PXI是什么？

引言

PXI全称PCI eXtensions for Instrumentation，即面向仪器系统的PCI扩展，是一种基于PC技术的平台，为测量和自动化系统提供了高性能、高坚固性、低成本的配置方案。 PXI中将PCI(Peripheral Component Interconnect，外围组件互连)电气总线与CompactPCI中坚固的、模块化的欧式机械封装结合在一起，并增加了专门的同步总线和一些关键的软件性能。PXI还增加了一些机械、电气和软件方面的性能，定义了用于测试测量、数据采集、生产制造等应用的完整系统。这些系统为生产测试、军事和航空航天、机器监测、自动化和工业测试等应用提供服务。

NI在1997年开发并发布了PXI规范，1998年将其推出成为一种开放的工业规范，以满足日益增长的复杂仪器系统需求。当前，PXI由PXI系统联盟 (PXISA)管理，该联盟中50多个公司联合起来一起推进该标准的发展、保证互操作性，并维护PXI规范。因为PXI是一种开放的标准，所以任何设备商都可以生产PXI产品。同时因为PXI规范中一个关键的特点就是与CompactPCI (由PCI工业计算机制造商小组(PICMG)所提出的标准)之间的互操作性，所以同一个PXI系统中可以同时包含CompactPCI和PXI模块，而不产生任何冲突。

2005年底商业PC机行业的总线技术通过从PCI演进到PCI Express，提高了总线的可用带宽。与此类似，PXI中引入了PXI Express技术，也显著提高了总线带宽。PXI将PCI Express集成到PXI标准中，可以满足更多的应用需求。PCI Express技术可以集成到背板中，同时维持与具有广泛应用基础的现有系统的后向兼容性。除了x1、x4和x8链路外，系统控制器插槽还支持高达x16 的PCI Express链路，可以为PXI Express背板提供最高6GB/s的带宽。利用PCI Express技术，PXI Express将PXI中的可用带宽提高了45倍多，即从132MB/s提高到6GB/s；与此同时，还可以维持与PXI模块间的软件、硬件兼容性。正是由于此性能的增强，PXI可以用于很多新型应用领域，其中很多领域在以前只能由昂贵的专用硬件实现。

硬件架构

PXI系统由三个基本部分组成——机箱、系统控制器和外围模块。


图1. 标准的8槽PXI机箱中，包括一个嵌入式系统控制器和七个外围模块

PXI机箱

PXI机箱为系统提供了坚固的模块化封装，通常为4槽、6槽、8槽、14槽或18槽的3U或6U机箱。U(rack unit)是一种测量单位，用来描述安装在19或23英寸(指宽度)机架上的设备的高度。1U等于44.45mm(1.75英寸)。装在机架上的设备的尺寸大小通常用U来描述。专用机箱还可在交流电源和直流电源中选择，以及是否集成信号调理功能。很多PXI Express机箱中都可以容纳PXI和PXI Express外围设备，而有些具有混合插槽的机箱（如NI PXIe-1075），还可以容纳PXI Express外围设备或者兼容混合插槽的PXI设备。利用这些机箱可以配置多种PXI系统从而满足应用需求。


图2.可选的标准机箱包括NI PXI-1031 (左)和NI PXIe-1075(右)。NI PXI-1031可选择直流供电，NI PXIe-1075有18个插槽以用于接插系统控制器和外围设备

机箱中具有高性能的PXI背板，该背板包括PCI总线，定时总线以及触发总线。PXI模块化仪器系统中增加了专用的 10MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽与槽之间的局部总线，从而在保持PCI总线所有优势的同时，满足高级定时、同步和相邻槽直接通信等应用中的需求。


图3. PXI的定时与触发总线 – PXI在其背板上，将工业标准的PC机组件（如PCI总线）与高级触发和同步扩展组合在一起。

以PXI的功能为基础，PXI Express中提供了更多的定时和同步功能——100MHz的差分系统时钟、差分信号传输以及差分星形触发总线。采用差分时钟和同步，PXI Express系统中仪器时钟的抗噪声性能进一步提高，并且可以以更高速率传输数据。


图4. PXI Express的定时与触发总线扩展了PXI总线的定时与触发总线功能，并在背板中增加了差分系统时钟、差分信号传输和差分星形触发总线。

使用这些定时与触发总线，可以开发出具有精确同步的系统，以满足应用需求。要了解更多PXI的定时与触发总线规范，请参考NI Developer Zone 文档 “PXI 规范指南.”

