PXI規范與最新發展概覽

NI中國市場經理 朱君

隨著商業PC的總線技術從PCI演進到了PCI Express，顯著地拓展了總線的可用帶寬，同時PXI也將PCI Express集成到PXI標準中，以滿足更多的應用需求。PCI工業制造商協會PICMG（管理CompactPCI標準）與PXI系統聯盟共同努力，確保PXI背板中集成了PCI Express技術之后，仍然維持與原有系統的后向兼容性。通過利用PCI Express技術PXI中的可用帶寬從132 MB/s提高到6 GB/s，提高了45倍多。與此同時，還可以保留與原有PXI模塊間的軟件、硬件兼容性。正是由于此性能的增強，PXI可用于許多新的應用領域，其中很多應用在以前只能由昂貴的專用硬件實現。

PXI規范概覽

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)標準將CompactPCI標準(具有PCI電氣總線特性，同時具有堅固的、模塊化的歐卡封裝)與專用同步總線和軟件特性結合在一起。作為一種開放的工業標準,PXI于1997年提出，并于1998年正式發布。今天，PXI規范由PXI系統聯盟(www.pxisa.org)管理和維護。PXI系統由三個基本部分組成——機箱、控制器以及外圍I/O模塊。基于PXI的這種模塊化架構，實現了系統部分組件的單獨升級，并且可以使測試系統能快速利用這些升級的組件所帶來的新技術。

PXI規范的設計對于測控環境要求、儀器體積、多儀器同步、自定義測控系統集成等要求提供了解決方案。PXI規范定義了PXI系統能勝任惡劣環境所要滿足的要求：(1)能在嚴酷的工業環境下工作。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的機械封裝采用了歐卡結構(該結構也被CompactPCI VME和VXI采用)，在工業環境中有長期成功的應用歷史。此外，PXI規范還定義了保證工業環境中操作所需的特殊冷卻和環境要求。(2)通過共享硬件資源以減小體積。在模塊化架構下，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試儀器的體積，并降低功耗。PXI規范還要求對所有的機箱進行強制的空氣冷卻并推薦進行完整的環境測試，包括溫度測試、濕度測試、振動測試以及電流沖擊測試。所有的PXI產品都應該能提供這些測試結果文件，并提供工作及儲存溫度范圍。PXI規范同樣要求進行電磁兼容性測試以保證可以符合相關國際標準的要求。(3)內置定時和觸發信號。PXI系統的一個關鍵優勢在于集成了定時和同步特性，減少不同儀器之間實現觸發和同步功能的復雜性。PXI機箱背板上整合了一個10 MHz的專用系統參考時鐘，通過等長的背板走線傳輸到各插槽，各插槽之間的時鐘偏差小于1 ns，10 MHz系統時鐘的精度是由機箱決定的，典型值小于25 ppm，并且通過在機箱的星形觸發插槽（槽位2）安裝一塊具有更穩定時鐘源的板卡(例如擁有板載OCXO的NI PXI-6653)，可進一步提高系統參考時鐘的精度。這樣可以用這個具有更高穩定性的參考時鐘來取代背板的10 MHz時鐘。不同模塊上速率更高的采樣時鐘可以鎖相至該穩定的10 MHz參考時鐘，從而提高多個模塊化儀器之間的同步性能。(4)為了使系統集成變得更簡易，PXI同樣規定了對軟件的要求。這些要求包括使用標準操作系統架構，以及對所有外圍設備模塊使用合適的配置信息和軟件驅動。

PXI規范的最新發展

PXI Express可以用于很多新型應用領域，其中很多領域在以前只能由昂貴的專用硬件實現。例如利用高帶寬的中頻儀器進行通信系統測試、高速數字協議接口,以及用于結構和聲學測試的高通道數數據采集和高速圖像采集等。

PCI-SIG是一個被授權致力于PCI總線規范開發的組織，于2007年1月公布了PCI Express 2.0規范（也被稱為PCI Express Gen2）。PCI Express Gen2規范將總線的傳輸速率從2.5 GT/s增至5.0 GT/s，相當于在PCI Express Gen1的基礎上使數據傳輸速率增加了一倍，同時還對PCI Express Gen1的硬件和軟件完全兼容。工程師和科學家期待著融合這一新的發展成果的PXI Express產品的出現，以進一步增強PXI平臺的性能。

以PXI為基礎，PXI Express提供了更多的定時和同步功能——100 MHz的差分系統時鐘、差分信號傳輸以及差分星形觸發總線。采用差分時鐘和同步，PXI Express系統中儀器時鐘的抗噪聲性能進一步提高，并且可以以更高速率傳輸數據。因此，除了標準的PXI定時和同步信號外，PXI Express機箱應提供這些額外的定時和同步功能。如圖1所示。

圖1 PXI及PXI Express機箱為模塊化系統集成提供了最佳的定時和同步性能

PXI Express與PXI的后向兼容

當PCI Express技術被集成到PXI中時，基于PXI Express可以實現許多新的應用。然而許多現有的PXI應用并不會得益于PXI Express的性能提升。諸如數字萬用表（DMM）、開關模塊、工業I/O、低速總線接口、以及許多主流的發生器和分析儀等I/O應用并不需要背板新增的帶寬。因此，PXI Express規范的一個非常有價值的特性就是PCI以及PCI Express信號都可以被路由到新的插槽中去。因此儀器廠商并不需要針對新的PXI Express背板而重新設計所有的現有板卡模塊。與此相反，儀器廠商會繼續生產符合PXI信號標準的產品，因為目前的PCI總線架構可以滿足這些模塊的數據帶寬需求并且所有的混合插槽都支持PCI總線信號，如圖2所示。PXI Express系統同樣強調軟件兼容性，因此當PXI升級到PXI Express系統時，無需更換驅動和應用軟件。

PXImc

繼將PCI Express技術引入PXI規范之后，PXI系統聯盟于2009年11月發布了PXI MultiComputing(PXImc)規范來滿足日益增長的構建更大更復雜測控系統的需要。PXImc通過定義特別的硬件和軟件接口，允許不同的PXI Express系統（分別擁有各自獨立的控制器）通過PCI Express總線實現相互通信（通過PCI Express非透明橋接器NTB），從而為分布式處理應用提供了一個擁有多個多核CPU的系統解決方案。

PXImc規范同樣定義了如何在PXI Express機箱中使用附加控制器來提升系統的總處理能力，這對于一些有大運算量處理要求、同時又有體積或可移動性要求的測試測量應用而言，是一個理想解決方案。

從1998年PXI標準誕生以來，PXI平臺通過兼容最新商業現成可用(COTS)技術發展迅速。這一可重配置的自定義平臺被用于各種有測量、控制或自動化需求的實際應用——從前沿研究、軍工和航空、消費電子、通信到過程控制和工業自動化領域。超過70家公司共同推進著PXI標準，保證互操作性，并共同來維護和推動PXI規范，確保它能適應當今與未來測控系統的發展需求。

圖2 PXI Express背板在集成PCI Express的同時仍然保持著對現有PXI模塊的兼容，用戶可以在得益于帶寬提升的同時保持對現有系統的后向兼容性