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基于PXI的便携式测控系统

作者:时间:2012-06-08来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/193768.htm

20世纪60年代末期,Hewlett-Packard设计出了所谓的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作为独立仪器与计算机之间的沟通通道。由于其高速的数据传输率(对当时而言),很快便广为大家所接受,因此后来IEEE便将此接口更名为GPIB (General Purpose Interface Bus)。然而为了应付更为复杂的测试环境与挑战,GPIB便显得捉襟见肘。1987年VXI协会成立,并制订了所谓instrument-on-a- card的标准,也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。VXI以其模块化而且坚固的架构,的确为量测与自动化产业带来不少的好处。

近十年来,随着个人计 算机的剧烈革命与普及,以PCI Bus为架构的仪器模块大为发展。因此1998年 System Alliance(SA)成立,让(PCI eXtensions for Instrumentation)成为一个开放的标准架构。PXI的平台不仅具有类似VXI的开放架构与坚固的机构外型,更由于其设计了一连串适合仪器开 发所用的同步信号,而使得PXI更适合作为量测与测试、控制自动化的平台。

1 PXI简介

简单来说,PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI为基础再加上一些PXI特有的信号组合而成的一个架构。PXI继承了PCI的电气信号,使得PXI拥有 如PCI bus的极高传输数据的能力,因此能够有高达132Mbyte/s到528Mbyte/s的传输性能,在软件上是完全兼容的。另一方面,PXI采用和 CompactPCI一样的机械外型结构,因此也能同样享有高密度、坚固外壳及高性能连接器的特性。PXI与CompactPCI相互关系如图1所示。

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1.1 PXI系统内部结构

一个PXI系统由几项组件所组成,包含了一个机 箱、一个PXI背板(backplane)、系统控制器(System controller module)以及数个外设模块(Peripheral modules)。在此以一个高度为3U的八槽PXI系统为例,如图二所示。系统控制器,也就是CPU模块,位于机箱的左边第一槽,其左方预留了三个扩充 槽位给系统控制器使用,以便插入因功能复杂而体积较大的系统卡。由第二槽开始至第八槽称为外设槽,可以让用户依照本身的需求而插上不同的仪器模块。其中第 二槽又可称为星形触发控制器槽(Star Trigger Controller Slot)。

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1.2 PXI特有信号

背板上的P1接插件上有32-bit PCI信号,P2接插件上则有64-bit PCI信号以及PXI特殊信号。那么PXI特有的信号又是什么呢?PXI的信号包含了以下几种,其完整的架构如图3所示

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1.2.1 10MHz参考时钟(10MHz reference clock)

PXI规格定义了一个低歪斜(low skew)的10MHz参考时钟。此参考时钟位于背板上,并且分布至每一个外设槽(peripheral slot),其特色是由时钟源(Clock source)开始至每一槽的布线长度都是等长的,因此每一外设槽所接受的clock都是同一相位的,这对多个仪器模块的同步来说是一个很方便的时钟来 源。基本的10MHz参考时钟架构如图4所示。

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1.2.2 局部总线(Local Bus)

在每一个外设槽上,PXI定 义了局部总线以及连接其相邻的左方及右方外设槽,左方或右方局部总线各有13条,这个总线除了可以传送数字信号外,也允许传送模拟信号。比如说3号外设槽 上有左方局部总线,可以与2号外设槽上的右方局部总线连接,而3号外设槽上的右方局部总线,则与4号外设槽上的左方总线连接。而外设槽3号上的左方局部总 线与右方局部总线在背板上是不互相连接的,除非插在3号外设槽的仪器模块将这两方信号连接起来。局部总线架构如图5所示。

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1.2.3 星形触发(Star Trigger)

设槽2号的左方局部总线 在PXI的定义下,作为另一种特殊的信号,叫做星形触发。这13条星形触发线被依序分别连接到另外的13个外设槽(如果背板支持到另外13个外设槽的 话),且彼此的走线长度都是等长的。也就是说,若在2号外设槽上同一时间在这13条星形触发在线送出触发信号,那么其它仪器模块都会在同一时间收到触发信 号(因为每一条触发信号的延迟时间都相同)。也因为这一项特殊的触发功能只有在外设槽2号上才有,因此定义了外设槽2号叫做星形触发控制器槽(Star Trigger Controller Slot)。请看图6的星形触发架构说明。

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1.2.4 触发总线(Trigger Bus)

触发总线共有8条线,在背板上从系统槽(Slot 1)连接到其余的外设槽,为所有插在PXI背板上的仪器模块提供了一个共享的沟通管道。这个8-bit宽度的总线可以让多个仪器模块之间传送时钟信号、触发信号以及特订的传送协议。

2 基于PXI总线的的硬件子系统

PXI总线在中应用具有很大的优势,这很明显,然而单独一个PXI机箱和几块PXI模块,是很难满足各种各样的测控需求的。无论是工业还是军 工,过程信号是千变万化,仅有的几个PXI模块(虽说有上千种,但仍然不能达到一种模块测一种信号,而且,也不需要一个模块测一种信号)要满足不同的需 要,就要对过程中的信号进行有效的转换,或提供执行机构可以认识的信号。

2.1 硬件子系统的一般组成

一般情况下,工业信号是不能直接进入PXI模块进行测量的,因为有些信号不能直接测出,必须间接测量计算得出,或者是出于对仪器的保护,必须进行调理, 然后测量。PXI模块的控制信号已不能直接驱动执行机构,必须对控制信号进行调理。一般情况下,一个完整的硬件子系统通常包括输入信号调理、输出信号调 理、PXI测控模块、PC机,如图7所示:


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关键词: PXI 便携式 测控系统

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