仪器专用总线PXI

PXI总线与仪器系统集成PXI–PCIeXtensionsforInstrument(NI,1997)第十四讲12概述20世纪70年代，测试系统主要采用CAMAC仪器、GPIB仪器以及PC-DAQ仪器。GPIB的数据传输速率低；PC-DAQ直接利用了ISA总线或PCI总线，没有定义仪器与测试系统所需的总线，不能满足自动化测试的需要。20世纪80年代末国际上出现了先进的VXI总线技术。由于它具有精度高、速度快、可靠性高、通用性强等卓越的性能，在军事、航天、航空等领域得到普遍应用。但是VXI仪器系统体积大、成本高，限制了其在工业领域的推广应用。为适应仪器与自动化测试系统用户日益多样化的需求，NI公司基于当时性能最先进的计算机总线PCI，吸取VXI总线精华，简化VXI总线结构，提出了一种新的测试系统总线—PXI总线。23PXI概念PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)：PCI总线在仪器领域的扩展。1997年9月1日，美国NationalInstruments推出的一个全新的开放式、模块化仪器总线规范。1998年PXI联盟成立，旨在推进PXI和CompactPCI在测量和自动化领域的应用，进行PXI规范维护和版本控制，保证多厂商系统在机械、电气和软件方面的互操作性。PXI是将CompactPCI规范定义的PCI总线技术拓展为适于试验、测量与数据采集应用的机械、电气和软件规范，从而形成了一种以PC机为基础的高性能、低成本的模块化仪器系统。PXI是将通用PC的性价比优势与面向仪器领域扩展技术（提供高性能仪器所需的仪器资源）相融合的产物。34PXI系统规范45PXIStartswithCompactPCICompactPCI通过融合3个国际标准将PC技术移植到一个紧凑而坚固的机箱中PCI总线标准（台式PC）欧规卡封装（VME和VXI）高性能IEC连接器（电信行业）

=>CompactPCI的优势：基于PC技术，并且其尺寸小而坚固。PCIbusEurocard

packagingBetterIECconnectorsCompactPCI56WhyusethePCIbus?广泛的工业支持具有即插即用特性丰富的软件产品32-bitdatatransfersat33MHz(132Mbytes/sec)PCI是事实上的工业标准defactostandard67PCI总线1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团。PCI-PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup（外围部件互连专业组），简称PCISIG。78PCI总线特点1）高性能PCI总线数据宽度为32位，可扩展到64位，时钟频率33/66MHz。数据传输率可达132MB/s(32Bits@33MHz)-528MB/s(64Bits@66MHz)。2）采用总线主控和同步操作PCI独特的同步操作功能可保证微处理器能够与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。提高PCI总线性能3）支持突发工作方式PCI总线支持突发工作方式，并且后面可跟无限个数据周期。这意味着可以从某一地址起读出或写入大量数据。线性猝发传输能够更有效地运用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。89PCI总线特点4）减少存取延迟对于支持PCI总线的设备，存取延时很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间。5）不受处理器限制，通用性好PCI独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。可随意增添外围设备以扩展电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降；独立于处理器的总线设计还可保证处理器技术的变化不会使任何个别系统的设计变得过时；可适用于各种机型，如：台式机、便携机和服务器等。910PCI总线特点6）成本低PCI总线采用地址/数据总线分时复用方式，大大减少了引线数（120pinsfor32-bits,184pinsfor64-bits）。7）自动配置（即插即用，PlugandPlay）PCI总线具有即插即用功能，可以自动配置，使用方便。从而保证了用户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线。8）兼容性好，易于扩展PCI总线标准对协议、时序、负载、电气特性和机械特性等都作了严格的规定，这保证了它的可靠性和兼容性。PCI总线可与ISA、VESA等总线兼容。1011CompactPCI–为什么使用不同的连接器?使用高密度、屏蔽型、针孔式连接器高密度引脚坚固可靠集成的屏蔽匹配的阻抗特性最大的益处：更多的插槽（7个）！J1J21112CompactPCI–为什么使用欧规卡封装?其出色的性能已被数十年的工业应用所证明(VME,VXI,…)已被接受为IEEE1101标准已有大量实际可用的机械部件优良的散热特性模块化、坚固和紧凑1213PCMotherboardController+Backplane123456781234PCmotherboardwithfourPCIslotsCompactPCIembedded

