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引言 PXI全稱PCI eXtensions for Instrumentation，即面向儀器系統的PCI擴展，是一種基于PC技術的平臺，為測量和自動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，并增加了專門的同步總線和一些關鍵的軟件性能。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、生產制造等應用的完整系統。這些系統為生產測試、軍事和航空航天、機器監測、自動化和工業測試等應用提供服務。 NI在1997年開發并發布了PXI規范，1998年將其推出成為一種開放的工業規范，以滿足日益增長的復雜儀器系統需求。當前，PXI由PXI系統聯盟 (PXISA)管理，該聯盟中50多個公司聯合起來一起推進該標準的發展、保證互操作性，并維護PXI規范。因為PXI是一種開放的標準，所以任何設備商都可以生產PXI產品。同時因為PXI規范中一個關鍵的特點就是與CompactPCI (由PCI工業計算機制造商小組(PICMG)所提出的標準)之間的互操作性，所以同一個PXI系統中可以同時包含CompactPCI和PXI模塊，而不產生任何沖突。 2005年底商業PC機行業的總線技術通過從PCI演進到PCI Express，提高了總線的可用帶寬。與此類似，PXI中引入了PXI Express技術，也顯著提高了總線帶寬。PXI將PCI Express集成到PXI標準中，可以滿足更多的應用需求。PCI Express技術可以集成到背板中，同時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，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，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域，其中很多領域在以前只能由昂貴的專用硬件實現。 硬件架構 PXI系統由三個基本部分組成——機箱、系統控制器和外圍模塊。 
圖1. 標準的8槽PXI機箱中，包括一個嵌入式系統控制器和七個外圍模塊 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來描述。專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，定時總線以及觸發總線。PXI模塊化儀器系統中增加了專用的 10MHz系統參考時鐘、PXI觸發總線、星形觸發總線和槽與槽之間的局部總線，從而在保持PCI總線所有優勢的同時，滿足高級定時、同步和相鄰槽直接通信等應用中的需求。
圖3. PXI的定時與觸發總線 – PXI在其背板上，將工業標準的PC機組件（如PCI總線）與高級觸發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和同步功能——100MHz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。
圖4. PXI Express的定時與觸發總線擴展了PXI總線的定時與觸發總線功能，并在背板中增加了差分系統時鐘、差分信號傳輸和差分星形觸發總線。 使用這些定時與觸發總線，可以開發出具有精確同步的系統，以滿足應用需求。要了解更多PXI的定時與觸發總線規范，請參考NI Developer Zone 文檔 “PXI 規范指南.” 要深入了解定時和同步的概念，請參考NI Developer Zone指南“分布式時鐘同步和IEEE 1588精密時鐘同步協議介紹.” PXI控制器 大多PXI機箱在最左端的插槽(插槽1)中包含一個系統控制器插槽。在為您的應用選擇最佳系統控制器時，有幾種選擇可供參考，包括以臺式機、工作站、服務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)或實時操作系統(LabVIEW Real-Time)的高性能嵌入式控制器。外部控制器有兩種可選類型，分別為通過筆記本電腦控制PXI或通過PC機控制PXI。 PXI嵌入式控制器 – 嵌入式控制器無需使用外部PC機，從而可以使PXI機箱成為一個完整系統。這些嵌入式控制器具有一些標準特性，如集成有CPU、硬盤驅動器、RAM、以太網口、視頻輸出、鍵盤/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。基于PXI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，可選硬盤驅動或者固態驅動器，還具有標準的PC外圍設備，如高速USB、以太網口、串口與并口等等。
圖5. NI PXI-8108控制器中包含一個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地方搬移到另一個地方的“單箱”應用來說，嵌入式控制器是一個理想的選擇。要獲得更多信息，請參考NI “PXI 控制器”資料頁。 通過筆記本電腦控制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軟件透明的鏈路連接來控制PXI系統。開機時，筆記本電腦會默認PXI系統中的所有外圍模塊都是 PCI板卡，之后您就可以通過筆記本電腦來控制這些設備。通過筆記本電腦控制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50 MB/s的PCI至PCI橋接。這樣，通過筆記本電腦控制PXI，可以實現移動的/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遠程控制PXI系統。要獲得更多信息，請參考NI “通過筆記本電腦控制PXI”資料頁。 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、工作站或服務器電腦上控制PXI系統。您可以在PC機上通過軟件透明和驅動透明的連接鏈路來控制PXI系統。開機時，電腦系統會默認PXI系統中的所有外圍模塊都是PCI板卡，所以您可以通過控制器來使用這些設備。通過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控制兩個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，可以通過同一臺PC機同時控制兩個PXI系統。您還可以利用MXI-Express接口，通過3m或7m的銅芯電纜來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。要獲得更多關于MXI-Express的信息，請參考MXI- Express系列用戶手冊。
圖7b. 采用MXI-4的遠程控制，可以實現通過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創建多機箱的PXI系統。采用MXI-4鏈接，您可以實現菊花鏈式或星形拓撲結構的多機箱系統。要了解更多關于多機箱配置的拓撲結構信息，請參考MXI- 4系列用戶手冊。 采用PXI外部控制器，您可以通過臺式電腦或筆記本電腦來遠程控制PXI系統，從而以最低的成本獲得最優的處理器性能。由于所有的外部控制產品都是軟件透明的，所以不需要額外的編程。您可以購買多臺臺式電腦、工作站或服務器電腦，然后使用MXI-Express或者銅芯/ 光纖電纜的MXI-4串行鏈接，來遠程控制PXI系統。要獲得更多信息，請參考NI“通過PC機控制PXI”資料頁。 PXI外圍設備 因為PXI是一種開放的工業標準，所以目前共有來自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。
要了解更多關于NI PXI模塊的信息，請參考NI PXI 模塊資料頁。在接下來的PXI頁中，將給出由NI公司及其PXI產品合作伙伴所提供的各種模塊的分類列表。 PXI為各種應用——從高分辨率的直流應用到6GHz的射頻應用——提供了具有業界最高帶寬和最低延時的總線和模塊化 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、開關切換、運動控制、機器視覺、高級同步以及與其它總線的接口，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卡直接進行儀器控制沒有任何區別。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混合測試系統中.”。 軟件架構 基于Windows的PXI系統的開發與操作與標準的基于Windows的PC機系統的開發與操作差異性很小。另外，因為PXI背板使用的是工業標準的PCI總線，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，無需重寫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，設備商和客戶都不需要改變驅動或應用軟件來適應基于PCI Express的系統。 由于PXI和PXI Express系統可以使用與PCI相同的驅動，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速率和無頭操作(即沒有鍵盤、鼠標或顯示器)的、具有嚴格時間確定性要求的應用來說，可以使用實時軟件架構替代基于Windows的系統。實時操作系統可以幫助你按照優先級順序對任務進行排序，從而使處理器在必要時總會優先處理最重要的任務。這樣，應用程序的執行結果就完全可以預測，而且抖動更小。要獲得更多關于使用LabVIEW Real-Time的PXI系統的信息，請訪問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，即已被儀器領域廣泛采納的VISA)，來實現對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中的先進技術，定義了一種堅固的、可用于測量和自動化的計算平臺。該系統還充分利用標準的PCI總線技術，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封裝、大量的I/O插槽，以及高級的定時與觸發功能，可充分滿足您的應用需求。 來源：NI公司 |
