【摘要】本文從NI公司推出的新型計(jì)算機(jī)外圍總線——PXI總線技術(shù)的產(chǎn)生背景開始，介紹了PXI總線特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)開發(fā)。在測試測量領(lǐng)域和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域上的應(yīng)用，對(duì)PXI總線技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

　　【關(guān)鍵詞】總線,PXINI

　　1.總線的概念、歷史和發(fā)展

　　總線就是各種信號(hào)線的集合，是計(jì)算機(jī)各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路�？偩�的主要參數(shù)有：（1）總線的帶寬：指一定時(shí)間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，即每秒鐘傳送多少M(fèi)B的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。（2）總線的位寬：指總線能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。（3）總線的工作時(shí)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。

　　1.1ISA，IIC，CAN總線

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

　　IIC總線產(chǎn)生于在80年代初。早期的IIC總線數(shù)據(jù)傳輸速率最高為100Kbits/s，采用7位尋址。但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率和應(yīng)用功能的迅速增加，IIC總線也增強(qiáng)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(dá)3.4Mbits/s[2]。

　　CAN，即控制器局域網(wǎng)，產(chǎn)生于1986年。CAN的主要特性：（1）長達(dá)10Km的數(shù)據(jù)傳輸距離；（2）高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；（3）可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；（4）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制[2]。

　　1.2PCI，CompactPCI總線

　　1991年Intel公司首先提出了PCI的概念：外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)。目前常用的是32位PCI。PCI總線的主要性能：（1）總線時(shí)鐘頻率33.3MHz/66MHz；（2）最大數(shù)據(jù)傳輸速率133MB/s；（3）時(shí)鐘同步方式；（4）總線寬度32位（5V）/64位（3.3V）；（5）能自動(dòng)識(shí)別外設(shè)[3]。

　　1994年P(guān)ICMG提出了CompactPCI技術(shù)，CompactPCI技術(shù)是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)之上經(jīng)過改造而成，具體有三個(gè)方面：（1）繼續(xù)采用PCI局部總線技術(shù)；（2）拋棄PCI傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，改用高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件、提高了抗振動(dòng)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(jìn)一步提高了可靠性，并增加了負(fù)載能力[4]。

　　1.3PXI總線

　　1997年9月1日，NI發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范——PXI。直觀地說，CompactPCI+ExtensionsforInstrumentation=PXI。它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)[5-7]。

　　2.PXI總線的特點(diǎn)

　　PXI應(yīng)用了與CompactPCI相同的、一直被用在像遠(yuǎn)距離通訊等高性能領(lǐng)域的高級(jí)針-座連接器系統(tǒng)。這種由IEC-1076標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)尺寸及其接口連接器中，J1連接器上定義了標(biāo)準(zhǔn)的32-bitPCI總線，所有的PXI總線性能定義在J2連接器上。PXI機(jī)箱中的系統(tǒng)槽必須位于最左端，而且主控機(jī)只能向左擴(kuò)展以避免占用儀器模塊插槽。

　　除了將CompactPCI規(guī)范中的所有機(jī)械規(guī)范直接移植進(jìn)PXI規(guī)范之外，為了簡化系統(tǒng)集成，PXI還增加了一些CompactPCI所沒有的要求。

　　（1）10MHz專用系統(tǒng)時(shí)鐘。PXI規(guī)范定義了將10MHz參考時(shí)鐘分布到系統(tǒng)中所有模塊的方法。該參考時(shí)鐘可被用作同一測量或控制系統(tǒng)中的多卡同步信號(hào)。由于PXI嚴(yán)格定義了背板總線上的參考時(shí)鐘，而且參考時(shí)鐘所具有的低時(shí)延性能使各個(gè)觸發(fā)總線信號(hào)的時(shí)鐘邊緣更適于滿足復(fù)雜的觸發(fā)協(xié)議。

　�。�2）觸發(fā)總線。PXI只定義了8根TTL觸發(fā)線。使用觸發(fā)總線的方式可以是多種多樣的。通過一個(gè)PXI模塊可以控制同一系統(tǒng)中其它模塊上一系列動(dòng)作的時(shí)間順序。為了準(zhǔn)確地響應(yīng)正在被監(jiān)控的外部異步事件，可以將觸發(fā)從一個(gè)模塊傳給另一個(gè)模塊。

