一.VXI(VME Extension For Instrumentation,简称VXI)背景
1987年,由Colorado Data system 、Hewlett Packard 、Racal Dana 、Tektronix 、Wavetek等五家公司在计算机VME总线(IEEE1014-1987)基础上联合推出了VXI模块化仪器标准。VXI的本意是将计算机VME总线扩展到仪器,使之成为一种优良的模块仪器标准。经历了十多年的发展后,VXI在全球已有100多家公司的加盟和支持,在PXI出现之前几乎一直是高精度测控平台的唯一选择。和各种传统的测试仪器(仪器的相关产品)相比,VXI无疑具有太多的优势。然而由于其价格相对来说过高,经过了十多年,VXI至今在美国仪器市场上其所占的比例尚不足5%,在其它国家和地区就更低。
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二.PXI(PCI Extension For Instrumentation,简称PXI)背景
在1987年VXI诞生的当时来说,计算机VME总线(IEEE1014-1987)相对GPIB来说是很先进的PC总线,然而,十多年之后,全球PC工业已经发生了翻天覆地的巨大变化。今天,全球台式PC软、硬件设计中的事实标准是PCI总线,在PC插卡式的数据采集板发展潮流中PCI总线已经渐渐成为主流。对模块化的第三代ATE(自动测试设备)系统来说,跟上PC发展步伐,建立全新的测试平台标准势在必行。
为了更加充分而直接地发挥当今PC的各种软、硬件优势, NI公司又于1997年9月1日推出了第三代ATE系统的开放性模块化仪器总线规范PXI。PXI的发展思路与VXI非常相似:VXI是将VME总线扩展到仪器,而PXI是将计算机PCI总线扩展到仪器。
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短短两年,PXI得到了飞速发展,究其原因:GPIB和VXI的成功经验与失败教训无疑为其奠定了基础;同时,PXI也得益于二十年来PC工业的高速发展和大量技术、工艺的积累,尤其得益于在欧洲经受了长期工业考验的Compact PCI。
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作为第三代ATE的新兴代表,PXI将计算机PCI 总线、Compact PCI(CPCI)完美地结合到测试仪器中--首先,在可靠性、稳定性和测量精度等方面继承了VXI的模块化优点;第二,PCI总线比VME总线有着许多先天性优点,因此PXI许多性能,如数据宽度、数据速率等都优于VXI;第三,PXI与Compact PCI保持兼容;最后,PXI价格适中,首期投入少,比VXI便宜30%左右,在提供高品质测控系统的同时,使用户降低费用。
PXI在射频和微波频带以下的中高频段可以替代VXI而且价格优势明显,深受广大用户欢迎,目前我国军方已将PXI与VXI同列为装备部队的两大测控平台。因为PXI有着高性价比,所以NI公司现在大力推广PXI。PXI联盟在短短的两年之间已有60多家公司加入,这本身就说明了市场极高的认可程度。从我国航空航天、核工业、模拟核爆以及兵器工业等部门使用PXI的情况来看,作为一个新型虚拟仪器平台,它完全能在射频和微波频带以下的测控系统中替代VXI来完成各种复杂的高标准测试要求,目前正朝气蓬勃地向商用与军用领域拓展。
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【PXI测试系统平台综述】
一.PXI总线模块仪器系统的体系结构
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台式PCI是在一个坚固的封装结构内实现,因此其不同层次的软件,从操作系统到底层器件驱动器、高级仪器驱动器,直到完整的图形API都可以用在PXI系统,使系统集成很容易。PXI技术规范要求每个PXI外设模块应有相应的驱动器软件,进而实现虚拟仪器软件结构(VISA)。
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二.PXI系统性能的优越性
1.优良的机械性能
PXI采用了与CPCI相同的坚固欧洲卡组件系统和高性能IEC连接器,增加了特殊的冷却和环境要求,并提供了两种与标准Compact PCI系统的互操作方式。
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·欧洲卡机械组
PXI和Compact PCI的机械结构符合欧洲卡规范,其最新补充提出了电磁兼容性、用户定义的机械锁定和用于PXI系统的其他装配问题。这些电子装配标准定义了坚固、紧凑的系统结构,以保证装配的机架在苛刻的确工业环境中使用的可靠性。PXI规范定义了单高和双高两种尺寸的模块。
另外,PXI规范规定了系统槽的唯一位置是总线板的最左端,且系统控制器(控制器的相关产品)可向其左面控制器扩展槽内扩展,这样不但降低了系统集成难度,提高了不同厂商的控制器和机箱之间的兼容程度,也防止了系统控制器占用宝贵的外围插槽。
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·高性能连接系统
