PXI总线技术综述

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【摘 要 】本文从NI公司推出的新型计算机总线——PXI总线技术的产生背景开始,介绍了PXI总线特点,驱动开发.在测试测量领域和工业自动化领域上的应用,对PXI总线技术的发展前景进行了展望.

【关 键 词 】总线；PXI NI

1.总线的概念、历史和发展

总线就是各种信号线的集合,是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路.总线的主要参数有：（1）总线的带宽：指一定时间内总线上可传送的数据量,即每秒钟传送多少MB的最大稳态数据传输率.（2）总线的位宽：指总线能同时传送的数据位数.（3）总线的工作时钟频率：以MHz为单位,工作频率越高则总线工作速度越快,也即总线带宽越宽.

1.1 ISA,IIC,CAN总线

IBM公司于1981年推出的基于8位机PC/XT的总线,称为PC总线.ISA总线的主要性能指标：（1）24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB；（2）8/16位数据线；（3）最大位宽16 位（bit）；（4）最高时钟频率8MHz；（5）最大稳态传输率16MB/s[1].

IIC总线产生于在80年代初.早期的IIC总线数据传输速率最高为100Kbits/s,采用7位寻址.但是由于数据传输速率和应用功能的迅速增加,IIC总线也增强为快速模式（400Kbits/s）和10位寻址以满足更高速度和更大寻址空间的需求.最近还增加了高速模式,其速度可达3.4Mbits/s[2].

CAN,即控制器局域网,产生于1986年.CAN的主要特性：（1）长达10Km的数据传输距离；（2）高达1Mbit/s的数据传输速率；（3）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；（4）可靠的错误处理和检错机制[2].

1.2 PCI,CompactPCI总线

1991年Intel公司首先提出了PCI的概念：外设部件互连标准.目前常用的是32位PCI.PCI总线的主要性能：（1）总线时钟频率33.3MHz/66MHz；（2）最大数据传输速率133MB/s；（3）时钟同步方式；（4） 总线宽度 32 位（5V）/64 位（3.3V）；（5） 能自动识别外设[3].

1994年PICMG提出了CompactPCI技术,CompactPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成,具体有三个方面：（1）继续采用PCI局部总线技术；（2）抛弃PCI传统机械结构,改用高可靠欧洲卡结构,改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求；（3）抛弃IPC的金手指式互连方式,改用2mm密度的针孔连接器,进一步提高了可靠性,并增加了负载能力[4].

1.3 PXI总线

1997年9月1日,NI发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范——PXI. 直观地说,CompactPCI+Extensions for Instrumenta tion等于PXI.它将CompactPCI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,从而形成了新的虚拟仪器体系结构[5-7].

2.PXI总线的特点

PXI应用了与CompactPCI相同的、一直被用在像远距离通讯等高性能领域的高级针-座连接器系统.这种由IEC-1076标准定义的高密度（2mm间距）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.PXI仪器模块的两种主要结构尺寸及其接口连接器中,J1 连接器上定义了标准的32-bit PCI总线,所有的PXI总线性能定义在 J2 连接器上.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.

除了将 CompactPCI 规范中的所有机械规范直接移植进PXI规范之外,为了简化系统集成,PXI还增加了一些 CompactPCI 所没有的要求.

（1）10MHz专用系统时钟.PXI规范定义了将10MHz参考时钟分布到系统中所有模块的方法.该参考时钟可被用作同一测量或控制系统中的多卡同步信号.由于PXI严格定义了背板总线上的参考时钟,而且参考时钟所具有的低时延性能使各个触发总线信号的时钟边缘更适于满足复杂的触发协议.

（2）触发总线.PXI只定义了8根TTL触发线.使用触发总线的方式可以是多种多样的.通过一个PXI模块可以控制同一系统中其它模块上一系列动作的时间顺序.为了准确地响应正在被监控的外部异步事件,可以将触发从一个模块传给另一个模块.

（3）星形触发.如图1所示,星形触发总线是在紧邻系统槽的第一个仪器模块槽与其它六个仪器槽之间各配置了一根唯一确定的触发线形成的.PXI系统的星形触发体系具有两个独特的优点：首先保证系统中的每个模块有一根唯一确定的触发线；其次每个模块槽中的单个触发点所具有的低时延连接性能,保证了系统中每个模块间非常精确的触发关系.

（4）槽间局部总线.PXI局部总线是每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总线.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,也可以进行高速边带通讯而不影响PCI总线的带宽.局部总线信号的分布范围包括从高速TTL信号到高达42V的模拟信号.

（5）兼容PCI的性能.PXI总线与台式PCI规范具有完全相同的PCI性能.其它的PCI性能：33MHz性能,32-bit和64-bit数据宽度,132MB/s（32-bit）和264MB/s（64-bit）的峰值数据吞吐率,通过PCI-PCI桥技术进行系统扩展,即插即用功能[5-7].

