PXI：测量业界的自动化系统标准规范平台

概览
PXI（PCI的仪器扩充）是一个稳固的、基于PC的测量与自动化系统平台。PXI将PCI电气总线的特性与CompactPCI稳固的、模块化欧卡封装相结合，在此基础上还增加了专门的同步总线和关键软件特性。PXI是一种兼具高性能和低成本的测量与自动化系统部署平台。这些系统所服务的应用包括制造测试、军事与航空、机器监视、汽车和工业测试等。 PXI于1997年开始开发并在1998年发布，作为一种开放的业界标准，PXI的引入是为了满足对复杂仪器系统日益增长的需求。如今，PXI由PXI系统联盟（PXISA）监管，该组织由超过70家公司组成，并以推进PXI标准、确保互操作性和维护PXI规范为宗旨。

硬件架构
PXI系统有三个基本组件构成——机箱、系统控制器和外设模块。

PXI机箱
PXI机箱为系统提供稳固的模块化封装。现有机箱的尺寸有3U和6U，一般插槽数从4槽到18槽不等，并且能够提供如DC电源供电和集成的信号调理等特殊特性。机箱包含高性能的PXI背板，该背板包括了PCI总线和定时与触发总线。使用这些定时与触发总线，用户可以为需要精确同步的应用开发所需系统。

PXI控制器
正如PXI硬件规范所定义的，所有的PXI机箱包含一个位于机箱最左边的系统控制器插槽（插槽1）。可供选择的控制器包括来自台式机、工作站、服务器或便携机的远程控制器和高性能嵌入式控制器，这些控制器使用Windows 2000/XP或实时OS（LabVIEW实时模块）。

PXI远程控制器
有两种类型的PXI远程控制器：

• PXI的便携机控制

• PXI的PC控制

PXI的便携机控制
使用ExpressCard MXI（测量的仪器扩展）和PCMCIA CardBus接口工具包，用户可以从便携机直接控制PXI系统。在启动过程中，便携式电脑会将PXI系统中的所有外设模块识别为PCI设备。使用ExpressCard MXI，您可以控制您的PXI系统，使其吞吐量高达214 MB/s。

现在，对于现场测试、车载数据录入以及NVH与NDT等应用，用户可以通过使用PXI的便携机控制来充分利用移动PXI系统的优势。您可以购买任何兼容ExpressCard MXI或PCMCIA CardBus的便携机，以远程控制您的PXI系统。欲了解更多信息，请参考PXI的便携机控制。

PXI的PC控制
使用MXI-Express与MXI-4接口工具包，用户可以从台式机、工作站或服务器对PXI系统进行直接控制。在启动过程中，计算机将识别PXI系统中的所有外设模块为PCI设备。

使用MXI-Express，您可以以高达832 MB/s的稳定吞吐量控制您的PXI系统。使用2-端口的MXI-Express接口工具包，用户可以通过一台PC同时对两个PXI系统进行控制。

MXI-4接口工具包具备距离扩展和电气隔离的低成本铜缆或光缆。如图4所示，您可以使用MXI-4为高通道数应用构建多机箱PXI系统。使用一个MXI-4连接，您可以实现一个雏菊链或星型拓扑的多机箱系统。关于多机箱拓扑配置的更多信息，请参考MXI-4系列用户手册。您可以购买任何的台式机、工作站或服务器，然后使用MXI-Express或MXI-4的串行铜缆/光缆连接，远程控制您的PXI系统。欲了解更多信息，请参考PXI的PC控制。

PXI嵌入式控制器
嵌入式控制器为PXI机箱提供了一个完整的系统，不再需要外部的PC。典型的PXI嵌入式控制器是由若干集成在一个小尺寸PXI封装的标准PC组件构成。例如，NI PXI-8105控制器包含2.0 GHz Intel Core Duo T2500双核处理器、高达2GB的DDR2 RAM、一个硬盘驱动器以及如ExpressCard、高速USB、以太网、串口、并口和GPIB端口等的标准PC外设。 有两种类型的PXI嵌入式控制器：

