1、高性能测试测量与控制平台 PXI 系统 应用摘要： PXI 中引入了 PXIExpress 技术，显著提高了总线带宽。 PXI 将 PCIExpress 集成到 PXI 标准中，可以满足更 . PXI 中引入了 PXI Express 技术，显著提高了总线带宽。 PXI 将 PCI Express 集成到 PXI 标准中，可以满足更多的应用需求。 PCI Express 技术可以集成到背板中，同时维持与现有系统的后向兼容性。除了 x1、 x4 和 x8 PCI Express 链路外，系统控制器插槽还支持高达 x16的 PCI Express 链路，可以为 PXI Express 背板提供最高
2、 6GB/s 的带宽。利用 PCI Express技术， PXI Express 将 PXI 中的可用带宽提高了 45 倍多，即从 132MB/s 提高到 6GB/s;与此同时，还可以维持与 PXI 模块间的软件、硬件兼容性。正是由于此性能的增强， PXI 可以用于很多新型应用领域，其中很多领域在以前只能由昂贵的专用硬件实现。 图 1. PCI Express 技术提供每槽专属的更高带宽 硬件架构 PXI 系统由三个基本部分组成 机箱、系统控制器和外围模块。 图 2. 标准的 8 槽 PXI 机箱中，包括一个嵌入式系 统控制器和七个外围模块 PXI 机箱 PXI 机箱为系统提供了坚固的模块化封
3、装，通常为 4 槽、 6 槽、 8 槽、 14 槽或 18 槽的 3U 或6U 机箱。 U(rack unit)是一种测量单位，用来描述安装在 19 或 23 英寸 (指宽度 )机架上的设备的高度。 1U 等于 44.45mm(1.75 英寸 )。装在机架上的设备的尺寸大小通常用 U 来描述。专用机箱还可在交流电源和直流电源中选择，以及是否集成信号调理功能。很多 PXI Express机箱中都可以容纳 PXI 和 PXI Express 外围设备，而有些具有混合插槽的机箱 (如 NI PXIe-1075)，还可以容纳 PXI Express 外围设备或者兼容混合插槽的 PXI 设备。利用这些机
4、箱可以配置多种 PXI 系统从而满足应用需求。 图 3.NI PXI 机箱提供从 4 槽到 18 槽机箱等多种选择，部分机型还带有集成的外设 (如 LCD显示等 ) 机箱中具有高性能的 PXI 背板，该背板包括 PCI 总线，定时总线以及触发总线。 PXI 模块化仪器系统中增加了专用的 10MHz 系统参考时钟、 PXI 触发总线、星形触发总线和槽与槽之间的局部总线，从而在保持 PCI 总线所有优势的同时，满足高级定时、同步和相邻槽直接通信等应用中的需求。 图 4. PXI 的定时与触发总线 PXI 在其背板上，将工业标准的 PC 机组件 (如 PCI 总线 )与高级触发和同步扩展组合在一起
5、以 PXI 的功能为基础， PXI Express 中提供了更多的定时和同步功能 100MHz 的差分系统时钟、差分信号传输以及差分星形触发总线。采用差分时钟和同步， PXI Express 系统中仪器时钟的抗噪声性能进一步提高，并且可以以更高速率传输数据。 图 5. PXI Express 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 使用这些定时与触发总线，可以开发出具有精确同步的系统，以满足应用需求。要了解更多PXI 的定时与触发总线规范，请参考 NI Developer Zone 文档 “ PXI 规范指南 .
