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引言 PXI全稱PCI eXtensions for Instrumentation，即面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展，是一種基于PC技術的平臺，為測量和自動化系統(tǒng)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(tǒng)。這些系統(tǒng)為生產測試、軍事和航空航天、機器監(jiān)測、自動化和工業(yè)測試等應用提供服務。 NI在1997年開發(fā)并發(fā)布了PXI規(guī)范，1998年將其推出成為一種開放的工業(yè)規(guī)范，以滿足日益增長的復雜儀器系統(tǒng)需求。當前，PXI由PXI系統(tǒng)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(fā)展、保證互操作性，并維護PXI規(guī)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(guī)范中一個關鍵的特點就是與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PXI系統(tǒng)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(yè)PC機行業(yè)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(tǒng)的后向兼容性。除了x1、x4和x8鏈路外，系統(tǒng)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(tǒng)由三個基本部分組成——機箱、系統(tǒng)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(tǒng)控制器和七個外圍模塊 PXI機箱 PXI機箱為系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)總線。PXI模塊化儀器系統(tǒng)中增加了專用的 10MHz系統(tǒng)參考時鐘、PXI觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線和槽與槽之間的局部總線，從而在保持PCI總線所有優(yōu)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(fā)總線 – PXI在其背板上，將工業(yè)標準的PC機組件（如PCI總線）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。
圖4. PXI Express的定時與觸發(fā)總線擴展了PXI總線的定時與觸發(fā)總線功能，并在背板中增加了差分系統(tǒng)時鐘、差分信號傳輸和差分星形觸發(fā)總線。 使用這些定時與觸發(fā)總線，可以開發(fā)出具有精確同步的系統(tǒng)，以滿足應用需求。要了解更多PXI的定時與觸發(fā)總線規(guī)范，請參考NI Developer Zone 文檔 “PXI 規(guī)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(tǒng)控制器插槽。在為您的應用選擇最佳系統(tǒng)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(tǒng)(Windows Vista/XP)或實時操作系統(tǒng)(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(tǒng)。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�；赑XI或者PXI Express的系統(tǒng)中都包含了以上這些特性；您也可以自己選擇操作系統(tǒng)，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(tài)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(tǒng)以及希望易于將系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。開機時，筆記本電腦會默認PXI系統(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)。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(tǒng)。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(tǒng)。開機時，電腦系統(tǒng)會默認PXI系統(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)。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(tǒng) MXI-4接口套件為PC機和PXI系統(tǒng)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(chuàng)建多機箱的PXI系統(tǒng)。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(tǒng)。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(tǒng)，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(tǒng)。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(yè)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。NI公司提供了多種PXI模塊，可用于儀器系統(tǒng)、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(tǒng)。 PXI系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中與使用PCI-GPIB卡直接進行儀器控制沒有任何區(qū)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(tǒng)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(tǒng)中.”。 軟件架構 基于Windows的PXI系統(tǒng)的開發(fā)與操作與標準的基于Windows的PC機系統(tǒng)的開發(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，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(tǒng)的程序移植到PXI系統(tǒng)時，無需重寫現有的應用程序和示例代碼。 PXI Express系統(tǒng)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(tǒng)模型，這些規(guī)范就保證了與基于PCI系統(tǒng)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(tǒng)。 由于PXI和PXI Express系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)。實時操作系統(tǒng)可以幫助你按照優(yōu)先級順序對任務進行排序，從而使處理器在必要時總會優(yōu)先處理最重要的任務。這樣，應用程序的執(zhí)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(tǒng)的信息，請訪問ni.com/realtime。 PXI規(guī)范中提出了基于Microsoft Windows操作系統(tǒng)的PXI系統(tǒng)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(tǒng)配置和系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中的軟件程序和操作系統(tǒng)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，以及高級的定時與觸發(fā)功能，可充分滿足您的應用需求。 來源：NI公司 |
