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引言 PXI全稱(chēng)PCI eXtensions for Instrumentation，即面向儀器系統的PCI擴展，是一種基于PC技術(shù)的平臺，為測量和自動(dòng)化系統提供了高性能、高堅固性、低成本的配置方案。 PXI中將PCI(Peripheral Component Interconnect，外圍組件互連)電氣總線(xiàn)與CompactPCI中堅固的、模塊化的歐式機械封裝結合在一起，并增加了專(zhuān)門(mén)的同步總線(xiàn)和一些關(guān)鍵的軟件性能。PXI還增加了一些機械、電氣和軟件方面的性能，定義了用于測試測量、數據采集、生產(chǎn)制造等應用的完整系統。這些系統為生產(chǎn)測試、軍事和航空航天、機器監測、自動(dòng)化和工業(yè)測試等應用提供服務(wù)。 NI在1997年開(kāi)發(fā)并發(fā)布了PXI規范，1998年將其推出成為一種開(kāi)放的工業(yè)規范，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的復雜儀器系統需求。當前，PXI由PXI系統聯(lián)盟 (PXISA)管理，該聯(lián)盟中50多個(gè)公司聯(lián)合起來(lái)一起推進(jìn)該標準的發(fā)展、保證互操作性，并維護PXI規范。因為PXI是一種開(kāi)放的標準，所以任何設備商都可以生產(chǎn)PXI產(chǎn)品。同時(shí)因為PXI規范中一個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)就是與CompactPCI (由PCI工業(yè)計算機制造商小組(PICMG)所提出的標準)之間的互操作性，所以同一個(gè)PXI系統中可以同時(shí)包含CompactPCI和PXI模塊，而不產(chǎn)生任何沖突。 2005年底商業(yè)PC機行業(yè)的總線(xiàn)技術(shù)通過(guò)從PCI演進(jìn)到PCI Express，提高了總線(xiàn)的可用帶寬。與此類(lèi)似，PXI中引入了PXI Express技術(shù)，也顯著(zhù)提高了總線(xiàn)帶寬。PXI將PCI Express集成到PXI標準中，可以滿(mǎn)足更多的應用需求。PCI Express技術(shù)可以集成到背板中，同時(shí)維持與具有廣泛應用基礎的現有系統的后向兼容性。除了x1、x4和x8鏈路外，系統控制器插槽還支持高達x16 的PCI Express鏈路，可以為PXI Express背板提供最高6GB/s的帶寬。利用PCI Express技術(shù)，PXI Express將PXI中的可用帶寬提高了45倍多，即從132MB/s提高到6GB/s；與此同時(shí)，還可以維持與PXI模塊間的軟件、硬件兼容性。正是由于此性能的增強，PXI可以用于很多新型應用領(lǐng)域，其中很多領(lǐng)域在以前只能由昂貴的專(zhuān)用硬件實(shí)現。 硬件架構 PXI系統由三個(gè)基本部分組成——機箱、系統控制器和外圍模塊。 
圖1. 標準的8槽PXI機箱中，包括一個(gè)嵌入式系統控制器和七個(gè)外圍模塊 PXI機箱 PXI機箱為系統提供了堅固的模塊化封裝，通常為4槽、6槽、8槽、14槽或18槽的3U或6U機箱。U(rack unit)是一種測量單位，用來(lái)描述安裝在19或23英寸(指寬度)機架上的設備的高度。1U等于44.45mm(1.75英寸)。裝在機架上的設備的尺寸大小通常用U來(lái)描述。專(zhuān)用機箱還可在交流電源和直流電源中選擇，以及是否集成信號調理功能。很多PXI Express機箱中都可以容納PXI和PXI Express外圍設備，而有些具有混合插槽的機箱（如NI PXIe-1075），還可以容納PXI Express外圍設備或者兼容混合插槽的PXI設備。利用這些機箱可以配置多種PXI系統從而滿(mǎn)足應用需求。
