第4章 PXI总线技术.ppt

1、第4章 PXI总线技术,教学内容 PXI体系结构简介 机械结构 电气规范 软件框架和规范,PXI总线,PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是PCI（Peripheral Component Interconnect）在仪器领域的扩展，是与VXI总线并行的另一种模块式仪器总线标准。它由PXI系统联盟在1997年制定，将CompactPCI（坚固PCI）规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而产生了新的虚拟仪器体系结构。 支持32位、64位数据传输，传输率可达132MB/S或528MB/S，欧卡机械封装和

2、高性能连接器，体积小，实现了VISA（虚拟仪器软件框架）,PXI总线规范,PXI的核心技术是CompactPCI工业计算机体系结构、Microsoft Windows软件及VXI总线的定时和触发功能,PXI优点：（融合PC技术、仪器技术、欧卡机械规范等）,具备软件标准，缩短了系统开发时间 系统工作寿命内的平均维护成本低廉 符合工业环境应用的坚固设计 方便系统升级的模块化设计 更多的高性能I/O槽位 10MHz的专用系统时钟 总线型触发线 槽间局部总线 星状触发,4.1 PXI体系结构,PXI总线规范涵盖了三大方面的内容：机械规范、电气规范和软件规范（图4.3）,自顶向下的体系结构,硬件规范,P

3、XI的机械结构与VXI相似，PXI规范定义了一个包括电源系统、冷却系统和安插模块槽位的一个标准机箱。PXI在机械结构方面与CPCI的要求基本上相同，采用Eurocard规范。PXI支持两种类型尺寸的模块：3U和6U。 3U尺寸的模块有两个连接器，J1用来连接32位的PCI信号，J2用来连接64位的PCI信号和PXI的新增信号。 6U尺寸的模块有5个连接器，除了J1和J2以外，J3、J4、J5的信号引脚用于将来的PXI扩展。,4.1.1 机械结构简介,PXI模块的结构尺寸与连接器如图,100mm*160mm,233.35mm*160mm,2与CompactPCI共享的PXI机械特性 PXI总线提

4、供了两条与CompactPCI标准兼容的途径。 高性能IEC连接器 Eurocard机械封装与模块尺寸,3新增电气封装规范 （1）系统槽定位 PXI定义系统槽位于总线段的左端，这种定义是CPCI规范中允许配置的一种。也定义了星状触发控制器插槽位置。 （2）新增机械特性 所有在PICMG 2.0 R2.1（CPCI规范）中定义的机械规范都适用于PXI系统，但是PXI包含了以下要求以简化系统的集成： PXI规定模块所需求的强制冷却气流流向必须由模块底部向顶部流动； PXI规范建议的环境测试包括对所有模块进行温度、湿度、振动和冲击试验； PXI规范还规定了所有模块的工作温度和存储温度范围。,（3）与

5、Compact PCI的互操作性 PXI的重要特性之一是维护了与标准CPCI产品的互操作性，可在PXI机箱中使用一个标准的CPCI模块，也可在CPCI机箱中使用PXI模块。CPCI和PXI都利用其具有的PCI局部总线来确保它们之间在电气和软件上的兼容性。,4.1.2 电气结构简介,PXI总线的电气性能,1PCI总线特性 PXI提供了与台式机PCI总线特性相同的性能。只是PXI系统可在每个33MHz的总线段上提供8个槽（1个系统槽和7个外设槽），在每个66MHz总线段提供5个槽（1个系统槽，4个外设槽）。但PCI分别只有5个和3个。此外，以下PCI特性都可平移到PXI总线上： 33/66MHz总

6、线时钟 3264位数据传输 132MB/S到528MB/S峰值数据传输速率 通过PCI-PCI桥进行扩展的能力 可升级为3。3V系统 支持即插即用,2系统参考时钟 PXI系统通过J2连接器实现了10MHz的系统参考时钟，这个参考时钟与PCI总线时钟相互独立，并通过背板连接到所有的外设仪器槽，可以用来实现不同仪器模块之间的严格同步。 3触发总线 PXI将ECL参考时钟改为TTL参考时钟，而且只定义了8根TTL触发线，不再定义ECL逻辑信号。 4局部总线 PXI局部总线是每个仪器模块插槽与左右临槽相连的链状总线(菊花链状)。该局部总线具有13线的数据宽度，可用于在模块之间传递模拟信号，也可以进行高