　�。�3）星形觸發(fā)。如圖1所示，星形觸發(fā)總線是在緊鄰系統(tǒng)槽的第一個(gè)儀器模塊槽與其它六個(gè)儀器槽之間各配置了一根唯一確定的觸發(fā)線形成的。PXI系統(tǒng)的星形觸發(fā)體系具有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先保證系統(tǒng)中的每個(gè)模塊有一根唯一確定的觸發(fā)線；其次每個(gè)模塊槽中的單個(gè)觸發(fā)點(diǎn)所具有的低時(shí)延連接性能，保證了系統(tǒng)中每個(gè)模塊間非常精確的觸發(fā)關(guān)系。

　�。�4）槽間局部總線。PXI局部總線是每個(gè)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(shù)據(jù)寬度，可用于在模塊之間傳遞模擬信號(hào)，也可以進(jìn)行高速邊帶通訊而不影響PCI總線的帶寬。局部總線信號(hào)的分布范圍包括從高速TTL信號(hào)到高達(dá)42V的模擬信號(hào)。

　�。�5）兼容PCI的性能。PXI總線與臺(tái)式PCI規(guī)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(shù)據(jù)寬度，132MB/s（32-bit）和264MB/s（64-bit）的峰值數(shù)據(jù)吞吐率，通過PCI-PCI橋技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，即插即用功能[5-7]。

　　3.PXI驅(qū)動(dòng)開發(fā)簡介

　　PXI總線驅(qū)動(dòng)程序的編寫是PXI技術(shù)開發(fā)中的必要環(huán)節(jié)，目前有多種開發(fā)方式詳見參考文獻(xiàn)[8-12]，其中DDK是Microsoft出品的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具包。該軟件包中包括了有關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和程序范例。選用DDK開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，需要對(duì)Windows內(nèi)核以及體系結(jié)構(gòu)有深刻的理解，還要參考大量的DDK開發(fā)資料，開發(fā)難度大。WinDriver是一套設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)組件，它的目的就是方便Windows程序員快速開發(fā)出PCI/ISA設(shè)備的Windows驅(qū)動(dòng)程序。利用WinDriver開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，不需要熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核，整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中的所有函數(shù)都是工作在用戶態(tài)下的。研究者們[8～12]將以上開發(fā)工具應(yīng)用中PXI驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)取得了良好的效果。

　　4.PXI總線的應(yīng)用

　　近幾年，無論是在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域還是測試和測量自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化、開放性和技術(shù)的面向未來性認(rèn)識(shí)的不斷提高，PXI技術(shù)得到了越來越廣泛的關(guān)注。與此同時(shí)，研究者們[8～12]利用PXI技術(shù)開發(fā)各種領(lǐng)域的產(chǎn)品已經(jīng)逐漸被國內(nèi)市場接納和認(rèn)同，應(yīng)用氣氛十分活躍。

　　4.1PXI在測試和測量領(lǐng)域的應(yīng)用

　　在現(xiàn)代測試和測量領(lǐng)域中，無疑虛擬儀器是現(xiàn)在和將來自動(dòng)測試技術(shù)發(fā)展的主要方向。區(qū)別于傳統(tǒng)臺(tái)式的、用電路實(shí)現(xiàn)的、功能固定的模擬儀器，虛擬儀器基于軟件技術(shù)設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)提供的強(qiáng)大圖形環(huán)境和功能擴(kuò)展能力，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測量和分析以及測量結(jié)果顯示等功能。在測試和測量領(lǐng)域也處于低迷時(shí)期，PXI卻異軍突起，成為該領(lǐng)域繼GPIB（IEEE488）之后成長最快的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。

　　從技術(shù)發(fā)展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術(shù)路線：

　�。�1）GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997），向高速、高精度、大型ATE（自動(dòng)測試設(shè)備）方向的發(fā)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(tǒng)方向發(fā)展。

　　而基于PXI的技術(shù)特點(diǎn)，3U的PXI主要應(yīng)用方向?qū)⑹墙M成便攜或小型的測試、SCADA、監(jiān)視與控制以及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。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(yīng)用發(fā)展。