controllerCompactPCI8-slot

backplane1314PCI和CompactPCI扩展卡尺寸PCIPXI/CompactPCIHalfsize3UFullsize6UUserscanredesignPCIboardstofitinPXI/CompactPCIwithlittle

ornoelectricalchanges1415PXI融合已有的标准技术CompactPCIPCI1516开放的PXI系统规范SoftwareElectricalMechanicalThePXIsystemspecificationextendsCompactPCIforinstrumentation.SSpecificationRevision2.01617机械规范由CompactPCI规范引入的Eurocard坚固封装形式和高性能的IEC连接器被应用于PXI所定义的机械规范，使PXI系统更适于在工业环境下使用，而且更易于进行系统集成。IEC连接器机械规范Eurocard环境测试主动冷却1718机械规范与CompactPCI共享的PXI机械特性高性能IEC连接器这种由IEC-1076标准定义的高密度阻抗匹配连接器可以在各种条件下提供尽可能好的电气性能。Eurocard机械封装与模块尺寸PXI和CompactPCI两者都采用了ANSI310-C、IEC-297和IEEE1101.1等Eurocard规范。这些规范支持小尺寸（3U）和大尺寸（6U）。IEEE1101.10和IEEEE1101.11等新规范增加的电磁兼容性、用户可以定义的关键机械要素、以及其它的封装均被移植到PXI规范中。1819PXI模块3U:100mmx160mm–VXIbusAModule模块后部有2个连接器J1和J2(22x5=110Pins)6U:233.35mmx160mm–VXIbusBModule除了具有J1和J2连接器外，还提供实现PXI性能扩展的J3和J4连接器连接器J1:提供32位PCI局部总线定义的信号线J2:提供用于64位PCI传输和实现PXI电气特性的信号线1920PXI/CompactPCIFormFactorsAll3Ucardsworkin6Usystems64-bitPCIandPXIFeatures3UPXI/CPCIJ1J232-bitPCI6UPXI/CPCIJ5J4J3J2J164-bitPCIandPXIFeatures32-bitPCIPXIReservedPXIReservedPXIReserved6UAdapterPanel2021机械扩展PXI提高了系统的可靠性和互操作性，因为：强制的主动冷却要求给出每个模块温度的实测值和额定值定义了针对EMC、冲击、振动、湿度等的系统级环境要求定义了嵌入式控制器的位置2122机械规范机箱与系统槽PXI机箱中的系统槽必须位于最左端，而且主控机只能向左扩展以避免占用仪器模块插槽。控制器扩展槽没有连接器与背板相连，不能用于插接外围扩展模块。PXI徽标和兼容标志环境测试PXI规范推荐所有环境测试按照IEC60068规范描述的过程测量湿度、振动和冲击，并随产品一起提供给用户。冷却规范PXI规定模块所要求的强制冷却气流流向必须由模块底部向顶部流动。制造商应在模块的技术文档中写明在常规运行条件下模块的标称功率。2223机械规范机箱与模块的接地和EMIPXI机箱应留有能实现机箱地与大地直接相接的端子，推荐使用PICMG2.0R3.0规范中描述的连接器。其它规范为保证PXI系统和模块性能一致性和全球范围内的可用性，要求制造商按照IEC61326-1标准和IEC1010-1标准对产品完成EMC和电气安全测试等。PXI维护了与标准CompactPCI产品的互操作性。2324电气规范PXI电气规范描述了PXI系统中各种信号的特征及实现要求，规定了PXI连接器的引脚定义、电源规范和6U尺寸系统的实现规范等。由于PXI规范是以PCI总线规范为基础的，PXI总线保留了PCI总线的优越性能：33/66Hz时钟32位和64位数据传输132MB/s-528MB/s的峰值数据传输率可通过PCI-PCI桥实现系统扩展可升级为3.3V系统支持即插即用等2425电气规范P1/J1连接器信号PXIP1/J1连接器上的所有信号均应符合PICMG2.0规范的要求。P2/J2连接器信号在CompactPCI64位规范的基础上，将那些CompactPCI规范保留或没有定义的一些引脚进行重新定义。CompactPCI64位规范中定义的连接器信号本地总线参考时钟触发总线星形触发保留的信号线：PXI_BRSV(2)2526本地总线外围模块（2–8槽）：本地总线左右两侧各有13条信号线PXI_LBR[0:12]，PXI_LBL[0:12]最左侧外围模块插槽（2#槽）的左侧本地总线被用于星形触发总线系统控制器也不使用本地总线，而将这些引脚用于实现PCI仲裁和时钟功能用户可自行定义它们的功能：传输高速TTL信号模拟信号(<+/-42V,200mADC)本地总线的配置或键控由机箱的初始化文件chassis.ini来定义，这种软件键控方法比VXI总线的硬件键控方法具有更大的灵活性。2627参考时钟PXI_CLK10由PXI背板为每个扩展插槽单独提供10MHzTTL参考时钟输入至每个外围插槽的参考时钟都由一个独立的、源阻抗与背板匹配的缓冲放大器进行驱动，参考时钟在不同插槽间引入的信号畸变应小于1ns。主要用途：测控系统中多个仪器模块之间的同步实现各种触发协议时的标准时钟（信号畸变<1ns）2728触发总线PXI_TRIGPXI有8条总线型触发信号线：PXI_TRIG[0:7]PXI规范定了两种触发协议：PXI异步触发协议：单线广播触发方式PXI同步触发协议：以PXI_CLK10为参考时钟的触发方式。PXI_TRIG线由一个PXI模块驱动，另一个模块在PXI_CLK10的上升沿做出同步响应。2829星形触发PXI_STARPXI星形触发信号线提供更高性能的同步功能：PXI_STAR[0:12]星形触发控制器安装在第一个外围模块插槽（2#槽），使用插槽左侧的13条本地总线引脚，实现与各外围模块星形触发信号线PXI_STAR连接。PXI规范规定：一个PXI机箱只能有一个星形触发槽（2#槽）；星形触发线的特征阻抗为65Ω10%；不同插槽间星形触发信号的传输延迟不能大于1ns；星形触发槽至各外围扩展槽间星形触发信号的传输延迟不能大于5ns；适用于PXI触发总线的触发协议同样适用于星形触发线。2930电气规范6U系统的实现PXI规范要求，6U外围模块只实现J1和J2连接器上的功能，不应使用J3和J4连接器，而留待PXI规范的未来版本使用。使用PCI-PCI桥连接器实现系统扩展（p.224）使用PCI-PCI桥接器能够增加总线段的数目，为系统扩展更多的插槽1段7个可用扩展槽2段13个可用扩展槽（1对PCI-PCI桥接器，占用2个扩展槽）3段19个可用扩展槽（2对PCI-PCI桥接器，占用4个扩展槽）3031机箱电源规范电源类型（4种）：+5V —主电源+12V/-12V —模拟电路电源+3.3V —数字电路电源3132电气扩展TriggerbusSystemcontrollerStartriggercontrollerPeripheralPeripheralPeripheral10MHzCLK132MB/s,33MHz,32-bitcomputerbusStartriggerLocalbusPXI扩展的定时和触发信号线提高了仪器系统的性能3233电气扩展3334PXILeveragesVXIFeatures LocalBus Triggers Clock StarBusVXI 12lines 8TTL,2ECL 10MHzECL D-sizeonly