6、” 要深入了解定时和同步的概念，请参考 NI Developer Zone 指南“分布式时钟同步和 IEEE 1588 精密时钟同步协议介绍 .” PXI 控制器 大多 PXI 机箱在最左端的插槽 (插槽 1)中包含一个系统控制器插槽。在为您的应用选择最佳系统 控制器时，有几种选择可供参考，包括以台式机、工作站、服务器或笔记本电脑作为外部控制器，或者选择装有 Microsoft 操作系统 (Windows 7/Vista/XP)或实时操作系统(LabVIEW Real-Time)的高性能嵌入式控制器。外部控制器有两种可选类型，分别为通过笔记本电脑控制 PXI 或通过 PC 机控制 PXI。 P
7、XI 嵌入式控制器 - 嵌入式控制器无需使用外部 PC 机，从而可以使 PXI 机箱成为一个完整系统。这些嵌入式控制器具有一些标准特性，如集成有 CPU、硬盘驱动器、 RAM、以太网口、视频输出、键盘 /鼠 标接口、串口、 USB 和其他一些外围设备，以及已安装好的 Microsoft Windows 和所有设备驱动。基于 PXI 或者 PXI Express 的系统中都包含了以上这些特性 ;您也可以自己选择操作系统，包括 Windows 7/Vista/XP 或者 LabVIEW Real-Time。 PXI 嵌入式控制器一般采用标准的 PC 机组件，封装在一个小巧的 PXI 封装中。例如，
8、 NI PXIe-8133 控制器具有一块 1.73 GHz Intel Core i7-820 四核处理器 (单核最大 3.06 GHz，采用英特尔睿频加速技术 )， DDR3 内存高达 8GB，可选硬盘驱动或者固态驱动器，还具有两个千兆位以太网端口和标准的 PC 外围设备，如高速 USB、 ExpressCard/34、串口与并口等等。 图 6. NI PXI-8133 控制器中包含一个 1.73 GHz Intel Core i7-820 四核处理器 (单核最大3.06 GHz，采用英特尔睿频加速技术 )嵌入式控制器 对于便携式系统以及希望易于将系统从一个地方搬移到另一个地方的“单箱”应
9、用来说，嵌入式控制器是一个理想的选择。要获得更多信息，请参考 NI “ PXI 控制器”资料页。 通过笔记 本电脑控制 PXI 采用 NI ExpressCard MXI (Measurement eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的测量扩展 )和 PCMCIA CardBus 接口套件，您可以直接在笔记本电脑上通过软件透明的链路连接来控制 PXI 系统。开机时，笔记本电脑会默认 PXI系统中的所有外围模块都是 PCI 板卡，之后您就可以通过笔记本电脑来控制这些设备。通过笔记本电脑控制 PXI，需要在笔记本上插入一块 ExpressCard/PCMCIA
10、 CardBus 卡，并在 PXI机箱第 1 槽中 插入一个 PXI/PXI Express 连接模块，两者之间用铜芯电缆相连。 NI ExpressCard MXI 接口套件 PCMCIA CardBus 接口套件 图 7.通过笔记本电脑控制 PXI NI ExpressCard MXI接口套件为笔记本电脑和 PXI机箱间提供了一个 110MB/s的 PCI Express至 PCI 的桥接。 PCMCIA CardBus 接口套件则为笔记本电脑和 PXI 机箱间提供了一个 50 MB/s的 PCI 至 PCI 桥接。这样，通过笔记本电脑控制 PXI，可以实现移动的 /便携的 PXI 系统。
11、任何与 NI ExpressCard MXI 或 PCMCIA CardBus 兼容的笔记本电脑都可以用来远程控制 PXI系统。要获得更多信息，请参考 NI “通过笔记本电脑控制 PXI”资料页。 通过 PC 机控制 PXI 采用 NI MXI-Express 和 MXI-4 接口套件，您可以直接从台式机、工作站或服务器电脑上控制 PXI 系统。您可以在 PC 机上通过软件透明和驱动透明的连接链路来控制 PXI 系统。开机时，电脑系统会默认 PXI 系统中的所有外围模块都是 PCI 板卡，所以您可以通过控制器来使用这些设备。通过 PC 机控制 PXI，需要在电 脑中插入一块 PCI/PCI E