　　清華大學(xué)利用基于PXI技術(shù)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室熱工水利學(xué)測控平臺(tái)，研制成功了先進(jìn)的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，完成了海水淡化等重要課題研究。

　　天津大學(xué)采用PXI研制的原油管道泄露遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，成功應(yīng)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(xué)應(yīng)用PXI技術(shù)成功完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)管道聲模態(tài)及非定常特性測量的數(shù)據(jù)采集和分析課題。中國科學(xué)院上海所采用PXI技術(shù)，研制成功的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的信號(hào)分析系統(tǒng)和整星測試系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。

　　鐵科院基于PXI技術(shù)研制成功的列車調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)得到應(yīng)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(jìn)ATE技術(shù)基礎(chǔ)上，采用PXI研制成功了航空機(jī)載電子設(shè)備全自動(dòng)綜合測試系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)通訊、導(dǎo)航、儀表和機(jī)載計(jì)算機(jī)的維修測試過程。

　　中國空間技術(shù)研究院采用PXI研制了一系列星載計(jì)算機(jī)及其測控系統(tǒng)的地面測試設(shè)備，完成新技術(shù)改造任務(wù)。

　　北京航空航天測控公司利用PXI總線已經(jīng)成功開發(fā)武器綜合測試系統(tǒng)等綜合系統(tǒng)；

　　國防科技大學(xué)ATR重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室早已將PXI/CompactPCI總線作為開發(fā)平臺(tái)。

　　在測試/測量領(lǐng)域，現(xiàn)在可用于PXI系統(tǒng)集成的模板已經(jīng)超過1000種，產(chǎn)品相當(dāng)豐富。產(chǎn)品的性能也得到了顯著的提升，如數(shù)據(jù)采樣速度已經(jīng)達(dá)到2GHz，測量精度提升到了7位數(shù)字，射頻測量帶寬也達(dá)到了3GHz。而且PXI的性能還在不斷地提高�？梢灶A(yù)計(jì)在不久的將來，PXI可能超過甚至取代傳統(tǒng)盒式測量儀器，占據(jù)中、低頻段的高精度測量設(shè)備市場的主要份額。

　　PXI和VXI將在既競爭又互補(bǔ)中共存很長一段時(shí)間，最終PXI將取代VXI，成為主流工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試平臺(tái)。同時(shí)PXI將向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域擴(kuò)展，與CompactPCI形成優(yōu)勢互補(bǔ)，共同奠定未來工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　4.2PXI在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

　　目前，PXI的系統(tǒng)已廣泛且成功地應(yīng)用于汽車測試、半導(dǎo)體測試、功能性測試、航空設(shè)備測試以及軍事應(yīng)用。開放的軟硬件架構(gòu)，永遠(yuǎn)是各種解決方案的趨勢。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，PXI應(yīng)用成績顯著：

　　唐山大學(xué)基于PXI技術(shù)研制的鍋爐供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，成功地應(yīng)用在唐山市熱力總公司供熱項(xiàng)目上，而且開發(fā)周期短，系統(tǒng)運(yùn)行可靠；

　　陜西海泰電子研制的基于PXI的多通道瞬態(tài)信號(hào)測試系統(tǒng)，檢測器件電起爆/點(diǎn)火瞬態(tài)響應(yīng)特性，解決了石油行業(yè)中火工品器件的參數(shù)測試問題；

　　上海寶鋼則采用了PXI研制的軋機(jī)震動(dòng)紋自動(dòng)監(jiān)測、診斷系統(tǒng)，應(yīng)用于軋鋼廠冷軋平整機(jī)組，為指導(dǎo)現(xiàn)場操作、進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制以及設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)手段；

　　中國科學(xué)院上海所采用PXI技術(shù)，研制成功的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的信號(hào)分析系統(tǒng)和整星測試系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。

　　目前主要從事PXI/CompactPCI總線工控技術(shù)研究的單位還有北京康拓、華為、716所、707所和32所等。國內(nèi)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(xué)。

　　到目前為止，PXI無論是生產(chǎn)廠家的數(shù)量、產(chǎn)品的種類和數(shù)量，還是系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)量都得到了大幅度增長，越來越多的項(xiàng)目轉(zhuǎn)向PXI解決方案。

　　參考文獻(xiàn)

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