PXI 13lines 8TTL 10MHzTTL 1perslotTimingandtriggeringextensionsinPXIandVXI3435触发总线同步仪器模块PXI-6070ENI5102PXI-6533StartscanRTSIoscillatorMultifunctionI/OOscilloscopeDigitalI/OPXItriggerbus3536软件规范系统软件框架：PXI控制器必须支持标准的软件框架系统控制器必须支持的操作系统4种系统软件架构：Windows95/98/NT/2000规定所有外围模块都应提供驱动程序：每个外围模块均必须提供一个WIN32的设备驱动程序PXI仪器模块支持VXIPlug&Play系统联盟定义的VISA规范；提供LabVIEW、LabWindows/CVI、VisualBasic、VisualC/C++、TurboC/C++等多种开发环境下的应用软件开发接口（API）。3637软件规范对已有仪器标准的支持所有PXI系统控制器模块都应配置VISA软件，作为系统配置、槽位识别、触发总线和星形触发线访问等功能实现时的软件接口；推荐仪器类PXI模块提供符合VPP规范（VPP-3.x和VPP-7）的仪器驱动器和软面板程序，为用户提供熟悉的软件开发环境。系统实现问题规定了.ini文件的格式提供PXI系统的初始化文件（pxisys.ini）：描述PXI系统的配置状况，包括PXI机箱各扩展槽的能力和已安装外围模块的物理位置信息等，通常有外围模块驱动器软件使用。提供PXI机箱初始化文件（chassis.ini）：描述PXI机箱的功能。3738PXI与PC的软件是完全相同的PC操作系统和应用软件无需修改，就可以运行在PXI系统上；PC配置工件将PXI模块识别为PCI器件。“WeportedfromadesktopPCtoPXIwithoutchanginganycode”–LenBurczyk,LosAlamosNationalLaboratories3839PXI架构总结ElectricalMechanicalSoftwareCompactPCIPCIbusEuroCardHighperformance