圖2.可選的標準機箱包括NI PXI-1031 (左)和NI PXIe-1075(右)。NI PXI-1031可選擇直流供電，NI PXIe-1075有18個(gè)插槽以用于接插系統控制器和外圍設備 機箱中具有高性能的PXI背板，該背板包括PCI總線(xiàn)，定時(shí)總線(xiàn)以及觸發(fā)總線(xiàn)。PXI模塊化儀器系統中增加了專(zhuān)用的 10MHz系統參考時(shí)鐘、PXI觸發(fā)總線(xiàn)、星形觸發(fā)總線(xiàn)和槽與槽之間的局部總線(xiàn)，從而在保持PCI總線(xiàn)所有優(yōu)勢的同時(shí)，滿(mǎn)足高級定時(shí)、同步和相鄰槽直接通信等應用中的需求。
圖3. PXI的定時(shí)與觸發(fā)總線(xiàn) – PXI在其背板上，將工業(yè)標準的PC機組件（如PCI總線(xiàn)）與高級觸發(fā)和同步擴展組合在一起。 以PXI的功能為基礎，PXI Express中提供了更多的定時(shí)和同步功能——100MHz的差分系統時(shí)鐘、差分信號傳輸以及差分星形觸發(fā)總線(xiàn)。采用差分時(shí)鐘和同步，PXI Express系統中儀器時(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據。
圖4. PXI Express的定時(shí)與觸發(fā)總線(xiàn)擴展了PXI總線(xiàn)的定時(shí)與觸發(fā)總線(xiàn)功能，并在背板中增加了差分系統時(shí)鐘、差分信號傳輸和差分星形觸發(fā)總線(xiàn)。 使用這些定時(shí)與觸發(fā)總線(xiàn)，可以開(kāi)發(fā)出具有精確同步的系統，以滿(mǎn)足應用需求。要了解更多PXI的定時(shí)與觸發(fā)總線(xiàn)規范，請參考NI Developer Zone 文檔 “PXI 規范指南.” 要深入了解定時(shí)和同步的概念，請參考NI Developer Zone指南“分布式時(shí)鐘同步和IEEE 1588精密時(shí)鐘同步協(xié)議介紹.” PXI控制器 大多PXI機箱在最左端的插槽(插槽1)中包含一個(gè)系統控制器插槽。在為您的應用選擇最佳系統控制器時(shí)，有幾種選擇可供參考，包括以臺式機、工作站、服務(wù)器或筆記本電腦作為外部控制器，或者選擇裝有Microsoft操作系統(Windows Vista/XP)或實(shí)時(shí)操作系統(LabVIEW Real-Time)的高性能嵌入式控制器。外部控制器有兩種可選類(lèi)型，分別為通過(guò)筆記本電腦控制PXI或通過(guò)PC機控制PXI。 PXI嵌入式控制器 – 嵌入式控制器無(wú)需使用外部PC機，從而可以使PXI機箱成為一個(gè)完整系統。這些嵌入式控制器具有一些標準特性，如集成有CPU、硬盤(pán)驅動(dòng)器、RAM、以太網(wǎng)口、視頻輸出、鍵盤(pán)/鼠標接口、串口、USB和其他一些外圍設備，以及已安裝好的Microsoft Windows和所有設備驅動(dòng)�；赑XI或者PXI Express的系統中都包含了以上這些特性；您也可以自己選擇操作系統，包括Windows Vista/XP或者LabVIEW Real-Time。 PXI嵌入式控制器一般采用標準的PC機組件，封裝在一個(gè)小巧的PXI封裝中。例如，NI PXI-8108控制器具有一塊2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400的雙核處理器，可選硬盤(pán)驅動(dòng)或者固態(tài)驅動(dòng)器，還具有標準的PC外圍設備，如高速USB、以太網(wǎng)口、串口與并口等等。
圖5. NI PXI-8108控制器中包含一個(gè)2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400雙核處理器嵌入式控制器 對于便攜式系統以及希望易于將系統從一個(gè)地方搬移到另一個(gè)地方的“單箱”應用來(lái)說(shuō)，嵌入式控制器是一個(gè)理想的選擇。要獲得更多信息，請參考NI “PXI 控制器”資料頁(yè)。 通過(guò)筆記本電腦控制PXI– 采用NI ExpressCard MXI (Measurement eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的測量擴展)和PCMCIA CardBus接口套件，您可以直接在筆記本電腦上通過(guò)軟件透明的鏈路連接來(lái)控制PXI系統。開(kāi)機時(shí)，筆記本電腦會(huì )默認PXI系統中的所有外圍模塊都是 PCI板卡，之后您就可以通過(guò)筆記本電腦來(lái)控制這些設備。通過(guò)筆記本電腦控制PXI，需要在筆記本上插入一塊ExpressCard/PCMCIA CardBus卡，并在PXI機箱第1槽中插入一個(gè)PXI/PXI Express連接模塊，兩者之間用銅芯電纜相連。
