CompactPCI的結(jié)構(gòu)形狀完全

5、采用了ANSI310-C、IEC-297和IEEE1101.1等在工業(yè)環(huán)境下具有很長(zhǎng)應(yīng)用歷史的Eurocard規(guī)范。這些規(guī)范支持小尺寸（3U=100mm160mm和大尺寸（6U=233.35mm160mm兩種結(jié)構(gòu)尺寸。IEEE1101.10和IEEE1101.11等最新的Eurocard規(guī)范中所增加的電磁兼容性（EMC）用戶可定義的關(guān)鍵機(jī)械要素、以及其它有關(guān)封裝的條款均被移植到PXI規(guī)范中。這些電子封裝標(biāo)準(zhǔn)所定義的堅(jiān)固而緊湊的系統(tǒng)特性使PXI產(chǎn)品可以安裝在堆疊式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上，并保證在惡劣工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用時(shí)的可靠性。圖3所示的是PXI儀器模塊的兩種主要結(jié)構(gòu)尺寸及其接口連接器，其中，J1連接器上定義了

6、標(biāo)準(zhǔn)的32-bitPCI總線，所有的PXI總線性能定義在J2連接器上。PXI機(jī)箱背板上包括可連接J1和J2連接器的所有PXI性能總線，對(duì)儀器模塊來(lái)講，這些總線可以有選擇地使用。是用于說(shuō)明一個(gè)完整PXI系統(tǒng)的基本組成部分。PXI規(guī)定系統(tǒng)槽（相當(dāng)于VXI的零槽）位于總線的最左端，而CompactPCI系統(tǒng)槽則可位于背板總線的任何地方。PXI規(guī)范定義唯一確定的系統(tǒng)槽位置是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，并增加來(lái)自不同廠商的機(jī)箱與主控機(jī)之間的互操作性。PXI還規(guī)定主控機(jī)只能向左擴(kuò)展其自身的擴(kuò)展槽，不能向右擴(kuò)展而占用儀器模塊插槽。2、新增加的電氣封裝規(guī)范除了將CompactPCI規(guī)范中的所有機(jī)械規(guī)范直接移植進(jìn)PXI規(guī)

7、范之外，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，PXI還增加了一些CompactPCI所沒(méi)有的要求。如前所述，PXI機(jī)箱中的系統(tǒng)槽必須位于最左端，而且主控機(jī)只能向左擴(kuò)展以避免占用儀器模塊插槽。PXI還規(guī)定模塊所要求的強(qiáng)制冷卻氣流流向必須由模塊底部向頂部流動(dòng)。PXI規(guī)范建議的環(huán)境測(cè)試包括對(duì)所有模塊進(jìn)行溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，并以書(shū)面形式提供試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，PXI規(guī)范還規(guī)定了所有模塊的工作和存儲(chǔ)溫度范圍。3、與CompactPCI的互操作性如圖5所示，PXI的重要特性之一是維護(hù)了與標(biāo)準(zhǔn)CompactPCI產(chǎn)品的互操作性。但許多PXI兼容系統(tǒng)所需要的組件也許并不需要完整的PXI總線特征。例如，用戶或許要在PXI機(jī)箱中

8、使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CompactPCI網(wǎng)絡(luò)接口模塊，或者要在標(biāo)準(zhǔn)CompactPCI機(jī)箱中使用PXI兼容模塊。在這些情況下，用戶所需要的是模塊的基本功能而不是完整的PXI特性。三、PXI規(guī)范的電氣性能表1PXI與VXI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展性能比較參考時(shí)鐘觸發(fā)線星形總線局部總線VXI10MHzECL8TTL&2ECL僅D尺寸系統(tǒng)12線PXI10MHzTTL8TTL每槽一根13線許多儀器應(yīng)用場(chǎng)合需要而ISA總線、PCI總線或CompactPCI背板總線所沒(méi)有的系統(tǒng)定時(shí)能力，PXI總線通過(guò)增加專門(mén)的系統(tǒng)參考時(shí)鐘、觸發(fā)總線、星形觸發(fā)線和模塊間的局部總線來(lái)滿足高精度定時(shí)、同步與數(shù)據(jù)通信要求。PXI不

9、僅在保持PCI總線所有優(yōu)點(diǎn)的前提下增加了這些儀器特性，而且可以比臺(tái)式PCI計(jì)算機(jī)多提供三個(gè)儀器插槽，使單個(gè)PXI總線機(jī)箱的儀器模塊插槽總數(shù)達(dá)到7個(gè)。PCI總線與VXI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展性能比較參見(jiàn)表2-7。1、參考時(shí)鐘PXI規(guī)范定義了將10MH參考時(shí)鐘分布到系統(tǒng)中所有模塊的方法。該參考時(shí)鐘可被用作同一測(cè)量或控制系統(tǒng)中的多卡同步信號(hào)。由于PXI嚴(yán)格定義了背板總線上的參考時(shí)鐘，而且參考時(shí)鐘所具有的低時(shí)延性能使各個(gè)觸發(fā)總線信號(hào)的時(shí)鐘邊緣更適于滿足復(fù)雜的觸發(fā)協(xié)議。2、觸發(fā)總線如表1所示，PXI不僅將ECL參考時(shí)鐘改為T(mén)TL參考時(shí)鐘，而且只定義了8根TTL觸發(fā)線，不再定義ECL邏輯信號(hào)。這是因?yàn)楸Ａ?/p>

