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NI大中華區(qū)市場總監(jiān) 朱君
縱觀整個自動化測試領域，我們可以看到一些明顯的趨勢：從設計到生產的每個階段，不斷提高的信號速率要求測試設備緊跟高速信號的測試要求；單一待測設備往往集成了多種不同的標準和協(xié)議，這就需要測試系統(tǒng)能夠足夠靈活地適應不斷更新的標準；從商業(yè)角度考慮，縮短產品投放市場時間的壓力也與日俱增，這就需要進一步縮短測試時間，然而另一方面往往又需要進行更多的測試項目保證產品質量；此外，對制造業(yè)的自動化測試而言，測試設備的體積和功耗已經無法再隨著測試需求線形增長。
PXI平臺的出現提供了一種 “out of the box (打破成規(guī))”的解決方案。PXI作為一種開放的工業(yè)標準，于1997年提出，并于1998年正式發(fā)布，滿足了不斷增加的復雜儀器系統(tǒng)需求。今天，PXI規(guī)范由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟( www.pxisa.org)管理和維護。PXI系統(tǒng)聯(lián)盟由超過70多家公司組成，其中包括全球眾多領先的測試測量廠商。本文將對PXI規(guī)范進行概述并介紹一些最新發(fā)展。
PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一種基于PC技術的面向測試測量和自動化應用的堅固平臺。PXI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。一個PXI系統(tǒng)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，可以實現系統(tǒng)部分組件的單獨升級，并且可以使測試系統(tǒng)能快速利用這些升級的組件所帶來的新技術。
隨著商業(yè)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，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(yè)制造商協(xié)會（PICMG，管理CompactPCI標準）與PXI系統(tǒng)聯(lián)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(tǒng)的后向兼容性。通過利用PCI Express技術，PXI Express將PXI中的可用帶寬從132MB/s提高到6GB/s，提高了45倍多。與此同時，還可以維持與原有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(guī)范的設計基于了如下一些考慮：
PXI規(guī)范定義了PXI系統(tǒng)能勝任惡劣環(huán)境所要滿足的要求。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CompactPCIVME和VXI采用，在工業(yè)環(huán)境中有長期成功的應用歷史。此外，PXI規(guī)范還定義了保證工業(yè)環(huán)境中操作所需的特殊冷卻和環(huán)境要求。
在這種模塊化架構下，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。多種I/O和模塊化儀器可以集成在一個PXI機箱中；模塊的供電電源對這些模塊的可靠使用起著關鍵作用，不同廠商的PXI機箱提供不同的功率，在選擇PXI系統(tǒng)時候應選擇一個提供足夠大功率的機箱。除了提供電源之外，PXI規(guī)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(huán)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(guī)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。
PXI硬件規(guī)范還定義，所有的PXI機箱都包含一個位于機箱最左邊的系統(tǒng)控制器插槽（槽位1）。可以選擇的控制器可以是運行Microsoft Windows操作系統(tǒng)或者是實時操作系統(tǒng)的嵌入式控制器，也可以是來自臺式機、工作站、服務器或者便攜式計算機的遠程控制器。
和同步特性，這可以減少不同儀器之間實現觸發(fā)和同步功能的復雜性：PXI機箱背板上整合了一個10MHz的專用系統(tǒng)參考時鐘（圖1），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1ns；10MHz系統(tǒng)時鐘的精度是由機箱決定的，典型值小于百萬分之25（25ppm），并且通過在機箱的星形觸發(fā)插槽（槽位2）安裝一塊具有更穩(wěn)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(tǒng)參考時鐘的精度。這樣可以用這個具有更高穩(wěn)定性的參考時鐘來取代背板的10MHz時鐘。不同模塊上速率更高的采樣時鐘可以鎖相至該穩(wěn)定的10MHz參考時鐘，從而提高多個模塊化儀器之間的同步性能。也可以輸出這個10MHz時鐘，用以同步多個PXI機箱和其他模塊儀器時作為參考時鐘。除了參考時鐘，PXI背板上也提供由8條TTL傳輸線組成的觸發(fā)總線，從而允許系統(tǒng)中的任意模塊都可設置一個可以被其他任意模塊檢測到的觸發(fā)信號。
以PXI為基礎，PXI Express提供了更多的定時和同步功能——100MHz的差分系統(tǒng)時鐘、差分信號傳輸以及差分星形觸發(fā)總線。采用差分時鐘和同步，PXI Express系統(tǒng)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。
圖1. PXI及PXI Express機箱為模塊化系統(tǒng)集成提供了最佳的定時和同步性能
