基于PXI的便攜式測(cè)控系統(tǒng)

引言

20世紀(jì)60年代末期，Hewlett-Packard設(shè)計(jì)出了所謂的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作為獨(dú)立儀器與計(jì)算機(jī)之間的溝通通道。由于其高速的數(shù)據(jù)傳輸率（對(duì)當(dāng)時(shí)而言），很快便廣為大家所接受，因此后來IEEE便將此接口更名為GPIB (General Purpose Interface Bus)。然而為了應(yīng)付更為復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境與挑戰(zhàn)，GPIB便顯得捉襟見肘。1987年VXI協(xié)會(huì)成立，并制訂了所謂instrument-on-a- card的標(biāo)準(zhǔn)，也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。VXI以其模塊化而且堅(jiān)固的架構(gòu)，的確為量測(cè)與自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)帶來不少的好處。

近十年來，隨著個(gè)人計(jì) 算機(jī)的劇烈革命與普及，以PCI Bus為架構(gòu)的儀器模塊大為發(fā)展。因此1998年PXI System Alliance（PXISA）成立，讓PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）成為一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。PXI的平臺(tái)不僅具有類似VXI的開放架構(gòu)與堅(jiān)固的機(jī)構(gòu)外型，更由于其設(shè)計(jì)了一連串適合儀器開 發(fā)所用的同步信號(hào)，而使得PXI更適合作為量測(cè)與測(cè)試、控制自動(dòng)化的平臺(tái)。

1 PXI簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)單來說，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI為基礎(chǔ)再加上一些PXI特有的信號(hào)組合而成的一個(gè)架構(gòu)。PXI繼承了PCI的電氣信號(hào)，使得PXI擁有 如PCI bus的極高傳輸數(shù)據(jù)的能力，因此能夠有高達(dá)132Mbyte/s到528Mbyte/s的傳輸性能，在軟件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和 CompactPCI一樣的機(jī)械外型結(jié)構(gòu)，因此也能同樣享有高密度、堅(jiān)固外殼及高性能連接器的特性。PXI與CompactPCI相互關(guān)系如圖1所示。

1.1 PXI系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一個(gè)PXI系統(tǒng)由幾項(xiàng)組件所組成，包含了一個(gè)機(jī) 箱、一個(gè)PXI背板（backplane）、系統(tǒng)控制器（System controller module）以及數(shù)個(gè)外設(shè)模塊（Peripheral modules）。在此以一個(gè)高度為3U的八槽PXI系統(tǒng)為例，如圖二所示。系統(tǒng)控制器，也就是CPU模塊，位于機(jī)箱的左邊第一槽，其左方預(yù)留了三個(gè)擴(kuò)充 槽位給系統(tǒng)控制器使用，以便插入因功能復(fù)雜而體積較大的系統(tǒng)卡。由第二槽開始至第八槽稱為外設(shè)槽，可以讓用戶依照本身的需求而插上不同的儀器模塊。其中第 二槽又可稱為星形觸發(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。

1.2 PXI特有信號(hào)

背板上的P1接插件上有32-bit PCI信號(hào)，P2接插件上則有64-bit PCI信號(hào)以及PXI特殊信號(hào)。那么PXI特有的信號(hào)又是什么呢？PXI的信號(hào)包含了以下幾種，其完整的架構(gòu)如圖3所示

1.2.1 10MHz參考時(shí)鐘(10MHz reference clock)

PXI規(guī)格定義了一個(gè)低歪斜(low skew)的10MHz參考時(shí)鐘。此參考時(shí)鐘位于背板上，并且分布至每一個(gè)外設(shè)槽（peripheral slot），其特色是由時(shí)鐘源（Clock source）開始至每一槽的布線長度都是等長的，因此每一外設(shè)槽所接受的clock都是同一相位的，這對(duì)多個(gè)儀器模塊的同步來說是一個(gè)很方便的時(shí)鐘來 源。基本的10MHz參考時(shí)鐘架構(gòu)如圖4所示。

1.2.2 局部總線（Local Bus）

在每一個(gè)外設(shè)槽上，PXI定 義了局部總線以及連接其相鄰的左方及右方外設(shè)槽，左方或右方局部總線各有13條，這個(gè)總線除了可以傳送數(shù)字信號(hào)外，也允許傳送模擬信號(hào)。比如說3號(hào)外設(shè)槽 上有左方局部總線，可以與2號(hào)外設(shè)槽上的右方局部總線連接，而3號(hào)外設(shè)槽上的右方局部總線，則與4號(hào)外設(shè)槽上的左方總線連接。而外設(shè)槽3號(hào)上的左方局部總 線與右方局部總線在背板上是不互相連接的，除非插在3號(hào)外設(shè)槽的儀器模塊將這兩方信號(hào)連接起來。局部總線架構(gòu)如圖5所示。

1.2.3 星形觸發(fā)（Star Trigger）

設(shè)槽2號(hào)的左方局部總線 在PXI的定義下，作為另一種特殊的信號(hào)，叫做星形觸發(fā)。這13條星形觸發(fā)線被依序分別連接到另外的13個(gè)外設(shè)槽（如果背板支持到另外13個(gè)外設(shè)槽的 話），且彼此的走線長度都是等長的。也就是說，若在2號(hào)外設(shè)槽上同一時(shí)間在這13條星形觸發(fā)在線送出觸發(fā)信號(hào)，那么其它儀器模塊都會(huì)在同一時(shí)間收到觸發(fā)信 號(hào)（因?yàn)槊恳粭l觸發(fā)信號(hào)的延遲時(shí)間都相同）。也因?yàn)檫@一項(xiàng)特殊的觸發(fā)功能只有在外設(shè)槽2號(hào)上才有，因此定義了外設(shè)槽2號(hào)叫做星形觸發(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。請(qǐng)看圖6的星形觸發(fā)架構(gòu)說明。

1.2.4 觸發(fā)總線（Trigger Bus）

觸發(fā)總線共有8條線，在背板上從系統(tǒng)槽(Slot 1)連接到其余的外設(shè)槽，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個(gè)共享的溝通管道。這個(gè)8-bit寬度的總線可以讓多個(gè)儀器模塊之間傳送時(shí)鐘信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)以及特訂的傳送協(xié)議。

2 基于PXI總線的測(cè)控系統(tǒng)的硬件子系統(tǒng)

PXI總線在測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)，這很明顯，然而單獨(dú)一個(gè)PXI機(jī)箱和幾塊PXI模塊，是很難滿足各種各樣的測(cè)控需求的。無論是工業(yè)還是軍 工，過程信號(hào)是千變?nèi)f化，僅有的幾個(gè)PXI模塊（雖說有上千種，但仍然不能達(dá)到一種模塊測(cè)一種信號(hào)，而且，也不需要一個(gè)模塊測(cè)一種信號(hào)）要滿足不同的需 要，就要對(duì)過程中的信號(hào)進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，或提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以認(rèn)識(shí)的信號(hào)。

2.1 硬件子系統(tǒng)的一般組成

一般情況下，工業(yè)信號(hào)是不能直接進(jìn)入PXI模塊進(jìn)行測(cè)量的，因?yàn)橛行┬盘?hào)不能直接測(cè)出，必須間接測(cè)量計(jì)算得出，或者是出于對(duì)儀器的保護(hù)，必須進(jìn)行調(diào)理， 然后測(cè)量。PXI模塊的控制信號(hào)已不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。一般情況下，一個(gè)完整的硬件子系統(tǒng)通常包括輸入信號(hào)調(diào)理、輸出信號(hào)調(diào) 理、PXI測(cè)控模塊、PC機(jī)，如圖7所示：