12、xpress 板卡，并在 PXI 机箱第 1 槽中插入一个 PXI/PXI Express 模块，两者之间用铜芯电缆或光纤电缆相连。 图 8a. 采用双端口 MXI-Express 的远程控制可以同时控制两个 PXI 机箱，总吞吐率为160MB/s MXI-Express 接口套件为 PC 机和 PXI 机箱间提供了一个 110MB/s 的 PCI Express 至 PCI 的桥接。采用 NI PXI-PCIe8362 双端口接口套件，可以通过同一台 PC 机同时控制两个 PXI 系统。您还可以利用 MXI-Express 接口，通 过 3m 或 7m 的铜芯电缆来配置星形拓扑结构的多机箱
13、PCI 系统。这种接口与 x1、 x4、 x8 和 x16 的 PCI Express 插槽兼容，因此该可选方案适用于大部分的台式电脑。要获得更多关于 MXI-Express 的信息，请参考 MXI-Express 系列用户手册。 图 8b. 采用 MXI-4 的远程控制，可以实现通过 PC 机控制 PXI 以及多机箱的 PXI 系统 MXI-4 接口套件为 PC 机和 PXI 系统间提供了一个 78 MB/s 的 PCI 至 PCI 桥接。 MXI-4 接口套件中有低成本铜芯电缆链接选择，也有针对远距离应用和电气隔离应用的 光纤链接选择。如图 7b 所示，您还可以采用 MXI-4 创建多机箱
14、的 PXI 系统。采用 MXI-4 链接，您可以实现菊花链式或星形拓扑结构的多机箱系统。要了解更多关于多机箱配置的拓扑结构信息，请参考MXI-4 系列用户手册。 采用 PXI 外部控制器，您可以通过台式电脑或笔记本电脑来远程控制 PXI 系统，从而以最低的成本获得最优的处理器性能。由于所有的外部控制产品都是软件透明的，所以不需要额外的编程。您可以购买多台台式电脑、工作站或服务器电脑，然后使用 MXI-Express 或者铜芯/光纤电缆的 MXI-4 串行链接，来远程控制 PXI 系统。要获得更多信息，请参考 NI“通过 PC机控制 PXI”资料页。 Rack-Mount 控制器 NI 也提供外
15、置的 1U rack-mount 控制器，可用于复杂计算或大数据量存储等应用。这些控制器可通过 MXI-Express 或 MXI-4 连接 PXI 或 PXI Express 机箱，此时机箱中的外围模块看上去就像 PC 中的本地模块一样。 图 9. Rack-mount 控制器通过 MXI-Express 或 MXI-4 可连接 PXI 或 PXI Express 机箱 PXI 外围设备 PXI 是一种开放的工业标准，目前共有来自 70 多家设备 商的 1500 多种模块， NI 公司可以提供 300 多种不同的 PXI 模块，覆盖大部分 PXI 应用。 要了解更多关于 NI PXI 模块的
16、信息，请参考 NI PXI 模块资料页。 PXI 为各种应用 从高分辨率的直流应用到 6GHz 的射频应用 提供了具有业界最高带宽和最低延时的总线和模块化 I/O。因为 PXI 大多都与 CompactPCI 兼容，所以您可以在 PXI或者 PXI Express 系统中使用 3U 或 6U 尺寸的 CompactPCI 模块。另外，您还可以使用转接模块在 PXI 系统中安装 CardBus/PCMCIA 和 PMC (PCI Mezzanine Card， PCI 夹层卡 )板卡。例如，利用 NI PXI-8221 PC Card 转接模块，您可以将 CardBus 和 PCMCIA 设备接
17、入 PXI 系统。 NI 公司提供了多种 PXI 模块，可用于仪器系统、数据采集、开关切换、运动控制、机器视觉、高级同步以及与其它总线的接口，基于这些模块您可以构建出各种各样的 PXI 系统。 PXI 系统还支持标准的用于多种总线通信的软件和硬件，从而使您对于独立仪器或 VXI 系统的既有投资不致浪费。例如，使用 PXI-GPIB 模块将基于 GPIB 的仪器连接到 PXI 系统中与使用 PCI-GPIB 卡直接进行仪器控制没有任何区别。这两种方法所用的是同一种软件。此外，多种 PXI与 VXI的接口方法可供选择。要了解更多关于混合系统的知识，请参考 NI Developer Zone 指南