要深入了解定时和同步的概念，请参考NI Developer Zone指南“分布式时钟同步和IEEE 1588精密时钟同步协议介绍.” [p] [p]


图7b. 采用MXI-4的远程控制，可以实现通过PC机控制PXI以及多机箱的PXI系统

MXI-4接口套件为PC机和PXI系统间提供了一个78 MB/s的PCI至PCI桥接。MXI-4接口套件中有低成本铜芯电缆链接选择，也有针对远距离应用和电气隔离应用的光纤链接选择。如图7b所示，您还可以采用MXI-4创建多机箱的PXI系统。采用MXI-4链接，您可以实现菊花链式或星形拓扑结构的多机箱系统。要了解更多关于多机箱配置的拓扑结构信息，请参考MXI- 4系列用户手册。

采用PXI外部控制器，您可以通过台式电脑或笔记本电脑来远程控制PXI系统，从而以最低的成本获得最优的处理器性能。由于所有的外部控制产品都是软件透明的，所以不需要额外的编程。您可以购买多台台式电脑、工作站或服务器电脑，然后使用MXI-Express或者铜芯/ 光纤电缆的MXI-4串行链接，来远程控制PXI系统。要获得更多信息，请参考NI“通过PC机控制PXI”资料页。

PXI外围设备

因为PXI是一种开放的工业标准，所以目前共有来自70多家设备商的1500多种模块，NI公司可以提供200多种不同的PXI模块。



要了解更多关于NI PXI模块的信息，请参考NI PXI 模块资料页。在接下来的PXI页中，将给出由NI公司及其PXI产品合作伙伴所提供的各种模块的分类列表。

PXI为各种应用——从高分辨率的直流应用到6GHz的射频应用——提供了具有业界最高带宽和最低延时的总线和模块化 I/O。因为PXI大多都与CompactPCI兼容，所以您可以在PXI或者PXI Express系统中使用很多3U或6U尺寸的CompactPCI模块。另外，您还可以使用转接模块在PXI系统中安装CardBus/PCMCIA和 PMC (PCI Mezzanine Card，PCI夹层卡)板卡。例如,利用NI PXI-8221 PC Card转接模块，您可以将CardBus和PCMCIA设备接入PXI系统。NI公司提供了多种PXI模块，可用于仪器系统、数据采集、开关切换、运动控制、机器视觉、高级同步以及与其它总线的接口，基于这些模块您可以构建出各种各样的PXI系统。

PXI系统还支持标准的用于多种总线通信的软件和硬件，从而使您对于独立仪器或VXI系统的既有投资不致浪费。例如，使用PXI-GPIB模块将基于GPIB的仪器连接到PXI系统中与使用PCI-GPIB卡直接进行仪器控制没有任何区别。这两种方法所用的是同一种软件。此外，多种PXI与VXI的接口方法可供选择。要了解更多关于混合系统的知识，请参考NI Developer Zone指南 “将LXI、USB、PXI Express和其他标准集成到一个混合测试系统中.”。

软件架构

基于Windows的PXI系统的开发与操作与标准的基于Windows的PC机系统的开发与操作差异性很小。另外，因为PXI背板使用的是工业标准的PCI总线，所以大多情况下，对PXI模块的软件编程也与PCI板卡一样。因此，将基于PC系统的程序移植到PXI系统时，无需重写现有的应用程序和示例代码。

PXI Express系统同样也具有软件方面的兼容性，从而可以保护您在软件方面的既有投资。由于PCI Express使用了与PCI相同的驱动和操作系统模型，这些规范就保证了与基于PCI系统的软件兼容性。因此，设备商和客户都不需要改变驱动或应用软件来适应基于PCI Express的系统。

由于PXI和PXI Express系统可以使用与PCI相同的驱动，因此控制NI PXI-6251多功能数据采集模块的软件与控制PC机中NI PCI-6251板卡的软件是完全相同的。


图8. 两种不同的封装使用同一软件标准。就软件而言，与PXI模块(下方)通信和与PCI板卡(上方)通信是一样的。

对于要求确定性循环速率和无头操作(即没有键盘、鼠标或显示器)的、具有严格时间确定性要求的应用来说，可以使用实时软件架构替代基于Windows的系统。实时操作系统可以帮助你按照优先级顺序对任务进行排序，从而使处理器在必要时总会优先处理最重要的任务。这样，应用程序的执行结果就完全可以预测，而且抖动更小。要获得更多关于使用LabVIEW Real-Time的PXI系统的信息，请访问ni.com/realtime。

PXI规范中提出了基于Microsoft Windows操作系统的PXI系统软件框架。因此，控制器可以使用工业标准的应用程序接口，如NI LabVIEW、LabWindows™/CVI、Measurement Studio、Visual Basic、Visual C/C++等等。PXI组件需要初始化文件以定义系统配置和系统功能。最后，还需要采用虚拟仪器软件架构(Virtual Instrument Software Architecture，即已被仪器领域广泛采纳的VISA)，来实现对VXI、GPIB、串口和PXI仪器的配置和控制。

总结

PXI模块化仪器系统利用主流PC中的先进技术，定义了一种坚固的、可用于测量和自动化的计算平台。该系统还充分利用标准的PCI总线技术，受益于广泛使用的软件和硬件组件。PXI系统中的软件程序和操作系统早已用在日常的台式PC中，所以我们也很熟悉。PXI中还增加了坚固的工业封装、大量的I/O插槽，以及高级的定时与触发功能，可充分满足您的应用需求。