NI ExpressCard MXI接口套件 PCMCIA CardBus接口套件 圖6.通過(guò)筆記本電腦控制PXI NI ExpressCard MXI接口套件為筆記本電腦和PXI機箱間提供了一個(gè)110MB/s的PCI Express至PCI的橋接。PCMCIA CardBus接口套件則為筆記本電腦和PXI機箱間提供了一個(gè)50 MB/s的PCI至PCI橋接。這樣，通過(guò)筆記本電腦控制PXI，可以實(shí)現移動(dòng)的/便攜的PXI系統。任何與NI ExpressCard MXI 或 PCMCIA CardBus兼容的筆記本電腦都可以用來(lái)遠程控制PXI系統。要獲得更多信息，請參考NI “通過(guò)筆記本電腦控制PXI”資料頁(yè)。 PXI的PC機控制 – 采用NI MXI-Express和MXI-4接口套件，您可以直接從臺式機、工作站或服務(wù)器電腦上控制PXI系統。您可以在PC機上通過(guò)軟件透明和驅動(dòng)透明的連接鏈路來(lái)控制PXI系統。開(kāi)機時(shí)，電腦系統會(huì )默認PXI系統中的所有外圍模塊都是PCI板卡，所以您可以通過(guò)控制器來(lái)使用這些設備。通過(guò)PC機控制PXI，需要在電腦中插入一塊PCI/PCI Express板卡，并在PXI機箱第1槽中插入一個(gè)PXI/PXI Express模塊，兩者之間用銅芯電纜或光纖電纜相連。
圖7a. 采用雙端口MXI-Express的遠程控制可以同時(shí)控制兩個(gè)PXI機箱，總吞吐率為160MB/s MXI-Express接口套件為PC機和PXI機箱間提供了一個(gè)110MB/s的PCI Express至PCI的橋接。采用NI PXI-PCIe8362雙端口接口套件，可以通過(guò)同一臺PC機同時(shí)控制兩個(gè)PXI系統。您還可以利用MXI-Express接口，通過(guò)3m或7m的銅芯電纜來(lái)配置星形拓撲結構的多機箱PCI系統。這種接口與x1、x4、x8和x16的PCI Express插槽兼容，因此該可選方案適用于大部分的臺式電腦。要獲得更多關(guān)于MXI-Express的信息，請參考MXI- Express系列用戶(hù)手冊。
圖7b. 采用MXI-4的遠程控制，可以實(shí)現通過(guò)PC機控制PXI以及多機箱的PXI系統 MXI-4接口套件為PC機和PXI系統間提供了一個(gè)78 MB/s的PCI至PCI橋接。MXI-4接口套件中有低成本銅芯電纜鏈接選擇，也有針對遠距離應用和電氣隔離應用的光纖鏈接選擇。如圖7b所示，您還可以采用MXI-4創(chuàng )建多機箱的PXI系統。采用MXI-4鏈接，您可以實(shí)現菊花鏈式或星形拓撲結構的多機箱系統。要了解更多關(guān)于多機箱配置的拓撲結構信息，請參考MXI- 4系列用戶(hù)手冊。 采用PXI外部控制器，您可以通過(guò)臺式電腦或筆記本電腦來(lái)遠程控制PXI系統，從而以最低的成本獲得最優(yōu)的處理器性能。由于所有的外部控制產(chǎn)品都是軟件透明的，所以不需要額外的編程。您可以購買(mǎi)多臺臺式電腦、工作站或服務(wù)器電腦，然后使用MXI-Express或者銅芯/ 光纖電纜的MXI-4串行鏈接，來(lái)遠程控制PXI系統。要獲得更多信息，請參考NI“通過(guò)PC機控制PXI”資料頁(yè)。 PXI外圍設備 因為PXI是一種開(kāi)放的工業(yè)標準，所以目前共有來(lái)自70多家設備商的1500多種模塊，NI公司可以提供200多種不同的PXI模塊。