7、度边带通信而不影响PCI总线的带宽。,5星状触发器 星状触发器为用户提供了一种高性能的同步特性。星状触发器在外设槽的第一槽（系统控制器槽右边）和其他外设仪器槽之间配置了专门的触发线，用户可以在第一槽安装星状触发控制器来实现外设模块之间精确的同步触发。 6利用PCI-PCI桥进行系统扩展 PXI系统可利用PCI-PCI桥技术构成包括多个总线段的系统。一个桥接设备在每个总线段占用一个总线槽，因此一个具有两个总线段的33MHz的系统可提供13个外设模块。即2个总线段*8槽/段-1个系统控制器槽-2个PCI-PCI桥槽。类似地，一个三总线段可提供19个外设模块槽。,4.1.3 软件结构,1通用软件要求

8、 PXI规范中定义的软件系统包括了Windows NT和Win32，系统的控制器必须支持目前的操作系统和将来的升级，这种要求的好处在于在PXI系统中可以使用目前流行的软件开发工具，诸如Visual C+、Borland C+、Visual Basic、LabVIEW及LabWindows/CVI等。 2虚拟仪器软件要求 PXI系统要求通过VSIA软件标准来定位、控制GPIB、VXI、串行和PXI的仪器模块，这项要求为最终用户减少了在软件上的投资费用。,3其他软件要求 归纳起来，PXI用于测控、数据采集和工业控制的软件由4个主要部分组成： 系统管理软件； 应用程序； 仪器驱动程序； I/O接口软

9、件。,4.2 机械结构,PXI系统除支持CPCI机械特性外，为更易于系统集成，另增加了一些其他特性，包括系统槽的位置、控制器的互操作性、PXI标志、环境测试、制冷、接地和电磁兼容EMI的指导方针。,4.2.1CPCI机械特性,3U 6U,4.2.2 系统槽的位置和规则,所有PXI系统均需要一个带底板的机箱和一个系统控制器 PXI规定：系统控制槽定义在最左边的PXI插槽上，若控制器需要多个槽的宽度，可使用系统槽左边的插槽。 每个PXI系统控制器模块必须在文档中清楚标明，控制器使用几个扩展槽，占用了几个其左边的系统扩展槽和几个外设模块插槽。也标明可供用户使用的槽,4.2.3 PXI商标和兼容性标志

10、,每个槽有唯一的标号，标号和兼容性标志在相同位置。 系统槽标志为正三角形，外设标志为圆形 星状触发模块和底板应标有旋转400的正方形标志，星状触发槽同时可支持标准外设模块，外设模块的标志与星状触发模块标志一起使用。 一个机箱可拥有多个总线段，多个PCI总线段机箱底板采用总线段的分隔符将每个总线段分隔开。,4.2.4 环境测试,PXI机箱、系统控制器和外设模块必须进行存储和使用温度范围测试，建议进行湿度、振动、冲击测试，PXI环境测试建议按IEC60068规范进行 测试结果必须提供给用户，进行操作和存储温度试验结果也应提供。 若生产商不是按IEC60068规范进行测试，其测试过程和方法应提供给用

11、户。,4.2.5 制冷规范,PXI模块在机箱中应有一个从底到顶的合适的气流通路。 制造商应在产品文档标明模块正常使用功率。 机箱设计时要考虑为每个模块提供制冷通路，说明书应注明机箱最大消耗功率和消耗功率最大的插槽的消耗功率，并在文档中注明具体的测试过程。,4.2.6 6U机箱支持3U模块的特性,6U机箱支持两个3U模块段，允许3U模块插到P1/P2或P4/P5位。,4.2.7 机箱和模块的接地需求和EMI指导方针,机箱应提供一个大地和机箱间的低阻通路，有一个接地螺栓用来提供和机箱地直接相连的通路。 PXI模块使用带金属护套的连接器，实现EMI/RFI的保护，金属护套应符合IEC1101.10规

12、范，通过低阻通路与前面板相连。 PXI模块尽量不要将电路板上的逻辑地与机箱地相连。,4.3 电气规范,规定了PXI所有信号的电气要求和实现、PXI连接器和电源以及6U系统的电气要求。,4.3.1 PXI信号,1、P1/J1信号,所有PXI模块和PXI底板的P1/J1连接器上的信号应符合PICMG2.0 R3.0规范(CPCI)。 为了使系统控制模块可在PXI或CPCI系统中正确运行，控制器上BIOS须将它的中断路由表配置成允许A/D2531到IDSEL映射方式。 将底板PCI器件或第一个PCI段的PCI-PCI桥的IDSEL线连接到除A/D2531以外的地址线。 第一个PCI总线段的PCI底板