connectors部件系统PXI是基于CompactPCI定义的一种完整的测量和自动化系统架构3940TheCompactPCISpecificationBodyPCIIndustrialComputerManufacturersGroupGovernsthecoreCompactPCIspecificationFocusontelecommunicationsinfrastructureOnlinedirectorycontainshundredsofproductsMorethan500companymembers40Charterofthisgroupisto

-PromotePXI

-Ensureinteroperability

-ControlthePXIspecificationFocusisonusersuccess

inmeasurementandautomationMorethan50companymembers

SystemsAllianceThePXISpecificationBody4142PXI系统联盟成员GenRadGespacGoepelElectronicGDESystems(Marconi)GTE-ERSInnovativeIntegrationKineticSystemsLeCroyMACPanelMENMikroElektronikTalonInstrumentsAcqirisAdvancedPowerDesignsAdvancedTestMethodsAlphiTechnologyAMPAnalogicASCORARVOOEngineeringATEMEA&TEngineeringTech.Ctr.B&BTechnologiesBittWareResearchSystemsBodeEnterprisesBRIMEC&HTechnologiesCHROMAATEDataPatternsDateppliDatumDolchComputerSystemsNationalInstrumentsPickeringInterfacesPXInstrumentTech.RacalInstrumentsRohdeandSchwarzQuantumControlsSBSGreenSpringShaanxiHiTechSRCTestWareTracewellSystemsTTITestronVeroElectronics(APW)VirginiaPanelCorp.ZYNXSchroffMarekMicroERNIBallardTechnology4243PXI仪器系统的应用测试与测量工业自动化机器工况监测与控制、机器视觉与产品检验、过程监测与控制、运动控制、离散控制、产品批量检测和测试等。数据采集科学实验……4344PXI系统构建选择操作系统和应用开发软件选择PXI机箱选择PXI控制器选择PXI仪器模块选择附件44451–选择应用软件环境

选择Windows操作系统选择一种标准的应用程序编程接口Graphicalprogramming–LabVIEW™Text-basedprogramming–MeasurementStudio™Real-timeprogramdevelopment–LabVIEWRT45462–选择PXI机箱选择足够的插槽，留有扩展余地通常为4槽、6槽、8槽、14槽或18槽的3U或6U机箱使用MXI™-4连接多个机箱考虑应用需求便携式、桌面式、机架式集成的信号调理机箱(SCXI™)组合PXI和SCXI4647灵活的安装方式PXI/CompactPCI主要应用领域：测试和测量数据采集工业自动化47483–选择控制器嵌入式控制器最紧凑的方案模块化=易于维护先进的IntelCPUWindowsorLabVIEWRT(实时操作系统)外置式MXI-4控制器低成本远程控制完全透明4849多系统扩展接口MXI-4Serial

