PXI總線技術綜述

【摘要】本文從NI公司推出的新型計算機外圍總線——PXI總線技術的產生背景開始，介紹了PXI總線特點，驅動開發。在測試測量領域和工業自動化領域上的應用，對PXI總線技術的發展前景進行了展望。

【關鍵詞】總線；PXI NI

1.總線的概念、歷史和發展

總線就是各種信號線的集合，是計算機各部件之間傳送數據、地址和控制信息的公共通路?？偩€的主要參數有：（1）總線的帶寬：指一定時間內總線上可傳送的數據量，即每秒鐘傳送多少MB的最大穩態數據傳輸率。（2）總線的位寬：指總線能同時傳送的數據位數。（3）總線的工作時鐘頻率：以MHz為單位，工作頻率越高則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。

1.1 ISA，IIC，CAN總線

IBM公司于1981年推出的基于8位機PC/XT的總線，稱為PC總線。ISA總線的主要性能指標：（1）24位地址線可直接尋址的內存容量為16MB；（2）8/16位數據線；（3）最大位寬16 位（bit）；（4）最高時鐘頻率8MHz；（5）最大穩態傳輸率16MB/s[1]。

IIC總線產生于在80年代初。早期的IIC總線數據傳輸速率最高為100Kbits/s，采用7位尋址。但是由于數據傳輸速率和應用功能的迅速增加，IIC總線也增強為快速模式（400Kbits/s）和10位尋址以滿足更高速度和更大尋址空間的需求。最近還增加了高速模式，其速度可達3.4Mbits/s[2]。

CAN，即控制器局域網，產生于1986年。CAN的主要特性：（1）長達10Km的數據傳輸距離；（2）高達1Mbit/s的數據傳輸速率；（3）可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；（4）可靠的錯誤處理和檢錯機制[2]。

1.2 PCI，CompactPCI總線

1991年Intel公司首先提出了PCI的概念：外設部件互連標準。目前常用的是32位PCI。PCI總線的主要性能：（1）總線時鐘頻率33.3MHz/66MHz；（2）最大數據傳輸速率133MB/s；（3）時鐘同步方式；（4） 總線寬度 32 位（5V）/64 位（3.3V）；（5） 能自動識別外設[3]。

1994年PICMG提出了CompactPCI技術，CompactPCI技術是在PCI技術基礎之上經過改造而成，具體有三個方面：（1）繼續采用PCI局部總線技術；（2）拋棄PCI傳統機械結構，改用高可靠歐洲卡結構，改善了散熱條件、提高了抗振動沖擊能力、符合電磁兼容性要求；（3）拋棄IPC的金手指式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，進一步提高了可靠性，并增加了負載能力[4]。

1.3 PXI總線

1997年9月1日，NI發布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范——PXI。 直觀地說，CompactPCI+Extensions for Instrumenta tion=PXI。它將CompactPCI規范定義的PCI總線技術發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構[5-7]。

2.PXI總線的特點

PXI應用了與CompactPCI相同的、一直被用在像遠距離通訊等高性能領域的高級針-座連接器系統。這種由IEC-1076標準定義的高密度（2mm間距）阻抗匹配連接器可以在各種條件下提供盡可能好的電氣性能。PXI儀器模塊的兩種主要結構尺寸及其接口連接器中，J1 連接器上定義了標準的32-bit PCI總線，所有的PXI總線性能定義在 J2 連接器上。PXI 機箱中的系統槽必須位于最左端，而且主控機只能向左擴展以避免占用儀器模塊插槽。

除了將 CompactPCI 規范中的所有機械規范直接移植進PXI規范之外，為了簡化系統集成，PXI還增加了一些 CompactPCI 所沒有的要求。

（1）10MHz專用系統時鐘。PXI規范定義了將10MHz參考時鐘分布到系統中所有模塊的方法。該參考時鐘可被用作同一測量或控制系統中的多卡同步信號。由于PXI嚴格定義了背板總線上的參考時鐘，而且參考時鐘所具有的低時延性能使各個觸發總線信號的時鐘邊緣更適于滿足復雜的觸發協議。