PXI使用与CPCI相同的高密度、屏蔽型、针孔式连接器,连接器引脚的间距为2mm。这种连接器符合IEC-1076国际标准,在所有条件下均具有良好的电特性,使得PXI系统可以在一个单一的总线板上提供比PCI总线台式PC更多的插槽。
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·增加的电子装配规范
在CPCI规范中规定的全部机械要求均可直接用于PXI系统。此外,PXI还包括用于简化系统集成的附加要求,如所有的PXI机箱均要求强制空气冷却;要求电磁辐射和灵敏度试验,以保证与国际标准一致等。
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·与Compact PCI的互操作性
一方面,用户可以在PXI机箱内插入标准的Compact PCI卡;另一方面,用户可以在标准的Compact PCI机箱中,选用与PXI兼容的插入式模块,这时用户虽不能执行PXI特有的功能,但可以应用模块的基本功能。
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2.优异的电气性能
PXI保持了PCI总线所有的优点,同时增加了一个专用的系统参考时钟、公共触发线、星形触发总线和本地总线,从而满足了精确定时、同步和旁带通讯的需要。
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· 系统参考时钟
PXI规定了把一个10Mhz系统参考时钟分配给所有外围设备的方法。这个参考时钟在一个测控系统中同步不同的模块。参考时钟在背板上的实现是严格定义的,所以它提供了低失真信号,保证了用于复杂触发协议中的每个触发总线信号具有理想的时钟边沿。
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·公共触发
PXI规定了八条非常灵活的公共触发线,能用于不同的方面。如,用户可以使用触发线同步七个不同PXI模块的操作。在其他应用中,一个模块能控制系统中其他模块上进行的精确定时的操作序列。触发信号还能在模块间传递,以实现对所控制或监控的外部异步事件作出确定响应。
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· 星形触发
PXI星形触发总线为用户提供了超高性能的同步功能。较之公共触发线它有两个优点:一是保证了系统中的每个模块具有单独的触发线,这适合确定性要求很高的应用;二是PXI背板规定了明确的布局要求,使星型触发线提供了从星型触发插槽到每个槽的相应传输时间,保证了每个模块之间精确的触发关系。
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· 本地总线
PXI本地总线是菊花链总线,它连接每个外围插槽及其相邻槽。每个本地总线为13线宽,可用于在模块之间传输模拟信号或提供高速旁带通讯路径,并不会影响PXI的带宽。本地总线信号的范围从高速TTL信号到高达42V的模拟信号。相邻模块开关通过初始化软件实现,禁止使用不兼容模块。模块被要求将它们的本地总线引脚初始化成高阻状态,并且只能在配置软件确定相邻模块兼容时激活本地总线功能。这种方法提供了定义本地总线功能的灵活手段,而不受硬件开关限制。PXI背板上最左边插槽的本地总线用于星型触发。
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· PCI特征
PXI系统具有比PCI更多插槽的特点,有多达7个插槽,这是由Compact PCI规范规定的。而其他所有PCI特性,如33MHz时钟频率、32位和64位数据传输、系统扩展采用PCI-PCI桥接技术、即插即用等,都适合于PXI。
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当今PC机的主流总线标准是PCI,因此PXI可直接得益于PC机主流工业现有的大量的软件和硬件资源。PC机的PCI数据传输优势(132MByte/s)、最新CPU的处理能力、图形显示的速度与分辨率以及熟悉易用的Windows软件,这一切都使PXI在各方面超过了大多数传统的专用仪器性能。
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三.良好的软件规范
PXI定义了软件要求,从而进一步降低了系统集成难度,包括使用标准的操作系统构架,譬如Windows NT和95;所有外围设备要求适当的配置信息和软件驱动器。显然,通过采用现有的台式PC软件技术获得的益处促进了PXI软件规范。
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1.一般软件要求
PXI系统提出的软件构架包括Windows NT和95,在任一构架中操作的PXI控制器必须与目前的操作系统和未来的升级版一起工作。因此,控制器能使用符合工业标准的应用编程接口,包括Labview、Lab Windows/CVI、Visual C/C++和Borland Turbo C++。PXI还要求所有外围模块具有在适合的构架中运行的设备驱动程序,这事实上要求了制造商而不是用户开发这些软件,缩短了用户的开发周期。而对于其它没有软件标准的工业总线,硬件供应商通常不提供软件驱动器.