13、器件、PCI-PCI桥和外设模块槽中，它们的IDSEL线必须和A/D2531其中一根相连。将PCI底板器件、PCI-PCI桥和外设模块槽中的/INTA、/INTB、/INTC和/INTD引脚连接到系统槽的相应引脚上。,2、P2/J2信号,CPCI 64位连接器信号规范 PXI总线保留信号 局部总线 参考时钟PXI-CLK10 触发总线 星状触发线,CPCI 64位连接器信号规范,系统槽：GND、V、A/D、C/BE、/DEG、/FAL、/PRST、/SYSEN、CLK、/GNT、REQ、GA、/SMB-ALERT、SMB-SCL、SMB-SDA、RSV等 外设： GND、V、A/D、C/BE、

14、 GA 底板： GND、V、A/D、C/BE、/DEG、/FAL、/PRST、/SYSEN、CLK、/GNT、REQ、GA、/SMB-ALERT、SMB-SCL、SMB-SDA、RSV,PXI总线保留信号,系统槽：PXI-BRSVA15、PXI-BRSVB4 外设： PXI-BRSVA15、PXI-BRSVB4 底板： PXI-BRSVA15、PXI-BRSVB4,局部总线,采用菊花链方式连接每个相邻外设模块的局部总线。共13根局部总线。 用来在两个模块间传输模拟信号和进行高速数据传送，而不影响系统的带宽。 系统控制器不使用局部总线，利用这些引脚提供总线仲裁和时钟使用。 系统槽右边相信的槽利用

15、这些局部总线左边信号作为星状触发线使用，最右边外设模块槽的局部总线右边信号可不用，也可作为机箱特殊应用。,当用来连接相邻PXI总线段时，局部总线连接：,共有7个外设插槽,其中一个被PCI-PCI桥占用.因此只有6个外设片选,局部总线使用应遵守的规则：,不能在局部总线上传输超过+/-42V的信号 不能传输直流电流超过200mA的信号 若需要通过局部总线连接附加模块，可允许外设模块将它的局部总线左半边连接到其右半边。须注意局部总线长度或特征阻抗是否违反其规范 允许一个外设模块的局部总线与地相连 若没有与地相连的一个外设模块的局部总线，处于高阻状态，至系统配置软件认为底板和其它外设模块局部总线是兼容

16、的 允许外设模块将局部总线信号上拉至一定电压，防止系统上电时处于不稳定状态 外设模块在每条本地总线上的最大输入漏电流为100uA。,外设模块：,在每个总线段，PXI底板将每个槽A列的PXI-LBR012线连接到对应槽B列的PXI-LBL012，这两个槽应在同一总线段上 若一个槽由于A/D2531被底板的PCI设备或PCI-PCI桥用来作IDSEL使用，而没有局部总线，则其他槽的本地总线只能在相邻的两个槽间进行连接。 系统槽中没有局部总线 底板不能在局部总线信号上安装终端或缓冲器，各个本地信号都应可和相邻外设模块槽直接相连 两个槽间的局部总线长度应小于76.2mm，各线间长度失配应小于25.4m

17、m，连接特征阻抗应为65,底板：,总线段间须添加标志 PXI段的最后一个槽或系统槽相邻的槽中部分局部总线没有使用，底板可利用这些局部总线实现其他功能 星状触发槽不应使用左侧局部总线，这些保留的引脚用来用星状触发线使用 若机箱PXI段的最后一个槽局部总线的右边实现与外部底板接口相连，则应使用机箱中编号最大的槽 一个机箱最多只应有一个槽与外部底板接口。,参考时钟PXI-CLK10,PXI-CLK10是一个10MHz的TTL信号，精度在规定的操作温度和时间条件下，应=0.01% 系统振荡器精度应高于0.005% PXI-CLK10在2.0V作为转换点时，测量占空比应满足50%+/-5% 每个外设模块

18、槽的时钟由一个独立的、与底板源阻抗匹配的缓冲器驱动 时钟线在底板两个槽间引入的畸变应小于1ns PXI规范允许PXI-CLK10由外部时钟源提供更精确的时钟参考。,星状触发槽定义了一个为外部时钟提供输入的引脚 若PXI-CLK10在两个源间切换，脉冲宽度应不小于30ns，同极性的两个连续的边沿间应不小于80ns 上述规则是为了保证时钟转换过程不被短脉冲干扰而采取的一个机制。,触发总线,采用触发线来实现模块间的同步和通信,触发线可用于触发和时钟传送。 8根触发线：PXI-TRIG07 时钟传送：异步触发（单线广播触发）、同步触发（以PXI-CLK10为时钟参考的触发信号，触发源在PXI-CLK1

