為了幫助您更深入地了解PXI，請(qǐng)參見(jiàn)圖1 中的兩張圖片。該圖片將PXI系統(tǒng)的機(jī)箱、控制器及PXI(e)外圍模塊與商用臺(tái)式機(jī)組件進(jìn)行了比較。關(guān)鍵在于了解PXI的組成架構(gòu)及其如何匹配商用PC技術(shù)：

PXI機(jī)箱與臺(tái)式機(jī)機(jī)箱的對(duì)比

PXI控制器與臺(tái)式機(jī)CPU、內(nèi)存、I/O的對(duì)比

PXI(e)外圍模塊與臺(tái)式機(jī)PCI(e)外圍模塊的對(duì)比

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圖 1. PXI系統(tǒng)與商用臺(tái)式機(jī)的對(duì)比

PXI(面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展) 是一個(gè)基于PC的成熟平臺(tái)，適用于測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)。它提供了電源、冷卻和通信總線(xiàn)來(lái)支持同一機(jī)箱內(nèi)的多個(gè)儀器模塊。PXI采用基于PC的商用PCI總線(xiàn)技術(shù)，但同時(shí)結(jié)合了堅(jiān)固的CompactPCI模塊化封裝以及重要的定時(shí)和同步功能。

外圍部件互連專(zhuān)業(yè)組(PCI-SIG)發(fā)布了PCI的進(jìn)化版——PCI Express標(biāo)準(zhǔn)，顯著提高了系統(tǒng)帶寬。負(fù)責(zé)管理PXI的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(PXISA)采用了最新一代的商用PC總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PXI到PXI Express的演變。 PXI Express保持了PXI功能，以確保系統(tǒng)的向后兼容性，除了具有標(biāo)準(zhǔn)的PXI功能外，它還提供了更高的帶寬、電源、冷卻、定時(shí)和同步功能。

PXI和PXI Express擁有如此豐富的功能，看起來(lái)似乎非常復(fù)雜，但是，這些技術(shù)的核心是相同的：主流PC通信總線(xiàn)。 PXI和PXI Express機(jī)箱為當(dāng)代工程師的測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)提供了一個(gè)應(yīng)用廣泛的成熟架構(gòu)。

由于PXI是由PXISA管理的開(kāi)放式規(guī)范，任何廠商都可開(kāi)發(fā)PXI產(chǎn)品。為了更好地解釋底層PXI系統(tǒng)細(xì)節(jié)，本文重點(diǎn)介紹了PXISA制定的PXI規(guī)范,以及這些規(guī)范如何在NI PXI硬件中得到體現(xiàn)。

硬件概覽

The PXISA 硬件規(guī)范 規(guī)定了與機(jī)械、電子和軟件架構(gòu)相關(guān)的所有要求。PXI Express規(guī)范是CompactPCI與CompactPCI Express規(guī)范的具體體現(xiàn)。圖2顯示了這些機(jī)械和電子特性如何將CompactPCI與CompactPCI Express規(guī)范與主要PXI功能相結(jié)合來(lái)構(gòu)建總體架構(gòu)。本文后面幾節(jié)將會(huì)對(duì)這一層次結(jié)構(gòu)的每個(gè)部分進(jìn)行介紹，并解釋它們具體是如何應(yīng)用到PXI中。

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圖 2. PXI整體架構(gòu)

機(jī)械架構(gòu)

機(jī)械架構(gòu) 規(guī)定了CompactPCI、CompactPCI Express、PXI和PXI Express之間的物理兼容性。例如，機(jī)械架構(gòu)規(guī)定系統(tǒng)控制器應(yīng)連接PXI機(jī)箱最左邊的插槽，以確保系統(tǒng)控制器位于PCI總線(xiàn)部分的左端。該位置的規(guī)定簡(jiǎn)化了機(jī)箱與控制器之間的集成以及它們之間的兼容程度。

PXI系統(tǒng)中使用的控制器可以是外部PC，也可以是嵌入式控制器。嵌入式控制器包含了集成CPU、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)存、以太網(wǎng)、視頻、串口、USB和其他I/ O外設(shè)等標(biāo)準(zhǔn)功能。您可以在標(biāo)準(zhǔn)的Windows環(huán)境下來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序——與外部PC相同的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。

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圖 3. 嵌入式控制器提供了一系列I/O接口來(lái)連接獨(dú)立運(yùn)行的儀器或外圍設(shè)備。

PXI規(guī)范沿用了CompactPCI and CompactPCI Express的高性能IEC連接器和堅(jiān)固EuroCard封裝系統(tǒng)。

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圖 4. NI PXI-8430具有類(lèi)似于EuroCard的封裝和高性能IEC連接器。

儀器通過(guò)該連接器和背板的總線(xiàn)（如PCI和PCI Express總線(xiàn)）與系統(tǒng)的其余部分相連接和進(jìn)行通信。隨著規(guī)范不斷發(fā)展以納入最新通信總線(xiàn)，這些連接器配置保持了向后兼容性。在電子架構(gòu)部分我們將會(huì)更詳細(xì)進(jìn)行介紹。

