PXI​架构​介绍

内容

概述

PXI系统​能够​提供​高性能​模​块​化​仪器​和​其他​具有​特定​同步​功能​和​主要​软件​功能​的​I/​O​模​块,​适用​于​设备验证和​自动化生产测试​等​测试​和​测量​应用。  要​深入​了解​PXI,​请​参见​图​1​中的​2​张​图片,​其中​将​PXI​系统​的​机​箱、​控制器​和​PXI(e)​外围​模​块​与​商用​台式​PC​的​组​件​进行​了​比较。​关键​在于​了解​PXI​的​组成​架构​及其​如何​匹配​商用​PC​技术:

 

PXI系统

商用台式PC

图​1.PXI​系统​与​商用​台式​PC​的​对比。

 

PXI(PCI​仪表​扩展)​是​一​款​成熟​且​基于​PC​的​测量​和​自动​化​平台。​可​提供​电源、​散热​和​通信​总​线,​以​支持​同一​机​箱​内的​多个​仪表​模​块。​PXI​使用​了​基于​PC​的​商用​PCI​总​线​技术,​同时​结合​了​坚固耐用​的​CompactPCI​模​块​化​封​装​以及​重要​的​定​时​和​同步​功能。

互​连​外围​设备​专业​组​(PCI-​SIG)​在​发布​PCI​的​进化​版​-​PCI Express​标准​时,​显著​提高​了​系统​带​宽。​负责​管理​PXI​的​PXI​系统​联盟​(PXISA)​采用​了​最新​一代​的​商业​PC​总​线​技术,​实现​了​PXI​到​PXI Express​的​演变。​PXI Express​保留​了​PXI​的​功能,​以​确保​系统​的​向后​兼容​性,​除了​具有​标准​PXI​功能​外,​还​提供​了​更多​的​带​宽、​电源、​散热​以及​定​时​和​同步​功能。

PXI​和​PXI Express​拥有​如此​丰富​的​功能,​看起来​似乎​非常​复杂,​但​这些​技术​有​一个​共同​的​核心:​主流​PC​通信​总​线。​PXI​和​PXI Express​机​箱​为​当今​工程​师​的​测量​和​自动​化​系统​提供​了​一个​应用​广泛​的​成熟​架构。

由于​PXI​是​一个​由​PXISA​管理​的​开放​规范,​任何​供应​商​都可以​构​建​PXI​产品。​为了​帮助​解释​PXI​系统​的​底层​细节,​本​技术​白皮书​重点​介绍​了​PXISA​所​定义​的​规范,​以及​这些​规范​是​如何​在​NI PXI​硬件​上​实现​的。

硬件​概览

PXISA硬件​规范规定​了​机械、​电气​和​软件​架构​相关​的​所有​功能​要求。​PXI Express​规范​是​CompactPCI​和​CompactPCI Express​规范​的​具体​体现。​图​2​所​示​为​如何​从​机械​和​电气​方面​将​CompactPCI​和​CompactPCI Express​规范​与​关键​的​PXI​特性​相​结合,​从而​构​建​整体​架构。​本文​的​后​续​章节​将​对​这​一​层次​结构​的​每​个​部分​进行​介绍,​并​解释​它们​如何​具体​应用​于​PXI。

PXI整体架构

图​2.PXI​整体​架构

 

机械​架构

机械​架构规定​了​CompactPCI、​CompactPCI Express、​PXI​和​PXI Express​之间​的​物理​兼容​性。​例如,​机械​架构​规定​系统​控制器​应​连接​PXI​机​箱​最​左边​的​插​槽,​以​确保​系统​控制器​位于​PCI​总​线​部分​的​左端。​该​位置​的​规定​简化​了​机​箱​与​控制器​选项​之间​的​集成​以及​​兼容​程度。