I/FMXI-4Highspeedseriallink1.5GHzPrimarySecondaryPCItoPCIBridge软件是透明的!Serial

I/FPCICompactPCIPCI1PCI0MXI-4体系结构4950MXI-4为PXI/CompactPCI系统提供更多的扩展槽高性能的串行连接MXI-4：为PC机和PXI系统间提供一个78MB/s的桥接MXI-Express：为PC机和PXI系统间提供一个110MB/s的桥接易于系统集成–软件透明短距离（10米，铜电缆）或长距离（200米，光纤）连接低成本PCI/PCIetoPXI/CPCIPXI/CPCItoPXI/CPCI5051InterfacesGPIBSCSIandEthernetPCMCIACANandDeviceNETRS-232RS-485DAQandcontrolRTseriesMultifunctionI/ODigitalI/OAnalogoutputImageacquisitionMotioncontrolCounter/timersInstrumentsOscilloscopesDigitalmultimetersArbitrarywaveformgeneratorsTemperaturemetersSwitchmultiplexersSerialdataanalyzersMXI-2kitsforVXI/VME4–选择仪器模块Choosefrommorethan50NImodules:51525–选择附件连接方案电缆端子排直接的前面板连接第三方接收器信号调理基于机箱方式的–SCXI外部扩展的安装工具5253PXI仪器系统特点PXI提供了更高的总线吞吐量每个应用都有其独特需求，然而，对于所有应用带宽和时延始终是一个平台的两大重要特性。时延相对单点操作较为重要，如数字万用表/开关扫描，带宽则对于数据流应用较为重要，如波形激励/响应。PXI为广泛的应用提供兼具高带宽和低时延的高速通信。

5354PXI仪器系统特点定时和同步PXI提供了满足高级应用所需的定时与同步特性。100MHz差分系统参考时钟10MHz参考时钟信号带有长度匹配的星型触发总线可以最小化模块间的时延和偏移收发高速定时和触发信号的触发总线用于多机箱同步的差分信号5455PXI仪器系统特点定时和同步PXIExpress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5556PXI仪器系统特点系统可靠性PXI规范定义了确保PXI系统胜任恶劣环境工作的要求。高性能的IEC连接器和稳固的欧规卡封装系统。定义了保证工业环境中正常操作所需的特殊的冷却和环境要求。模块化方便了对PXI系统的配置和修复，具有极低的平均修复时间（MTTR）。因为PXI是模块化的，您可以单独升级某一个模块和组件，而不必替换整个系统。5657PXI仪器系统特点更低的系统成本由于PXI以PC技术为基础，因此，PXI可提供：低成本的组件：以合理的价格提供高精度的测量、同步和定时特性。熟悉的软件和系统的复用：可以在办公室和生产车间使用同样的OS和应用软件，如MSExcel和Word。对于软件的熟悉，免除了培训的成本和每次部署新系统时重新培训人员的必要。5758总结PXI将测试技术与主流计算机技术融合，是一个将CompactPCI扩展到测量和自动化领域的完整系统规范基于CompactPCI工业总线发展起来的PXI系统可以从众多可供利用的软、硬件中获益，如运行在PXI系统上的应用软件和操作系统就是最终用户在通用PCI计算机上所使用的软件。高性能、高可靠性、标准化PXI通过增加坚固的工业封装、更多的仪器模块扩展槽以及高级触发、定时和边带通讯能力更好的满足了测量和自动化领域的需要。PXI和CompactPCI是被众多制造商支持的开放标准今天已有上千种产品可用于构建PXI/CompactPCI系统58OverviewofVXI&PXIWhichShouldIChoose?5960VXI=VMEeXtensionsforInstrumentationExtensionsLargerSpacing(0.8”VMEvs1.2”VXI)ShieldingCoolingSpecifiedTriggerLinesMorePowerRails10MHzClockLocalBus6061PXI=PCIeXtensionsforInstrumentationExtensionsSameSpacing0.8”CPCINOShieldingspecified(optional)CoolingSpecifiedTriggerLinesLocalBusMorePower10MHzClock6162VXI20YearOldEstablishedStandardIntroducedinmid-198780VendorsWorldwide1400ProductsAgilentTechnologiesLargestSupplier，VXITechnology是目前最大的VXI系统供应商主要应用军事/航空/航天制造过程自动测试系统ManufacturingTestATE高密度、高性能数据采集系统High-Density,High-PerformanceDAQ6263VXIbusStandard-DetailsEurocardStd.ModuleSizesA-size10x16cmB-size23x16cmC-size23x34cmD-size36x34cmMostPopular-90%2ndMostPopular-10%“3U”Or“6U”6Ux2deep9U6364PXI10YearsOldIntroducedbyNationalInstruments60MembersofPXISystemsAlliance30VendorswithProductsIntroducedAbout568ProductsWorldwide(+200cPCI)NationalInstrumentsLargestSupplier主要应用数据采集DataAcquisition功能测试FunctionalTest工业应用IndustrialApps6465PXIStandard-DetailsEurocardStd.ModuleSizes3UCompatibilityin6UChassis10x16cm23x16cmMost