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.”[page]

PXI控制器

大多PXI机箱在最左端的插槽(插槽1)中包含一个系统控制器插槽。在为您的应用选择最佳系统控制器时，有几种选择可供参考，包括以台式机、工作站、服务器或笔记本电脑作为外部控制器，或者选择装有Microsoft操作系统(Windows Vista/XP)或实时操作系统(LabVIEW Real-Time)的高性能嵌入式控制器。外部控制器有两种可选类型，分别为通过笔记本电脑控制PXI或通过PC机控制PXI。

PXI嵌入式控制器 – 嵌入式控制器无需使用外部PC机，从而可以使PXI机箱成为一个完整系统。这些嵌入式控制器具有一些标准特性，如集成有CPU、硬盘驱动器、RAM、以太网口、视频输出、键盘/鼠标接口、串口、USB和其他一些外围设备，以及已安装好的Microsoft Windows和所有设备驱动。基于PXI或者PXI Express的系统中都包含了以上这些特性；您也可以自己选择操作系统，包括Windows Vista/XP或者LabVIEW Real-Time。

PXI嵌入式控制器一般采用标准的PC机组件，封装在一个小巧的PXI封装中。例如，NI PXI-8108控制器具有一块2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400的双核处理器，可选硬盘驱动或者固态驱动器，还具有标准的PC外围设备，如高速USB、以太网口、串口与并口等等。

 
图5. NI PXI-8108控制器中包含一个2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400双核处理器嵌入式控制器

对于便携式系统以及希望易于将系统从一个地方搬移到另一个地方的“单箱”应用来说，嵌入式控制器是一个理想的选择。要获得更多信息，请参考NI “PXI 控制器”资料页。

通过笔记本电脑控制PXI– 采用NI ExpressCard MXI (Measurement eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的测量扩展)和PCMCIA CardBus接口套件，您可以直接在笔记本电脑上通过软件透明的链路连接来控制PXI系统。开机时，笔记本电脑会默认PXI系统中的所有外围模块都是 PCI板卡，之后您就可以通过笔记本电脑来控制这些设备。通过笔记本电脑控制PXI，需要在笔记本上插入一块ExpressCard/PCMCIA CardBus卡，并在PXI机箱第1槽中插入一个PXI/PXI Express连接模块，两者之间用铜芯电缆相连。

 
NI ExpressCard MXI接口套件                                PCMCIA CardBus接口套件

图6.通过笔记本电脑控制PXI

NI ExpressCard MXI接口套件为笔记本电脑和PXI机箱间提供了一个110MB/s的PCI Express至PCI的桥接。PCMCIA CardBus接口套件则为笔记本电脑和PXI机箱间提供了一个50 MB/s的PCI至PCI桥接。这样，通过笔记本电脑控制PXI，可以实现移动的/便携的PXI系统。任何与NI ExpressCard MXI 或 PCMCIA CardBus兼容的笔记本电脑都可以用来远程控制PXI系统。要获得更多信息，请参考NI “通过笔记本电脑控制PXI”资料页。

PXI的PC机控制 – 采用NI MXI-Express和MXI-4接口套件，您可以直接从台式机、工作站或服务器电脑上控制PXI系统。您可以在PC机上通过软件透明和驱动透明的连接链路来控制PXI系统。开机时，电脑系统会默认PXI系统中的所有外围模块都是PCI板卡，所以您可以通过控制器来使用这些设备。通过PC机控制PXI，需要在电脑中插入一块PCI/PCI Express板卡，并在PXI机箱第1槽中插入一个PXI/PXI Express模块，两者之间用铜芯电缆或光纤电缆相连。

 
图7a. 采用双端口MXI-Express的远程控制可以同时控制两个PXI机箱，总吞吐率为160MB/s

MXI-Express接口套件为PC机和PXI机箱间提供了一个110MB/s的PCI Express至PCI的桥接。采用NI PXI-PCIe8362双端口接口套件，可以通过同一台PC机同时控制两个PXI系统。您还可以利用MXI-Express接口，通过3m或7m的铜芯电缆来配置星形拓扑结构的多机箱PCI系统。这种接口与x1、x4、x8和x16的PCI Express插槽兼容，因此该可选方案适用于大部分的台式电脑。要获得更多关于MXI-Express的信息，请参考MXI- Express系列用户手册。[page]

 
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。