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圖 5. 規(guī)范定義了用于與PXI機(jī)箱通信的連接器。

PXI的機(jī)械規(guī)范還包括CompactPCI與CompactPCI Express所沒(méi)有的冷卻和環(huán)境要求，以確保PXI在任何工業(yè)環(huán)境中都能正常運(yùn)行。

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圖 6. 了解PXI機(jī)箱如何滿(mǎn)足規(guī)范中的冷卻要求

電子架構(gòu)

電子架構(gòu) 必須遵循PCI、PCI Express、CompactPCI和CompactPCI Express的規(guī)范及功率要求。它還增加了特定的定時(shí)和同步功能，使PXI成為適用于高性能測(cè)試和測(cè)量的獨(dú)特平臺(tái)。

PXI機(jī)箱的核心電子特性是通信總線(xiàn)。隨著PCI演變成PCI Express，規(guī)范也發(fā)生了相應(yīng)變化，以確保PCI Express可以集成到PXI機(jī)箱背板中來(lái)滿(mǎn)足更多的應(yīng)用需求。

對(duì)于傳統(tǒng)儀器， PXI支持PCI通信——通常用于并行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的32位總線(xiàn)。PCI儀器最大帶寬的或吞吐量為132 MB / s。隨著應(yīng)用需要更高的帶寬，PCI Express的數(shù)據(jù)通過(guò)稱(chēng)為“l(fā)ane”的一對(duì)發(fā)送-接收連接線(xiàn)路來(lái)串行傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)方向的數(shù)據(jù)的傳輸速率可達(dá)250 MB / s。該串行連接被稱(chēng)為PCI Express Gen1 X1“鏈路”（乘1） 。多條lane可以組合在一起，形成x2、x4、x8、x16和x32鏈路來(lái)提高帶寬。這些鏈路為控制器和裝有儀器的插槽之間提供了連接。例如， x16插槽可以發(fā)送和接收4 GB/s ( 250 MB/s* 16)的數(shù)據(jù)。為了確保與舊PXI儀器和新PXI Express儀器的兼容性， PXI機(jī)箱內(nèi)同時(shí)集成了PCI和PCI Express通信總線(xiàn)。隨著PCI Express規(guī)范的演變， PXI將繼續(xù)把新的功能納入PXI機(jī)箱中，同時(shí)保持向后兼容性。

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圖 7. NI PXIe-1085機(jī)箱這一范例突出了每條PCI和PCI Express總線(xiàn)根據(jù)插槽支持的模塊類(lèi)型路由至每個(gè)插槽。

隨著機(jī)箱通信總線(xiàn)不斷發(fā)展以集成最新PC技術(shù)，PXI外圍模塊也從PXI演變成PXI Express，以利用PCI Express通信總線(xiàn)的功能。為了確保PXI和PXI Express模塊之間的兼容性，PXI規(guī)范將混合插槽納入其中。該插槽使您能夠在PXI機(jī)箱上插入PXI或PXI Express外圍模塊。PXI機(jī)箱包含以下插槽：

系統(tǒng)插槽，用于插入嵌入式或遠(yuǎn)程PXI Express控制器

PXI外設(shè)插槽，用于插入PXI模塊

PXI Express混合外設(shè)插槽，用于插入PXI Express外圍模塊、32位CompactPCI外圍模塊和混合兼容PXI外圍模塊

系統(tǒng)定時(shí)插槽，用于插入PXI Express外圍模塊和PXI Express系統(tǒng)定時(shí)模塊

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圖 8. PXI機(jī)箱內(nèi)包含的插槽類(lèi)型

綜上所述，PXI規(guī)范定義了PXI機(jī)箱背板可提供的所有技術(shù)。

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圖 9. PXI機(jī)箱集成了最新的通信總線(xiàn)，這些總線(xiàn)路由至不同的插槽選項(xiàng)，以滿(mǎn)足外圍模塊的需求。

除了通信總線(xiàn)，電子規(guī)范還定義了定時(shí)和同步功能，其中包含分配至系統(tǒng)所有外圍模塊的PXI 10 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的定義。這一共用參考時(shí)鐘可用于同步測(cè)量或控制系統(tǒng)中的多個(gè)模塊。除了時(shí)鐘，PXI還具有觸發(fā)功能，如多支觸發(fā)總線(xiàn)和具有長(zhǎng)度匹配的線(xiàn)路的星形觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)。八條PXI觸發(fā)線(xiàn)組成了PXI觸發(fā)總線(xiàn)，該總線(xiàn)非常靈活，具有多種不同的使用方式。例如，觸發(fā)器可用于同步多個(gè)PXI外圍模塊之間的運(yùn)行。

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圖 10. NI PXIe-1085機(jī)箱PXI觸發(fā)總線(xiàn)連接圖顯示了觸發(fā)傳輸至PXI外圍模塊的方式。