19、0第一个上升沿触发，接收者在下一个PXI-CLK10上升沿响应。） 底板：对PXI机箱中同一个PXI总线段，PXI-TRIG07信号连接到每个插槽。但底板只能用一缓冲器将不同总线段触发线逻辑相连。PXI-TRIG07须在地和+5V间连接两个快速肖特基二极管。底板基线特征阻抗应在75（1+/-10%）之间。底板布线长度应小于254mm。 外设和系统模块：触发信号线在模块上布线长度应小于等于38.1mm。允许模块不使用全部触发线，上电后，触发线应处于高阻状态，直到软件配置完毕。,星状触发线,星状触发线为每个插槽提供一根触发线，只能使用系统槽右侧相邻槽的左边13根局部总线作为星状触发线PXI-STA

20、R012。 允许一个星状触发控制器监控一个以上PCI总线段，若总线段超过2个，PXI建议只连接前两个总线段(星状触发线共13根，两个总线段共可连接13个外设)。 PXI规定，一个机箱只允许有一个星状触发控制器模块，但并不要求必须有触发控制器模块。触发槽允许一个外部的10MHz频率的标准信号输入到底板作为PXI-CLK10信号使用。 PXI底板连接到每个外设模块星状触发线的阻抗应在65（1+/-10%）之间。PXI规范对底板触发线到各个外设模块槽的连接方式进行了建议。,星状触发器连接表,（1号与2号槽已经被系统控制器及星状触发器占有）,3、6U的使用原则,J3、J4连接器用来实现未来扩展功能，不

21、能作为其它功能使用。 大多数情况下，6U模块仅为外部电路提供扩展空间。,4.3.2 PXI连接器引脚定义（J1/P1、J2/P2）,PXI信号：PXI-BRSV、PXI-CLK10、PXI-CLK10-IN、PXI-LBL012、PXI-LBR012、PXI-STAR012、PXI-TRIG07 CPCI信号： /BD-SEL、BRSV、CLK06、/DEG、/FAL等 PCI信号：A/D063、C/BE07、/INTA、/GNT、/LOCK等,4.3.3 机箱电源规范,5V机箱电源电流规范值,3.3V机箱电源电流规范值,4.4 软件框架和规范,PXI的软件要求包括支持Microsoft Wi

22、ndows NT和Windows 2000这样的标准操作系统框架，要求所有模块带有配置信息（configuration information）和支持标准的工业开发环境（如NI的LabVIEW、LabWindows/CVI和Microsoft的VC/C+、VB和Borland的C+等），而且符合VISA规范的设备驱动程序（WIN32 device drivers)。,4.4.1 系统软件框架标准,PXI支持四种操作系统 （Win95/98/NT/2000）软件框架基本相同，其定义了所有必要的组件和可选组件。PXI系统框架是基于IBM个人计算机及其兼容机和微软操作系统结构进行定义的。 系统控制器

23、模块应基于80X86的结构，并支持VISA结构的实现。 PXI外设模块应提供PXI框架中支持操作系统的模块安装、配置和控制。 建议仪器模块提供表4.18所列的开发环境下的用户级开发接口（LabVIEW、LabWindows/CVI、VB、VC、TC）,4.4.2对已存在仪器标准的支持,仪器类PXI模块应提供符合VPP联盟提供的仪器驱动规范（VPP-3和VPP-7）的驱动程序和软面板。 PXI系统控制器都必须提供符合VISA规范的软件接口，作为对系统配置、槽位置识别、触发总线和星状触发等仪器功能的使用。,4.4.3 系统初始化和配置文件,系统配置信息包含在初始化文件.ini中 .ini初始化文件

24、： 帮助系统设计者了解外设模块局部总线的使用情况 帮助系统了解外设模块的物理位置 可有效获得系统中各个模块槽的编号 机箱配置文件：chasis.ini （包含了系统控制器模块初始化文件pxisys.ini）,.ini文件格式,由ASCII码文本行组成。文件包含一个和多个字段，每个字段包含一个或多个标志行，每个标志行描述一个字段的特殊属性。 注释行：# 字段头： 标志行：标志名、=、数字（值）三部分组成,PXI系统初始化文件(pxisys.ini),包含机箱和系统控制模块的配置情况、外设模块的性能和在机箱中的位置。 初始化文件通常只允许PXI外设模块驱动程序使用。 pxisys.ini中应为每个