18、“将 LXI、 USB、 PXI Express 和其他标准集成到一个混合测试系统中”。 软件架构 基于 Windows 的 PXI 系统的开发与操作与 标准的基于 Windows 的 PC 机系统的开发与操作差异性很小。另外，因为 PXI 背板使用的是工业标准的 PCI 总线，所以大多情况下，对 PXI模块的软件编程也与 PCI 板卡一样。因此，将基于 PC 系统的程序移植到 PXI 系统时，无需重写现有的应用程序和示例代码。 PXI Express 系统同样也具有软件方面的兼容性，从而可以保护您在软件方面的既有投资。由于 PCI Express 使用了与 PCI 相同的驱动和操作系统模型，
19、这些规范就保证了与基于 PCI系统的软件兼容性。因此，设备商和客户都不需要改变驱动或应用软件来适应基于 PCI Express 的系统。 举例说明，由于 PXI 和 PXI Express 系统可以使用与 PCI 相同的驱动，因此控制 NI PXI-6251多功能数据采集模块的软件与控制 PC 机中 NI PCI-6251 板卡的软件是完全相同的。 图 10. 两种不同的封装使用同一软件标准。就软件而言，对 PXI 模块 (下方 )的编程和对 PCI板卡 (上方 )的编程是一样的 . 对于要求确定性循环速率和无头操作 (即没有键盘、鼠标或显示器 )的、具有严格时间确定性要求的应用来说，可以使用
20、实时软件架构替代基于 Windows 的系统。实时操作系统可以帮助你 按照优先级顺序对任务进行排序，从而使处理器在必要时总会优先处理最重要的任务。这样，应用程序的执行结果就完全可以预测，而且定时确定性更高。要获得更多关于使用LabVIEW Real-Time 的 PXI 系统的信息，请访问 PXI 规范中提出了基于 Microsoft Windows 操作系统的 PXI 系统软件框架。因此，控制器可以使用工业标准的应用程序接口，如 NI LabVIEW、 LabWindows/CVI、 Measurement Studio、Visual Basic、 Visual C/C+等等。 PXI 组
21、件需要初始化文件以定义系统配置和系统功能。最后，采用虚拟仪器软件架构 (Virtual Instrument Software Architecture，即已被仪器领域广泛采纳的 VISA)，可实现对 VXI、 GPIB、串口和 PXI 仪器的配置和控制。 总结 PXI 模块化仪器系统利用主流 PC 中的先进技术，定义了一种坚固的、可用于测量和自动化的计算平台。该系统还充分利用标准的 PCI 总线技术，受益于广泛使用的软件和硬件组件。PXI系统中的软件程序和操作系统早已用在日常的台式 PC中，所以可 以很快进行开发工作。PXI 中还增加了坚固的工业封装、大量的 I/O 插槽，以及高级的定时与触
22、发功能，可充分满足您的应用需求。 其他资料 NI PXI 机箱与控制器的设计优势 从散热性、电磁兼容性、电源可靠性、稳定性、软件支持与兼容性等技术角度， NI PXI 机箱及控制器产品在设计、生产、售后服务等方面都进行了优化。了解详情，请阅读 NI PXI 机箱与控制器的设计优势。 NI PXI 插槽挡板 NI 还提供了插槽挡板，即塑料的模块化 PXI 填充板，占用箱中未使用的插槽。这样可以通过降低空插槽中的气流来增强有效的降温 气流。使用插槽挡板可以使工作模块中电子元件的温度升幅降低 20%，从而改善机箱的降温性能。要获得更多关于安装 NI PXI 插槽挡板的信息，请参考 NI PXI 插槽挡板安装指南。 NI PXI 系统监测器 您可以监测多个 NI PXI 机箱和控制器的操作参数。在标准 C 和LabVIEW 软件中都有相应的 API，因此您可以编程收集并处理这些参数值，然后根据具体情况来诊断系统健康状况。要进一步了解或下载该 API，请查看 NI Developer Zone 指南 “ NI PXI 软件、支持与服务”。