要了解更多關(guān)于NI PXI模塊的信息，請參考NI PXI 模塊資料頁(yè)。在接下來(lái)的PXI頁(yè)中，將給出由NI公司及其PXI產(chǎn)品合作伙伴所提供的各種模塊的分類(lèi)列表。 PXI為各種應用——從高分辨率的直流應用到6GHz的射頻應用——提供了具有業(yè)界最高帶寬和最低延時(shí)的總線(xiàn)和模塊化 I/O。因為PXI大多都與CompactPCI兼容，所以您可以在PXI或者PXI Express系統中使用很多3U或6U尺寸的CompactPCI模塊。另外，您還可以使用轉接模塊在PXI系統中安裝CardBus/PCMCIA和 PMC (PCI Mezzanine Card，PCI夾層卡)板卡。例如,利用NI PXI-8221 PC Card轉接模塊，您可以將CardBus和PCMCIA設備接入PXI系統。NI公司提供了多種PXI模塊，可用于儀器系統、數據采集、開(kāi)關(guān)切換、運動(dòng)控制、機器視覺(jué)、高級同步以及與其它總線(xiàn)的接口，基于這些模塊您可以構建出各種各樣的PXI系統。 PXI系統還支持標準的用于多種總線(xiàn)通信的軟件和硬件，從而使您對于獨立儀器或VXI系統的既有投資不致浪費。例如，使用PXI-GPIB模塊將基于GPIB的儀器連接到PXI系統中與使用PCI-GPIB卡直接進(jìn)行儀器控制沒(méi)有任何區別。這兩種方法所用的是同一種軟件。此外，多種PXI與VXI的接口方法可供選擇。要了解更多關(guān)于混合系統的知識，請參考NI Developer Zone指南 “將LXI、USB、PXI Express和其他標準集成到一個(gè)混合測試系統中.”。 軟件架構 基于Windows的PXI系統的開(kāi)發(fā)與操作與標準的基于Windows的PC機系統的開(kāi)發(fā)與操作差異性很小。另外，因為PXI背板使用的是工業(yè)標準的PCI總線(xiàn)，所以大多情況下，對PXI模塊的軟件編程也與PCI板卡一樣。因此，將基于PC系統的程序移植到PXI系統時(shí)，無(wú)需重寫(xiě)現有的應用程序和示例代碼。 PXI Express系統同樣也具有軟件方面的兼容性，從而可以保護您在軟件方面的既有投資。由于PCI Express使用了與PCI相同的驅動(dòng)和操作系統模型，這些規范就保證了與基于PCI系統的軟件兼容性。因此，設備商和客戶(hù)都不需要改變驅動(dòng)或應用軟件來(lái)適應基于PCI Express的系統。 由于PXI和PXI Express系統可以使用與PCI相同的驅動(dòng)，因此控制NI PXI-6251多功能數據采集模塊的軟件與控制PC機中NI PCI-6251板卡的軟件是完全相同的。
圖8. 兩種不同的封裝使用同一軟件標準。就軟件而言，與PXI模塊(下方)通信和與PCI板卡(上方)通信是一樣的。 對于要求確定性循環(huán)速率和無(wú)頭操作(即沒(méi)有鍵盤(pán)、鼠標或顯示器)的、具有嚴格時(shí)間確定性要求的應用來(lái)說(shuō)，可以使用實(shí)時(shí)軟件架構替代基于Windows的系統。實(shí)時(shí)操作系統可以幫助你按照優(yōu)先級順序對任務(wù)進(jìn)行排序，從而使處理器在必要時(shí)總會(huì )優(yōu)先處理最重要的任務(wù)。這樣，應用程序的執行結果就完全可以預測，而且抖動(dòng)更小。要獲得更多關(guān)于使用LabVIEW Real-Time的PXI系統的信息，請訪(fǎng)問(wèn)ni.com/realtime。 PXI規范中提出了基于Microsoft Windows操作系統的PXI系統軟件框架。因此，控制器可以使用工業(yè)標準的應用程序接口，如NI LabVIEW、LabWindows™/CVI、Measurement Studio、Visual Basic、Visual C/C++等等。PXI組件需要初始化文件以定義系統配置和系統功能。最后，還需要采用虛擬儀器軟件架構(Virtual Instrument Software Architecture，即已被儀器領(lǐng)域廣泛采納的VISA)，來(lái)實(shí)現對VXI、GPIB、串口和PXI儀器的配置和控制。 總結 PXI模塊化儀器系統利用主流PC中的先進(jìn)技術(shù)，定義了一種堅固的、可用于測量和自動(dòng)化的計算平臺。該系統還充分利用標準的PCI總線(xiàn)技術(shù)，受益于廣泛使用的軟件和硬件組件。PXI系統中的軟件程序和操作系統早已用在日常的臺式PC中，所以我們也很熟悉。PXI中還增加了堅固的工業(yè)封裝、大量的I/O插槽，以及高級的定時(shí)與觸發(fā)功能，可充分滿(mǎn)足您的應用需求。 來(lái)源：NI公司 |