• 基于Windows的PXI嵌入式控制器

• PXI实时嵌入式控制器

基于Windows的PXI嵌入式控制器：
基于Windows的PXI嵌入式控制器具备标准的PC特性，如集成的CPU、硬盘驱动器、RAM、以太网口、视频、键盘/鼠标、串口、USB和其它外设，还有Microsoft Windows和已经安装好的所有设备的驱动程序。由于该控制器使用Microsoft Windows，所以用户不会感觉到与PC或便携机的差别。它也有与您PC或便携机相似的应用软件，如Microsoft Office Word、Excel和PowerPoint。

PXI实时嵌入式控制器：
PXI实时嵌入式控制器，除了为测量、自动化和控制提供实时的、确定性的、可靠I/O的实时OS，如LabVIEW实时模块或VxWorks，还具备标准的PC特性。由于RT系列PXI控制器可以通过以太网配置和编程，您将可以跨网络发布一个实时应用，并对其进行远程监控。这些控制器专为有确定性的、可靠性能要求的应用设计，并可以以无交互方式运行（如没有键盘、鼠标或显示器。）

对于便携式系统及其包含的“单盒”应用，由于机箱需要不断移动，故嵌入式控制器是理想之选。了解更多信息，请参考PXI控制器。

PXI外设模块
NI提供100多个不同的PXI模块，而且由于PXI是一个开放的业界标准，所以有来自PXI系统联盟的70多个成员的接近1200个产品都可供您选择。

• 模拟输入与输出

• 边界扫描

• 总线接口与通信

• 载波产品

• 数字输入与输出

• 数字信号处理

• 功能测试与诊断

• 图像采集

• 原型板

•仪器

• 运动控制

• 电源

• 接收器互联设备

• 开关

• 定时输入与输出

• RF与通信

由于PXI与CompactPCI直接兼容，您可以在PXI系统中使用任何3U CompactPCI模块。您还可以在ni.com/china/pxi找到NI所提供的模块和我们PXI产品合作伙伴的分类列表。

PXI也通过提供用于与分立仪器或VXI系统进行通信的标准硬件和软件，保护在这些系统的已有投资。例如，通过PXI-GPIB模块实现PXI系统与基于GPIB的仪器的互联，与通过PCI-GPIB模块实现这两者的互联，没有任何不同。软件是完全相同的。此外，有许多方法可用于构建与PXI、USB、LAN/LXI、VXI和分立仪器接口的混合系统。了解更多信息，请参考将在混合系统中集成LXI、USB、PXI Express和其它标准。

软件架构
由于PXI硬件是基于标准PC的技术，如PCI总线以及标准CPU和外设，标准的Windows软件架构对于用户也不陌生。对基于Windows的PXI系统的开发和操作，与标准的基于Windows的PC并没有什么不同。此外，由于PXI背板使用业界标准的PCI/PCI Express总线，所以在绝大多数情况下，编写与PXI设备通信的软件和PCI设备的对应部分完全相同。例如，与NI PXI-6251多功能数据采集模块通信的软件，和与基于PC的PCI-6251板卡通信的软件完全相同。因此，在基于PC的系统与基于PXI的系统间移植软件时，现有的应用软件、范例代码和编程技术都不必重新编写。

作为基于Windows系统的替代方案，您可以为时序关键的应用（此类应用要求确定的循环速率和无交互式操作，即没有键盘、鼠标或显示器）采用一种实时软件架构。关于LabVIEW实时模块与PXI系统结合使用的其它信息，请访问www.ni.com/china/realtime。

PXI——业界标准平台
每种总线都是独特的，具有各自优势。例如，USB非常适合台式机的便捷连接，而LAN/以太网是分布式系统的最佳选择， PCI和PCI Express则能为ATE提供高性能。对于要求模块化解决方案的应用，用户理所当然会期望通过共享机箱、背板和处理器来降低成本并减小尺寸，通过与主处理器的高速连接实现更高的吞吐量，并通过用户定义的软件获得更高的灵活性和更长的生命周期。

基于PCI和下一代PCI Express的PXI是继GPIB之后增长最快的测试与测量标准。眼下PXI系统联盟有70多家，能提供超过1200种的产品，预计到2011年前将有25%的年均增长（Frost Sullivan, 2005），这些都表明PXI很好地满足了模块化仪器在目前和未来的需求。本质上，一个PXI系统中的所有仪器都共享同一个电源、机箱和控制器。而其它备选方法则是为每一个仪器单独配置电源、机箱和（或）控制器，这既增加了成本与尺寸，又降低了可靠性。对于PXI，其控制器可以是高性能的位于0插槽的嵌入式控制器、台式机、便携机或服务器中的任一个。当您需要更快速的处理时，您可以方便地升级PXI系统的控制器。为复用现有装置，您可以使用PXI来控制USB、GPIB、LAN/LXI、串口和VXI的仪器。