PXI​系统​中​使用​的​控制器​可以​是​外部​PC​或​嵌入式​控制器。​嵌入式​控制器​包括​标准​功能,​如​集成​CPU、​硬盘、​内存、​以太​网、​视频、​串​行、​USB​和​其他​I/​O​外围​设备。​用户​可以​在​标准​Windows​环境​中​开发​应用,​即​与​外部​PC​相同​的​标准​操作​系统。

图​3.嵌入式​控制器​提供​多个​I/​O​接口,​可与​独立​运行​的​仪器​或​外围​设备​连接。

PXI​规范​沿用​了​CompactPCI​和​CompactPCI Express​的​高性能​IEC​连接​器​和​坚固耐用​的​EuroCard​封​装​系统。

NI PXI-8430具有类似EuroCard的封装和高性能IEC连接器

图​4.NI PXI-8430​具有​类似​EuroCard​的​封​装​和​高性能​IEC​连接​器。

借助​该​连接​器,​仪器​通过​背​板​总​线​与​系统​的​其他​部分​进行​连接​和​通信;​例如,​PCI​和​PCI Express​总​线。​随着​该​规范​不断​发展​以​纳入​全新​的​通信​总​线,​这些​连接​器​的​配置​保持​了​向后​兼容​性。​我们​将会​在​电气​部分​​更​详细​地​进行​介绍。

该规范定义了用于与PXI机箱通信的连接器

图​5.该​规范​定义​了​用于​与​PXI​机​箱​通信​的​连接​器。

PXI​机械​规范​还​包括​CompactPCI​和​CompactPCI Express​所​没有​的​特定​散热​和​环境​改进,​以​确保​在​工业​环境​中​可以​正常​运行。

了解PXI机箱如何满足规范中的散热要求

图​6.了解​PXI​机​箱​如何​满足​规范​中的​散热​要求。

电气​架构

电气​架构​规定​了​必须​遵守​PCI、​PCI Express、​CompactPCI​和​CompactPCI Express​规格​和​功率​要求。​还​增加​了​特定​的​定​时​和​同步​功能,​使​PXI​成为​适用​于​高性能​测试​和​测量​的​独特​平台。

PXI​机​箱​的​核心​电气​特性​是​通信​总​线。​随着​PCI​演​变成​PCI Express,​该​规范​也在​不断​发展,​通过​将​PCI Express​集成​到​PXI​机​箱​背​板​中,​确保​PXI​能够​满足​更多​的​应用​需求。

就​传统​仪器​而言,​PXI​支持​PCI​通信,​这​是​一种​通常​用于​并行​传输​和​接收​数据​的​32​位​总​线。​PCI​仪器​的​最大​带​宽​或​吞吐量​是​132 MB/​s。​由于​应用​需要​更高​的​带​宽,​将​PCI Express​定义​为​通过​称为“lane”的​一对​发送​-​接收​连接​线路​来​串​行​传输​数据,​这​使得​每​个​方向​的​数据​​传输​速率​可达​250 MB/​s。​这种​串​行​连接​称为​PCI Express Gen1 x1“链​路”(乘​1)。​多​条​lane​组合​在一起​可​形成​x2、​x4、​x8、​x16​和​x32​链​路​以​增加​带​宽。​这些​链​路​为​控制器​和​仪器​所在​的​插​槽​之间​提供​了​连接。​例如,​x16​插​槽​能​以​4 GB/​s (250 MB/​s*16)​的​速度​传输​和​接收​信息。​为了​确保​与​旧​PXI​仪器​和​新​PXI Express​仪器​兼容,​PXI​机​箱​内​同时​集成​了​PCI​和​PCI Express​通信​总​线。​随着​PCI Express​规范​继续​更新,​PXI​将​持续​把​新的​功能​纳入​PXI​机​箱,​同时​保持​向后​兼容​性。

图​7.此​NI PXIe-1085​机​箱​范​例​根据​插​槽​支持​的​模​块​类型,​突出​了​路​由​到​每​个​插​槽​的​PCI​和​PCI Express​线路。