（2）觸發總線。PXI只定義了8根TTL觸發線。使用觸發總線的方式可以是多種多樣的。通過一個PXI模塊可以控制同一系統中其它模塊上一系列動作的時間順序。為了準確地響應正在被監控的外部異步事件，可以將觸發從一個模塊傳給另一個模塊。

（3）星形觸發。如圖1所示，星形觸發總線是在緊鄰系統槽的第一個儀器模塊槽與其它六個儀器槽之間各配置了一根唯一確定的觸發線形成的。PXI系統的星形觸發體系具有兩個獨特的優點：首先保證系統中的每個模塊有一根唯一確定的觸發線；其次每個模塊槽中的單個觸發點所具有的低時延連接性能，保證了系統中每個模塊間非常精確的觸發關系。

（4）槽間局部總線。PXI局部總線是每個儀器模塊插槽與左右鄰槽相連的鏈狀總線。該局部總線具有13線的數據寬度，可用于在模塊之間傳遞模擬信號，也可以進行高速邊帶通訊而不影響PCI總線的帶寬。局部總線信號的分布范圍包括從高速TTL信號到高達42V的模擬信號。

（5）兼容PCI的性能。PXI總線與臺式PCI規范具有完全相同的PCI性能。其它的PCI性能：33MHz性能，32-bit和64-bit數據寬度，132MB/s（32-bit）和264MB/s（64-bit）的峰值數據吞吐率，通過PCI-PCI橋技術進行系統擴展，即插即用功能[5-7]。

3.PXI驅動開發簡介

PXI總線驅動程序的編寫是PXI技術開發中的必要環節，目前有多種開發方式詳見參考文獻[8-12]，其中DDK是Microsoft出品的設備驅動程序開發工具包。該軟件包中包括了有關設備驅動開發的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調試工具和程序范例。選用DDK開發驅動程序，需要對Windows內核以及體系結構有深刻的理解，還要參考大量的DDK開發資料，開發難度大。

WinDriver是一套設備驅動程序開發組件，它的目的就是方便Windows程序員快速開發出PCI/ISA設備的Windows驅動程序。利用WinDriver開發設備驅動程序，不需要熟悉操作系統的內核，整個驅動程序中的所有函數都是工作在用戶態下的。研究者們[8～12]將以上開發工具應用中PXI驅動程序開發取得了良好的效果。

4.PXI總線的應用

近幾年，無論是在網絡通信領域、工業自動化領域還是測試和測量自動化領域，隨著人們對標準化、開放性和技術的面向未來性認識的不斷提高，PXI技術得到了越來越廣泛的關注。與此同時，研究者們[8～12]利用PXI技術開發各種領域的產品已經逐漸被國內市場接納和認同，應用氣氛十分活躍。

4.1 PXI在測試和測量領域的應用

在現代測試和測量領域中，無疑虛擬儀器是現在和將來自動測試技術發展的主要方向。區別于傳統臺式的、用電路實現的、功能固定的模擬儀器，虛擬儀器基于軟件技術設計，通過計算機提供的強大圖形環境和功能擴展能力，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數據采集、數據測量和分析以及測量結果顯示等功能。在測試和測量領域也處于低迷時期，PXI卻異軍突起，成為該領域繼GPIB（IEEE488）之后成長最快的標準化技術。

從技術發展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術路線：

（1）GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997），向高速、高精度、大型ATE（自動測試設備）方向的發展；

（2）PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB/FireWare（1999），向高性能、低成本、普及型系統方向發展。

而基于PXI的技術特點，3U的PXI主要應用方向將是組成便攜或小型的測試、SCADA、監視與控制以及工業自動化系統。6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型ATE應用發展。

清華大學利用基于PXI技術建設的實驗室熱工水利學測控平臺，研制成功了先進的熱工測量技術和熱工仿真技術，完成了海水淡化等重要課題研究。

天津大學采用PXI研制的原油管道泄露遠程監測系統，成功應用于勝利油田和華東輸油管理局的集輸管線和長輸管線，取得了很好的效果。

北京航空航天大學應用PXI技術成功完成了航空發動機壓氣機管道聲模態及非定常特性測量的數據采集和分析課題。中國科學院上海所采用PXI技術，研制成功的實驗衛星的信號分析系統和整星測試系統已經投入運行。