模块化仪器需要高带宽、低时延的总线，来将仪器模块连接到共享处理器，以执行用户定义的测量。PXI可以满足上述要求，因为PXI每个插槽的带宽都可达到2 GB/s。以一个模块化RF采集系统为例，PXI能够将两个通道的100 MS/s 16位IF数据直接传送至处理器供运算。无论是LAN还是USB，都无法满足这些要求，所以这样的仪器总是包括一个嵌入式的、用户定义的处理器。因此，PXI的高带宽标准，提供了一种模块化仪器所需要的真正的软件定义的方式。

客户为何选择PXI？
更高的吞吐量
每个应用都是唯一的，具有其独特需求的。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，而带宽则对于数据流应用较为重要，如波形激励/响应。通过PCI/PCI Express总线（如图7所示），PXI为广泛的应用提供兼具高带宽和低时延的高速通信。

定时与同步
许多测量与自动化应用需要高级定时和同步能力，但依靠PC标准的I/O总线，如PCI/PCI Express、以太网/LAN和USB等，并不能直接实现这些能力。PXI提供了能够满足您的应用需求的高级定时与同步特性：

• 100 MHz差分系统参考时钟

• 10 MHz参考时钟信号

• 差分星型触发

• 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

系统可靠性
PXI规范定义了确保PXI系统胜任恶劣环境所要满足的要求。PXI的特性在于高性能的IEC（国际电工委员会）连接器和CompactPCI所使用的稳固的欧卡封装系统。PXI规范还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。模块化方便了您对PXI系统的配置、重新配置和修复，相应地有非常低的平均修复时间（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。

更低的系统成本
由于PXI是一个基于PC的平台，它以合理的价格提供了高精度的测量、同步和定时特性。PC组件的低成本，只是您使用PXI节约成本的开始。使用PXI，您可以在办公室和生产车间使用同样的OS和应用软件，如MS Excel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。由于PXI以PC技术为基础，所以您的获益是多方面的，包括低成本的组件、熟悉的软件和系统的复用。

PXI平台的扩展——PXI Express
PXI Express技术是PXI平台的最新版本。PXI Express规范将PCI Express信号集成到了PXI标准，使得背板带宽从132 MB/s增加到6 GB/s——45倍的提高。通过吸纳100 MHz差分参考时钟和差分触发器，PXI Express也增强了PXI的定时和同步特性。

PXI Express规范，在保持后向兼容的同时，为PXI增加了以下特性：

软件： PCI Express使用与PCI相同的操作系统和驱动程序模型，从而保证了基于PCI的系统（如PXI）与基于PCI Express的系统（如PXI Express）间的完全软件兼容。这样的软件兼容性是由PCI特殊利益集团（PCI-SIG）负责，该组织由一些如Intel的公司成员组成，致力于PCI和PCI Express标准的开发和发展。

硬件： PXI Express机箱能提供混合的外设插槽，既可接受PXI Express外设模块，又可接受兼容混合插槽的PXI外设模块。这些外设插槽能提供PCI和PCI Express的信号。

由于PXI Express保持了与PXI的完全软件兼容，您可以在PXI Express系统上使用您为先前PXI系统开发的任何代码。软件兼容性覆盖了操作系统（如Windows XP和Linux）、应用软件（如Microsoft Office）和用户代码（如LabVIEW VI和C++项目）。了解更多信息，请参考PXI Express。

总结：PXI是测量业界的标准平台
PXI模块化测量技术为测量与自动化用户定义了一个稳固的计算平台，该平台显著地利用了主流PC工业的技术进步。通过使用标准的PCI/PCI Express总线，PXI模块化测量系统能够从广泛可用的软硬件组件中获益。用户对PXI系统上所运行的软件应用和OS都已经非常熟悉，因为这些软件已经用于普通的台式机。通过增加稳固的工业封装、丰富的I/O插槽和提供高级定时与触发能力的特性，PXI可以很好的满足您的各类需求。