10、ECL邏輯電平需要機(jī)箱提供額外的電源種類，從而顯著增加PXI的整體成本，有悖于PXI作為21世紀(jì)主流測(cè)試平臺(tái)的初衷。使用觸發(fā)總線的方式可以是多種多樣的。例如，通過(guò)觸發(fā)線可以同步幾個(gè)不同PXI模塊上的同一種操作，或者通一個(gè)PXI模塊可以控制同一系統(tǒng)中其它模塊上一系列動(dòng)作的時(shí)間順序。為了準(zhǔn)確地響應(yīng)正在被監(jiān)控的外部異步事件，可以將觸發(fā)從一個(gè)模塊傳給另一個(gè)模塊。一個(gè)特定應(yīng)用所需要傳遞的觸發(fā)數(shù)量是隨事件的數(shù)量與復(fù)雜程度而變化的。3、星形觸發(fā)PXI星形觸發(fā)總線為PXI用戶提供了只有VXID尺寸系統(tǒng)才具有的超高性能(Ultra-highperformance)同步能力。如圖6所示，星形觸發(fā)總線是在緊鄰系統(tǒng)槽

11、的第一個(gè)儀器模塊槽與其它六個(gè)儀器槽之間各配置了一根唯一確定的觸發(fā)線形成的。在星形觸發(fā)專用槽中插入一塊星形觸發(fā)控制模塊，就可以給其它儀器模塊提供非常精確的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)然，如果系統(tǒng)不需要這種超高精度的觸發(fā)，也可以在該槽中安裝別的儀器模塊。應(yīng)當(dāng)提出，當(dāng)需要向觸發(fā)控制器報(bào)告其它槽的狀態(tài)或報(bào)告其它槽對(duì)觸發(fā)控制信號(hào)的響應(yīng)情況時(shí)，就得使用星形觸發(fā)方式。PXI系統(tǒng)的星形觸發(fā)體系具有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：一是保證系統(tǒng)中的每個(gè)模塊有一根唯一確定的觸發(fā)線，這在較大的系統(tǒng)中，可以消除在一根觸發(fā)線上組合多個(gè)模塊功能這樣的要求，或者人為地限制觸發(fā)時(shí)間。二是每個(gè)模塊槽中的單個(gè)觸發(fā)點(diǎn)所具有的低時(shí)延連接性能，保證了系統(tǒng)中每個(gè)模塊間非

12、常精確的觸發(fā)關(guān)系。4、局部總線如圖6所示，PXI局部總線是每個(gè)儀器模塊插槽與左右鄰槽相連的鏈狀總線。該局部總線具有13線的數(shù)據(jù)寬度，可用于在模塊之間傳遞模擬信號(hào)，也可以進(jìn)行高速邊帶通訊而不影響PCI總線的帶寬。局部總線信號(hào)的分布范圍包括從高速TTL信號(hào)到高達(dá)42V的模擬信號(hào)。5、PCI性能除了PXI系統(tǒng)具有多達(dá)八個(gè)擴(kuò)展槽(一個(gè)系統(tǒng)槽和七個(gè)儀器模塊槽)，而絕大多數(shù)臺(tái)式PCI系統(tǒng)僅有三個(gè)或四個(gè)PCI擴(kuò)展槽這點(diǎn)差別之外，PXI總線與臺(tái)式PCI規(guī)范具有完全相同的PCI性能。而且，利用PCI-PCI橋技術(shù)擴(kuò)展多臺(tái)PXI系統(tǒng)，可以使擴(kuò)展槽的數(shù)量理論上最多能擴(kuò)展到256個(gè)。其它的PCI性能還包括 33MHz

13、性能32-bit和64-bit數(shù)據(jù)寬度 132MB/s(32-bit)和264MB/s(64-bit)的峰值數(shù)據(jù)吞吐率通過(guò)PCI-PCI橋技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展 即插即用功能四、軟件性能像其它的總線標(biāo)準(zhǔn)體系一樣，PXI定義了保證多廠商產(chǎn)品互操作性的儀器級(jí)(即硬件)接口標(biāo)準(zhǔn)。與其它規(guī)范所不同的是PXI在電氣要求的基礎(chǔ)上還增加了相應(yīng)的軟件要求，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成。這些軟件要求就形成了PXI的系統(tǒng)級(jí)(即軟件)接口標(biāo)準(zhǔn)。PXI的軟件要求包括支持MicrosoftWindowsNT和95(WIN32)這樣的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)框架，要求所有儀器模塊帶有配置信息(configurationinformation)和支

14、持標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)開(kāi)發(fā)環(huán)境(如NI的LabVIEWLabWindows/CVI和Microsoft的VC/C+VB和Borland的C+等)、而且符合VISA規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(WIN32devicedrivers)。對(duì)其它沒(méi)有軟件標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線硬件廠商來(lái)說(shuō)，他們通常不向用戶提供其設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，用戶通常只能得到一本描述如何編寫(xiě)硬件驅(qū)動(dòng)程序的手冊(cè)。用戶自己編寫(xiě)這樣的驅(qū)動(dòng)程序，其工程代價(jià)（包括要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)、人力、物力和時(shí)間）是很大的。PXI規(guī)范要求廠商而非用戶來(lái)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使PXI系統(tǒng)更容易集成和使用。PXI規(guī)范還規(guī)定了儀器模塊和機(jī)箱制造商必須提供用于定義系統(tǒng)能力和配置情況的初始化文件等其它一些軟件要求初始化文件所提供的這些信息是操作軟件用來(lái)正確配置系統(tǒng)必