随着​机​箱​通信​总​线​不断​发展​并​融入​全新​的​PC​技术,​PXI​外围​模​块​已经​从​PXI​发展​到​PXI Express,​以​利用​PCI Express​通信​总​线​功能。​为了​确保​PXI​和​PXI Express​模​块​之间​的​兼容​性,​PXI​规范​中​增加​了​混合​插​槽​相关​要求。​该​插​槽​让​用户​能够​在​PXI​机​箱​中​插入​PXI​或​PXI Express​外围​模​块。​PXI​机​箱​可​包括​以下​插​槽:

  • 系统​插​槽,​支持​插入​嵌入式​或​远程​PXI Express​控制器
  • PXI​外​设​插​槽,​支持​插入​PXI​模​块
  • PXI Express​混合​外​设​插​槽,​支持​插入​PXI Express​外围​模​块、​32​位​CompactPCI​外围​模​块​和​混合​兼容​的​PXI​外围​模​块
  • 系统​定​时​插​槽,​可​同时​支持​插入​PXI Express​外围​模​块​和​PXI Express​系统​定​时​模​块

PXI机箱内的插槽类型

图​8.PXI​机​箱​内的​插​槽​类型

综​上​所述,​该​规范​定义​了​PXI​机​箱​背​板​可​提供​的​技术。

图​9.PXI​机​箱​集成​了​最新​的​通信​总​线,​这些​总​线路​由​至​不同​的​插​槽​选项,​以​满足​外围​模​块​的​需求。

除了​通信​总​线​之外,​电气​规范​还​定义​了​定​时​和​同步​功能。​其中​包含​PXI 10 MHz​系统​时钟​的​定义,​该​系统​时钟​分配​至​系统​所有​的​外围​模​块。​该​通用​参考​时钟​可​用于​同步​测量​或​控制​系统​中的​多个​模​块。​除​时钟​功能​外,​PXI​还​具有​触发​功能,​如​多​支​触发​总​线​和​具有​长度​匹配​的​线路​星​型​触发​网络。​8​条​PXI​触发​器​线路​构成​了​灵活​多变、​用途​广泛​的​PXI​触发​总​线。​例如,​触发​器​可​用于​同步​多个​PXI​外围​模​块​的​操作。

NI PXIe-1085机箱PXI触发总线连接图显示了触发传输至PXI外围模块的方式

图​10.NI PXIe-1085​机​箱​PXI​触发​总​线​连接​图​显示​了​触发​传输​至​PXI​外围​模​块​的​方式。

对于​性能​要求​更高​的​应用,​该​规范​通过​规定​PXI​星​型​触发​网络​,​为​PXI​系统​提供​了​更​高性能​的​同步​功能​集。​星​型​触发​网络​在​系统​定​时​插​槽​(插​槽​序​号​旁边​有​标​注,​PXI​和​PXI Express​分别​以​菱形​和​正方形​表示)​和​其他​外​设​插​槽​之间​实现​了​一条​专用​触发​线。​定​时​同步​模​块​(星​型​触发​控制器)​安装​在​该​插​槽​中,​为​其他​外围​模​块​提供​精确​的​时钟​和​触发​信号。​该​模​块​还​具有​板​载​(TCXO,​OCXO)、​派生​(DDS)​或​外部​(铷​源)​时钟,​可​覆盖​PXI​机​箱​的​板​载​VCXO​精度,​以​定义​机​箱​的​高​频​系统​参考​时钟、​10 MHz​和​100 MHz​时钟。

图​11.NI PXIe-1085​机​箱​使用​这种​星​型​连接​图,​以​确保​每​个​插​槽​之间​传输​延迟​的​匹配​度。

从​下​图​可以​看出​PXI​触发​总​线​和​PXI​星形​触发​网络​如何​路​由​至​每​个​插​槽。​为了​确保​所有​功能​间​的​兼容​性,​PXI​引入​SYNC 100​来​同步​机​箱​内的​10 MHz​和​100 MHz​时钟。

选择最合适的配置以确保定时和同步功能可满足您的应用需求

图​12.​选择​最​合适​的​配置​以​确保​定​时​和​同步​功能​可​满足​您​的​应用​需求。

 