除了使用基于信號的方法來同步PXI及PXI Express系統(tǒng)，也可以基于絕對時間實現同步。通過附加的定時模塊，可以使用包括GPS、IEEE-1588或者IRIG-B在內的多種方式提供絕對時間。這些協(xié)議通過數據包的方式傳輸時間信息，因此系統(tǒng)可基于這些時間信息進行同步。如果PXI系統(tǒng)之間的部署距離很遠，共享實際的時鐘信號或觸發(fā)信號比較困難，在這種情況下，就可以依靠像GPS這樣的信號源來同步不同PXI系統(tǒng)的測量任務。除了電氣要求外，為了使系統(tǒng)集成變得更簡易，PXI同樣規(guī)定了對軟件的要求。這些要求包括使用標準操作系統(tǒng)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 Express系統(tǒng)同樣強調軟件兼容性，因此當升級PXI到PXI Express系統(tǒng)使，無須更換驅動和應用軟件。
PCI Express
正如本文開頭所提到的，PCI Express相比PCI可增加超過45倍的總線吞吐量（圖2）。正是由于此性能的增強，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，基于PCI Express，一個1GB/s數據帶寬的數字化儀可以通過一條直接路徑與CPU模塊進行數據傳輸，這個傳輸速度大約是32位數據位寬、33MHz主頻PCI總線所能提供的速率的8倍。這樣，利用PCI Express技術，一個高分辨率的16位中頻數字化儀或者信號發(fā)生器就可以以高達500MHz的采樣率實現與CPU之間的數據流連續(xù)傳輸，不受總線帶寬制約，也不受與其他模塊共享帶寬的限制。
特別地，在國防和航空航天自動化測試領域，PXI Express所擁有的更高的帶寬為許多應用提供了新的解決方案：
* 利用高帶寬的中頻儀器進行通信系統(tǒng)測試
* 高速數字協(xié)議接口（包括基于LVDS的專用協(xié)議、IEEE 1394、光纖信道等）
* 用于結構和聲學測試的高通道數數據采集
* 高速圖像采集
圖2. 利用PCI Express提供的更高的數據帶寬和更低的傳輸延遲，PXI Express系統(tǒng)可以更好滿足高頻應用、高速數字接口以及高速圖像采集等新的應用需求。
當PCI Express技術被集成到PXI中，基于PXI Express實現許多新應用的同時，許多現有的PXI應用并不會得益于PXI Express的性能提升。比方說，諸如數字萬用表（DMM）、開關模塊、工業(yè)I/O、低速總線接口、以及許多主流的發(fā)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(guī)范的一個非常有價值的方面就是PCI以及PCI Express信號都可以被路由到新的插槽中去。其結果是，擁有PXI模塊的用戶也可以把基于PXI規(guī)格的儀器插入PXI Express的機箱，從而保持之前的投資, 儀器廠商也不需要針對新的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(xù)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（圖3）。
圖3. 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(tǒng)的后向兼容性
PCI-SIG —— 一個被授權致力于PCI總線規(guī)范開發(fā)的組織，于2007年1月公布了PCI Express 2.0規(guī)范（也被稱為PCI Express Gen2）。PCI Express Gen2規(guī)范將總線的傳輸速率從2.5GT/s增至5.0GT/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。工程師和科學家可以期待著融合這一新的發(fā)展成果的PXI Express產品的出現，以進一步增強PXI平臺的性能。
繼將PCI Express技術引入PXI規(guī)范之后，PXI系統(tǒng)聯(lián)盟于2009年11月發(fā)布了PXI MultiComputing (PXImc)規(guī)范，以滿足日益增長的構建更大更復雜測控系統(tǒng)的需要。這些系統(tǒng)應用的一個共同點在于，工程師需要以最小的延遲來傳輸和處理大量的數據。PCI Express能提供數千兆Byte每秒的實際數據吞吐量及微秒級的延遲，因此，PCI Express能夠很好的適應數據傳輸的需求。PXImc通過定義特別的硬件和軟件接口，允許不同的PXI Express系統(tǒng)（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(tǒng)。
PXImc規(guī)范同樣也允許處理系統(tǒng)使用板載的PCI Express非透明橋接器，通過點對點（Peer-to-Peer）的方式實現PXImc設備和其他PCI Express板卡之間通信。正是因為這個特性，可以在PXI Express機箱的非控制器插槽中安置這種處理器模塊，實現與PXI Express板卡通信，若有需要的話，再通過機箱背板的PCI Express總線與系統(tǒng)的主控制器進行通信。在PXI機箱中使用附屬控制器的這種方法極大提升了單一系統(tǒng)的總處理能力，同時仍保持著緊湊而穩(wěn)固的系統(tǒng)集成，這對一些有大運算量處理要求、同時又有體積或有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平臺發(fā)展迅速，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(yè)自動化領域，PXI被選為數千種應用的實現平臺。
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PXI規(guī)范。PXI是一種基于商業(yè)現成可用(COTS)技術的可重配置的平臺，并能適應當今與未來測控系統(tǒng)的發(fā)展需求。
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