3.PXI驱动开发简介

PXI总线驱动程序的编写是PXI技术开发中的必要环节,目前有多种开发方式详见参考文献[8-12],其中DDK是Microsoft出品的设备驱动程序开发工具包.该软件包中包括了有关设备驱动开发的文档、编译需要的头文件和库文件、调试工具和程序范例.选用DDK开发驱动程序,需要对Windows内核以及体系结构有深刻的理解,还要参考大量的DDK开发资料,开发难度大. WinDriver是一套设备驱动程序开发组件,它的目的就是方便Windows程序员快速开发出PCI/ISA设备的Windows驱动程序.利用WinDriver开发设备驱动程序,不需要熟悉操作系统的内核,整个驱动程序中的所有函数都是工作在用户态下的.研究者们[8～12]将以上开发工具应用中PXI驱动程序开发取得了良好的效果.

4.PXI总线的应用

近几年,无论是在网络通信领域、工业自动化领域还是测试和测量自动化领域,随着人们对标准化、开放性和技术的面向未来性认识的不断提高,PXI技术得到了越来越广泛的关注.与此同时,研究者们[8～12]利用PXI技术开发各种领域的产品已经逐渐被国内市场接纳和认同,应用气氛十分活跃.

4.1 PXI在测试和测量领域的应用

在现代测试和测量领域中,无疑虚拟仪器是现在和将来自动测试技术发展的主要方向.区别于传统台式的、用电路实现的、功能固定的模拟仪器,虚拟仪器基于软件技术设计,通过计算机提供的强大图形环境和功能扩展能力,建立图形化的虚拟仪器面板,完成对仪器的控制、数据采集、数据测量和分析以及测量结果显示等功能.在测试和测量领域也处于低迷时期,PXI却异军突起,成为该领域继GPIB（IEEE488）之后成长最快的标准化技术.

从技术发展的角度来看,虚拟仪器走的是两条技术路线：

（1）GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997）,向高速、高精度、大型ATE（自动测试设备）方向的发展；

（2）PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB/FireWare（1999）,向高性能、低成本、普及型系统方向发展.

而基于PXI的技术特点,3U的PXI主要应用方向将是组成便携或小型的测试、SCADA、监视与控制以及工业自动化系统.6U的PXI主要向高采样速度、高带宽、高精度、多通道容量的中、大型ATE应用发展.

清华大学利用基于PXI技术建设的实验室热工水利学测控平台,研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术,完成了海水淡化等重要课题研究.

天津大学采用PXI研制的原油管道泄露远程监测系统,成功应用于胜利油田和华东输油管理局的集输管线和长输管线,取得了很好的效果.

北京航空航天大学应用PXI技术成功完成了航空发动机压气机管道声模态及非定常特性测量的数据采集和分析课题.中国科学院上海所采用PXI技术,研制成功的实验卫星的信号分析系统和整星测试系统已经投入运行.

铁科院基于PXI技术研制成功的列车调度、监控系统,已经得到应用.

西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鉴国外先进ATE技术基础上,采用PXI研制成功了航空机载电子设备全自动综合测试系统,已经应用于飞机通讯、导航、仪表和机载计算机的维修测试过程.

中国空间技术研究院采用PXI研制了一系列星载计算机及其测控系统的地面测试设备,完成新技术改造任务.

北京航空航天测控公司利用PXI总线已经成功开发武器综合测试系统等综合系统；

国防科技大学ATR重点实验室早已将PXI/CompactPCI总线作为开发平台.

在测试/测量领域,现在可用于PXI系统集成的模板已经超过1000种,产品相当丰富.产品的性能也得到了显著的提升,如数据采样速度已经达到2GHz,测量精度提升到了7位数字,射频测量带宽也达到了3GHz.而且PXI的性能还在不断地提高.可以预计在不久的将来,PXI可能超过甚至取代传统盒式测量仪器,占据中、低频段的高精度测量设备市场的主要份额.

PXI和VXI将在既竞争又互补存很长一段时间,最终PXI将取代VXI,成为主流工业标准测试平台.同时PXI将向工业自动化领域扩展,与CompactPCI形成优势互补,共同奠定未来工业自动化技术的基础.

4.2 PXI在工业自动化领域的应用

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应用.开放的软硬件架构,永远是各种解决方案的趋势.在工业自动化领域,PXI应用成绩显著：

唐山大学基于PXI技术研制的锅炉供热自动控制系统,成功地应用在唐山市热力总公司供热项目上,而且开发周期短,系统运行可靠；

陕西海泰电子研制的基于PXI的多通道瞬态信号测试系统,检测器件电起爆/点火瞬态响应特性,解决了石油行业中火工品器件的参数测试问题；

上海宝钢则采用了PXI研制的轧机震动纹自动监测、诊断系统,应用于轧钢厂冷轧平整机组,为指导现场操作、进行产品质量控制以及设备维护提供了科学手段；

中国科学院上海所采用PXI技术,研制成功的实验卫星的信号分析系统和整星测试系统已经投入运行.

目前主要从事PXI/CompactPCI总线工控技术研究的单位还有北京康拓、华为、716所、707所和32所等.国内在PXI总线集成方面做的比较好的单位有北京航空航天测控公司和国防科技大学.

到目前为止,PXI无论是生产厂家的数量、产品的种类和数量,还是系统应用的数量都得到了大幅度增长,越来越多的项目转向PXI解决方案.