软件​概览

PXI​软件​规范​定义​了​软件​架构,​这​是​PXI​平台​的​关键​元素。​由于​PXI​是​基于​软件​定义​的​仪表​架构,​PXI​本身​并不​包括​硬件​中​用户​可​直接​访问​的​功能,​如​显示​屏、​旋​钮​和​按钮。​所有​用户​可​使用​的​功能​都在​软件​中。​软件​框架​为​系统​控制器​模​块​和​PXI​外围​模​块​定义​了​PXI​系统​软件​要求。​系统​控制器​模​块​和​PXI​外围​模​块​必须​满足​操作​系统​和​工具​支持​的​特定​要求,​才能​被​视为​符合​给​定​的​PXI​软件​框架。

PXI软件架构

图​13.PXI​软件​架构

PXI​规范​呈现​了​基于​Microsoft Windows​操作​系统​的​PXI​系统​软件​框架。​因此,​该​控制器​可以​使用​行业​标准​的​应用​编​程​接口,​如​NI LabVIEW、​NI Measurement Studio、​Visual Basic、​Visual C/​C​+​+和Python。​PXI​还​需要​模​块​和​机​箱​供应​商​提供​某些​软件​组​件。​对于​PXI​组​件,​用于​定义​系统​配置​和​系统​功能​的​初始​化​文件​是​必需​的。​最后,​规范​还​规定​了​PXI​必须​能够​实现​​仪表​行业​广泛​采用​的​VISA,​以​配置​和​控制​VXI、​GPIB、​串​行​以及​PXI​仪表。

图​14.该​图​显示​了​PXI​的​完整​软件​架构。

 

实际​范​例:​PXI​系统​内的​通信

以​一个​PXI​系统​的​简单​用例​为​例子:​使用​PXI​模​块​(如​NI PXIe-5451)​生成​信号。​您​使用​基于​Windows​的​控制器​并​使用​LabVIEW​软件​编写​程序。​LabVIEW​通过​仪器​驱动​程序​与​仪器​进行​通信。​Measurement & Automation Explorer (MAX)​用于​确保​系统​的​设置​可​支持​该​通信。

 

硬件设置和软件环境范例

图​15.硬件​设置​和​软件​环境​范例

 

通信​之前,​您​需要​运行​一个​在​LabVIEW​中​编写​的​程序。​LabVIEW​程序​在​后台​执行​操作​序列。​以下​是​实现​通信​的​步骤:

 

第​1​步:在​PXI​系统​控制器​上​运行​LabVIEW

编写​应用​程序​代码,​该​代码​会​被​编译​并​被​转化​为​机器​级​代码。

 

第​2​步:PXI​系统​控制器​将​LabVIEW​中​编写​的​命令​集​传输​给​插在​PXI​外​设​插​槽​中的​仪器

在​PXI​系统​控制器​的​内存​和​处理​器​中,​机器​级​代码​转换​为​电信​号,​并​沿着​PCI​或​PCI Express​通信​总​线​传输。​在此​范​例​中,​PCI Express​通信​沿着​PXI​机​箱​背​板​运行,​用于​连接​系统​控制器​和​外围​仪器。

 

第​3​步:命令​通过​机​箱​背​板​上​的​通信​总​线​进行​传输

信号​通过​PCI Express​通信​总​线​传输​到​仪器​所在​的​PXI​插​槽​中。

 

第​4​步:代码​传输​至​仪器

PXI​模​块​读​取​发送​的​命令。​在此​范​例​中,​NI PXIe-5451​生成​信号,​因此​仪器​利用​模​块​上​的​电路​读​取​信号,​执行​所需​的​动作,​生成​信号​并​将​其​传输​给​模​块​前端​的​连接​器。

 

图​16​演示​了​控制器​和​实际​插​槽​之间​的​通信​方式。

通过背板传输信号范例

图​16.通过​背​板​传输​信号​范例