25、系统中的插槽建立一个字段，使用Slotn作为字段头。 每个PXI底板设备要在.ini中分配一个唯一的插槽号。每个字段包含表4.19所列的标志行。,PXI机箱初始化文件(chassis.ini),描述PXI机箱的功能。一个机箱包括外设模块槽、系统槽和底板的PCI模块。 chassis.ini为每个槽设置一个字段，使用Slotn作为字段头。 机箱必须为每个槽标注一个号码，这个号码在每个槽字段的第一行出现，必须为每个底板的PCI设备分配一个唯一的槽号。每个字段包含一个IDSEL标志行。,机箱的其他需求,在同一排中存在两个物理系统槽的机箱，左边的系统槽应具有较小的槽号。,4.4.4 PXI总线驱动程序

26、开发 （1）驱动程序设计 Microsoft力推的最新的驱动模型是WDM（windows driver modeule）分层模型，它适合于Windows2000 和XP操作系统，支持即插即用，支持电源管理，是在NT驱动模型之上发展起来的主流驱动模型。 WDM驱动程序模型 在WDM驱动程序模型中，每个硬件设备至少有2个驱动程序，它们是功能（function）驱动程序和总线（bus）驱动程序。, 驱动程序结构 WDM驱动程序采用分层的结构模型, 设备驱动程序开发方法 驱动程序开发一般有两种方法：一种是直接采用DDK（driver develop kit）编程，这种方法对硬件工程师而言难度较高，需要

27、开发者对Windows内核编程有相当的了解。另一种是采用第三方提供的软件开发工具包，采用封装完毕的类库编程，大大降低了开发难度。 PXI总线设备驱动程序开发思想 PXI总线设备驱动程序主要解决三方面的问题：硬件I/O访问、中断处理和DMA传输。,中断处理： 在PXI总线设备的硬件设计中通常有硬件中断，DriverStudio中有Kinterrupt类实现硬件中断的处理，其成员函数包括中断的初始化、将一个中断服务例程连接到一个硬件中断以及解除其连接等功能。 初始化Kinterrupt和KdeferredCal类对象。如下所示： Status=m_Irq.InitializeAndConnect

28、（/初始化中断类对象 pReListTranslated， LinkTo（Isr_Irq）， /连接到中断服务程序 This）； M_DpcFor_Irq.setup（LinkTo（DpcFor_Irq），This）；/延迟调用对象和程序连接,DMA数据传输,4.5 PXI仪器系统,NI的高性能PXI机箱和控制器,多总线混合测试系统,混合测试系统采用外接计算机控制，通过MXI-3接口连接PXI系统和VXI系统，PXI系统中的GPIB接口还可以用来连接GPIB仪器。,PXI嵌入式控制,PXI嵌入式控制器PXI-8105,PXI外部模块,2.4 LXI总线,为了更好地研发自动测量仪器系统, 安捷伦

29、技术公司和VXI科技公司于2005年9月联合推出了新一代基于局域网（Local Area Networks，LAN）的模块化平台标准LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）。LXI基于著名的工业标准以太网（Ethernet）技术，扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容，构成了一种适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准。,2.4.1 LXI的特点和优势,LXI的特点： 开放式工业标准 向后兼容性 成本低廉 互操作性 及时方便地引入新技术,LXI模块化仪器的优势,（1）集成更为方便，不需要专用的机箱和0槽计算机； （2）可以利用网络界面精心操作，不需要编

30、程和其 他虚拟面板； （3）连接和使用更为方便，可以利用通用的软件进 行系统编程； （4）非常容易实现校准计量和故障诊断； （5）灵活性强，可以作为系统仪器，也可以单独使 用。,2.4.2 LX I总线规范,LXI机箱,LXI半宽机箱,LXI半宽机箱的尺寸,LXI半宽机箱的最大尺寸,LXI机箱供电与冷却,LXI模块的交流供电取自单相交流电网，电压为交流100240V，频率为4766Hz。各LXI 器件的直流供电可通过直流电源或由以太网供电。 每个LXI模块分别独立冷却，空气从两侧进入，由后面排出。半宽模块设计成在一侧被其他模块阻挡时仍具有足够的通风量。LXI模块不允许以上、下两面作为进入口，这样以便模块可堆叠在另一模块上面。,LXI机箱的开关和指示灯,（1）后面板左边是以太网连接器，