鐵科院基于PXI技術研制成功的列車調度、監控系統，已經得到應用。

西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鑒國外先進ATE技術基礎上，采用PXI研制成功了航空機載電子設備全自動綜合測試系統，已經應用于飛機通訊、導航、儀表和機載計算機的維修測試過程。

中國空間技術研究院采用PXI研制了一系列星載計算機及其測控系統的地面測試設備，完成新技術改造任務。

北京航空航天測控公司利用PXI總線已經成功開發武器綜合測試系統等綜合系統；

國防科技大學ATR重點實驗室早已將PXI/CompactPCI總線作為開發平臺。

在測試/測量領域，現在可用于PXI系統集成的模板已經超過1000種，產品相當豐富。產品的性能也得到了顯著的提升，如數據采樣速度已經達到2GHz，測量精度提升到了7位數字，射頻測量帶寬也達到了3GHz。而且PXI的性能還在不斷地提高?？梢灶A計在不久的將來，PXI可能超過甚至取代傳統盒式測量儀器，占據中、低頻段的高精度測量設備市場的主要份額。

PXI和VXI將在既競爭又互補中共存很長一段時間，最終PXI將取代VXI，成為主流工業標準測試平臺。同時PXI將向工業自動化領域擴展，與CompactPCI形成優勢互補，共同奠定未來工業自動化技術的基礎。

4.2 PXI在工業自動化領域的應用

目前，PXI的系統已廣泛且成功地應用于汽車測試、半導體測試、功能性測試、航空設備測試以及軍事應用。開放的軟硬件架構，永遠是各種解決方案的趨勢。在工業自動化領域，PXI應用成績顯著：

唐山大學基于PXI技術研制的鍋爐供熱自動控制系統，成功地應用在唐山市熱力總公司供熱項目上，而且開發周期短，系統運行可靠；

陜西海泰電子研制的基于PXI的多通道瞬態信號測試系統，檢測器件電起爆/點火瞬態響應特性，解決了石油行業中火工品器件的參數測試問題；

上海寶鋼則采用了PXI研制的軋機震動紋自動監測、診斷系統，應用于軋鋼廠冷軋平整機組，為指導現場操作、進行產品質量控制以及設備維護提供了科學手段；

中國科學院上海所采用PXI技術，研制成功的實驗衛星的信號分析系統和整星測試系統已經投入運行。

目前主要從事PXI/CompactPCI總線工控技術研究的單位還有北京康拓、華為、716所、707所和32所等。國內在PXI總線集成方面做的比較好的單位有北京航空航天測控公司和國防科技大學。

到目前為止，PXI無論是生產廠家的數量、產品的種類和數量，還是系統應用的數量都得到了大幅度增長，越來越多的項目轉向PXI解決方案。

參考文獻

[1]賈曉宇.基于ISA總線的嵌入式智能型張力控制系統[D].武漢理工大學碩士學位論文，2002.

[2]蘇奎峰，呂強，耿慶峰等TMS320F2812原理與開發[M].電子工業出版社，2005.

[3]PCI Local Bus Specification 2.2.

[4]CompactPCI Specification.PICMG，1999.

[5]MEASUREMENT and AUTOMATION 07 CATALOG NI公司研討會資料，2007.

[6]PXI Hardware Specification.PXI Systems Alliance，2004.

[7]PXI Specification.PXI Systems Alliance，2004.

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[9]高俊生.PXI總線嵌入式控制器研制[D].哈爾濱工業大學碩士學位論文，2006.

[10]尹應全.基于PXI總線的雷達虛擬測試系統[D].華中科技大學碩士學位論文，2005.

[11]王朋，李智.基于PXI總線的數據采集卡的WDM驅動程序設計[J].理論與方法，2007，26（5）：2-14.

[12]彭曉東.基于PCI總線的DSP、CPLD運動控制器的設計與實現[D].電子科技大學碩士學位論文，2005.

作者簡介：張艷（1983—），女，山東高唐人，山東省高唐縣第一中學二級教師，主要從事物理和通用技術方面的教學及研究。