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2.其它软件要求
PXI还要求得到外围模块和机箱供应商制作的某些软件组件。初始化文件规定了PXI组件需要的系统配置和系统能力,操作系统使用这些信息保证系统的正确配置。最后,PXI规定了在仪器领域广泛应用的虚拟仪器软件构架(VISA)的实现,用于配置和控制VXI、GPIB、串行口和PXI仪器。
PC产业的蓬勃发展带动着一波波工业界替换传统解决方案的潮流。过去30年间,自有的技术主导着工业控制、测试与自动化的发展,如PLC与各式的field bus。随着Intel的CPU速度与稳定度的提升,以及Microsoft在操作系统上的广泛采用,使得PC的功能不再只局限于网络功能与数据处理。PC技术的推展,使得各式工业计算机的规格各执擅长,如PICMG的单板计算机规格,使用于嵌入式应用的PC/104+规格,以及PXI/CompactPCI规格的诞生。目前,PXI的系统已广泛且成功地应用于汽车测试、半导体测试、功能性测试、航空设备测试以及军事的应用之上。相较于其他的工业规格,PXI具备较佳的效能与较低的成本优势。本文将专门讨论PXI技术发展与近况。
PXI 组织与产品近况
PXI 为PCI eXtensions for Instrumentation 的缩写。而制订并推广PXI规格的组织就是PXISA (PXI System Alliance),PXISA于1997年成立,并于该年推出1.0版的PXI规格。PXISA是一个非营利的组织,且其会员分为三个不同的等级,分别为Sponsor membership,Executive membership与Associate membership。除了年费的不同外,各等级的会员负有不同的责任、义务与权利。Sponsor会员需具备一年以上的Executive会员资格,并且可于PXISA董事会中占一个席位。Sponsor会员负责规格的起草与修改,并提出初版的制订,且具有对PXI规格承认的投票资格,并主导PXI规格的行销策略的建立。Executive会员可以积极参与行销方向与规格技术方面的意见交流,也具备对PXI规格的同意投票权。第三级的Associate 会员则无投票权,但经由PXISA可以获得最直接的第一手信息。目前PXISA中全球总计超过50个公司加入,其中不乏业界知名公司。亚洲方面目前共有五家公司加入PXISA,分别为中国台湾的凌华科技(ADLINK )和致茂科技(Chroma),日本的Advantest与SRC公司,以及韩国的CMI公司。其中ADLINK与Advantest具有Executive会员资格。PXI的规格于2000年推出2.0版,并于2003年2月更新至2.1版。有兴趣的读者可以自行在PXI网站www.pxisa.org下载PXI的规格。
随着PXISA的接受度提高,以及全球众多厂商的加入,目前PXI已不会让客户有被单一厂商绑住规格的忧虑,且市场上有超过600种不同的PXI模块问世。目前PXI接口上可以取得的模块包括:
Pentium III GHz 等级PXI 控制器、取样频率达Gsps之高速波形撷取模块(High speed digitizer)、任意波形产生器(Arbitrary waveform generator)、射频信号分析模块(RF analyzer)、各式信号交换模块(Switching modules, from DC to GHz)、光交换模块(optical switching modules)、各式数据撷取模块(DAQ modules)、数字传输模块(DIO modules)、计数器/定时器(Counter/Timer modules)……不胜枚举。
多重的PXI模块选择,搭配不同机箱,使得PXI可以符合各种应用需求,并且易于维护。
PXI技术简介