對(duì)于需要更高性能的應(yīng)用，該規(guī)范通過(guò)規(guī)定PXI星形觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)來(lái)為PXI系統(tǒng)提供了更高性能的同步功能。星形觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)成為了系統(tǒng)定時(shí)插槽（插槽序號(hào)旁邊有標(biāo)注，PXI和PXI Express分別以菱形和正方形表示）和其他外設(shè)插槽之間的專(zhuān)用觸發(fā)線(xiàn)。定時(shí)和同步模塊——星形觸發(fā)控制器——安裝在系統(tǒng)定時(shí)插槽上，用于為其他外圍模塊提供精確的時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)。另外，該模塊還具有板載(TCXO, OCXO)、衍生(DDS)或外部（銣源）時(shí)鐘，可覆蓋PXI機(jī)箱的板載VCXO精確度，以定義機(jī)箱的高頻率系統(tǒng)參考時(shí)鐘、10 MHz和100 MHz時(shí)鐘。

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圖 11. NI PXIe-1085機(jī)箱采用該星形連接圖來(lái)確保每個(gè)插槽之間的傳輸延遲匹配。

從下圖可以看出PXI觸發(fā)總線(xiàn)和PXI星形觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)路由至每個(gè)插槽。為了確保這些功能之間的兼容性，PXI引入了SYNC 100來(lái)同步機(jī)箱內(nèi)的10 MHz和100 MHz時(shí)鐘。

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圖 12. 選擇最適合的配置來(lái)確保定時(shí)和同步功能能夠滿(mǎn)足您的應(yīng)用需求。

系統(tǒng)概述

PXI軟件規(guī)范還定義了軟件架構(gòu)，這是PXI平臺(tái)一個(gè)非常重要的元素。由于PXI基于軟件定義的儀器架構(gòu)，PXI的硬件本身不包含用戶(hù)可直接訪(fǎng)問(wèn)的功能，如顯示屏、旋鈕和按鍵。所有用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)的功能均是在軟件上。該軟件框架定義了系統(tǒng)控制器模塊和PXI外圍模塊的PXI系統(tǒng)軟件要求。系統(tǒng)控制器模塊和PXI外圍模塊必須滿(mǎn)足特定的操作系統(tǒng)和工具支持需求，才能被視為兼容給定的PXI軟件框架。

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圖 13. PXI軟件架構(gòu)

PXI規(guī)范規(guī)定了基于Microsoft Windows操作系統(tǒng)的PXI系統(tǒng)的軟件框架。因此，控制器可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序編程接口，如NI LabVIEW、NI Measurement Studio、Visual Basic和Visual C/ C + +。 PXI還需要由模塊和機(jī)箱供應(yīng)商提供的特定軟件組件。對(duì)于PXI組件，用于定義系統(tǒng)配置和系統(tǒng)功能的初始化文件是必需的。最后，規(guī)范還規(guī)定了PXI必須能夠?qū)崿F(xiàn)儀器儀表行業(yè)廣泛采用的VISA，以配置和控制VXI、GPIB、串口以及PXI儀器。

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圖 14. 該圖顯示了PXI的完整軟件架構(gòu)。

實(shí)際示例：PXI系統(tǒng)內(nèi)的通信
舉一個(gè)PXI系統(tǒng)的簡(jiǎn)單用例：使用PXI模塊（如NI PXIe-5451）生成信號(hào)。您使用的是基于Windows的控制器并使用LabVIEW軟件來(lái)編寫(xiě)程序。LabVIEW通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序與儀器進(jìn)行通信。Measurement & Automation Explorer (MAX)用于確保系統(tǒng)的設(shè)置可支持該通信。

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圖 15. 硬件設(shè)置和軟件環(huán)境示例

如果要開(kāi)始通信，需要運(yùn)行一個(gè)使用LabVIEW編寫(xiě)的程序。LabVIEW程序在后臺(tái)執(zhí)行操作序列。以下是實(shí)現(xiàn)通信的步驟：

步驟1： 在PXI系統(tǒng)控制器上運(yùn)行LabVIEW
編寫(xiě)應(yīng)用程序代碼，該代碼會(huì)被編譯并被轉(zhuǎn)化為機(jī)器級(jí)代碼。

步驟2： PXI系統(tǒng)控制器將以L(fǎng)abVIEW編寫(xiě)的命令集傳送至插到PXI外設(shè)插槽的儀器中。
在PXI系統(tǒng)控制器內(nèi)存和處理器中，機(jī)器級(jí)代碼轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并沿著PCI或PCI Express通信總線(xiàn)傳輸。在本例中， PXI機(jī)箱背板上運(yùn)行的是PCI Express通信，用于將系統(tǒng)控制器與外設(shè)儀器相連接。

步驟3： 命令通過(guò)機(jī)箱背板上的通信總線(xiàn)進(jìn)行傳輸
信號(hào)通過(guò)PCI Express通信總線(xiàn)傳輸至裝有儀器的PXI插槽。

步驟4： 代碼傳輸至儀器
PXI模塊讀取發(fā)送過(guò)來(lái)的命令。在本例中，NI PXIe-5451生成信號(hào)后，儀器通過(guò)模塊上的電路讀取信號(hào)，然后執(zhí)行所需的操作，生成信號(hào)后，將其傳輸至模塊前端的連接器。

圖 16 顯示了控制器和實(shí)際插槽之間的通信方式。

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圖 16. 顯示了控制器和實(shí)際插槽之間的通信方式。