PXI平臺簡介與高速量測模塊同步之探討

前言

隨著電子制造技術(shù)的日益發(fā)展，集成電路的功能變得越來越復(fù)雜，而體積卻越來越小，因此對制造測試電子元件的廠商而言，如何以最快的時(shí)間建造出最具競爭力的測試平臺，的確是一門不小的學(xué)問。

1960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)雜的測試環(huán)境與挑戰(zhàn)，GPIB便顯得捉襟見肘。1987年VXI協(xié)會成立，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)，的確為量測與自動化產(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，而使得PXI更適合作為量測與測試自動化的平臺。

本文主要目的是介紹在PXI平臺下，如何利用PXI的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行量測儀器模塊之間精密而且快速的同步動作。內(nèi)容包含PXI的簡介與說明、量測儀器模塊常用的同步信號以及應(yīng)用實(shí)例。

PXI簡介

測試系統(tǒng)制造商的工程師會問，什么是PXI？以PXI的儀器模塊和PXI系統(tǒng)做開發(fā)平臺會有什么好處？和CompactPCI或PCI有哪些不同？首先，我們想利用PXI平臺作為量測儀器的平臺，那么就得先知道PXI平臺的架構(gòu)與其優(yōu)點(diǎn)，這樣才能與儀器模塊配合，發(fā)揮出最大的效益。

簡單來說，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI為基礎(chǔ)再加上一些PXI特有的信號組合而成的一個(gè)架構(gòu)。PXI繼承了PCI的電氣信號，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)系如圖一所示。

圖一 PXI與CompactPCI的相互關(guān)系

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），其特殊的功能將于后面的文章中說明。

圖二 典型3U高度的PXI系統(tǒng)架構(gòu)。背板上的P1接插件上有32-bit PCI信號，P2接插件上則有64-bit PCI信號以及PXI特殊信號。

那么前面所說的PXI特有的信號又是什么呢？PXI的信號包含了以下幾種，其完整的架構(gòu)如圖三所示。

圖三 PXI信號架構(gòu)

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)如圖四所示。

圖四 PXI 10MHz參考時(shí)鐘架構(gòu)

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)字信號外，也允許傳送模擬信號。比如說3號外設(shè)槽上有左方局部總線，可以與2號外設(shè)槽上的右方局部總線連接，而3號外設(shè)槽上的右方局部總線，則與4號外設(shè)槽上的左方總線連接。而外設(shè)槽3號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號外設(shè)槽的儀器模塊將這兩方信號連接起來。局部總線架構(gòu)如圖五所示。

圖五 PXI局部總線架構(gòu)

至于最左方外設(shè)槽(2號)的左方局部總線要連接到哪里呢？是連接到系統(tǒng)槽嗎？不是，這一槽的左方局部總線另有用途，稍后會再說明。

3. 星形觸發(fā)（Star Trigger）

前面說到外設(shè)槽2號的左方局部總線在PXI的定義下，實(shí)被作為另一種特殊的信號，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，那么其它儀器模塊都會在同一時(shí)間收到觸發(fā)信號（因?yàn)槊恳粭l觸發(fā)信號的延遲時(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號上才有，因此定義了外設(shè)槽2號叫做星形觸發(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。請看圖六的星形觸發(fā)架構(gòu)說明。

圖六 PXI Star Trigger架構(gòu)

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、觸發(fā)信號以及特訂的傳送協(xié)議。

PXI儀器模塊的同步應(yīng)用介紹

談完P(guān)XI的特殊專有信號后，我們可以了解PXI系統(tǒng)只是提供了一個(gè)方便簡潔的環(huán)境供用戶使用，如何去運(yùn)用這些信號，則必須與儀器模塊搭配，才能真正發(fā)揮PXI系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。綜觀目前各家儀器模塊廠商所能提供的PXI儀器模塊，已經(jīng)達(dá)到數(shù)百種可以選擇，而不同種類的儀器也有不同的連接架構(gòu)與方法。在此我們將以應(yīng)用實(shí)例來說明如何利用PXI特有的信號，來達(dá)成同步的要求。

實(shí)例說明：

某種檢測設(shè)備用來探測待測物體的結(jié)構(gòu)，這種設(shè)備具有八個(gè)傳感器，用來感應(yīng)待測物體所傳回的信息，并且以模擬信號送出其結(jié)果，其信號頻率在7.5MHz左右。由于這八個(gè)信號互相有時(shí)間上的關(guān)系，因此當(dāng)我們量測這八個(gè)傳感器信號時(shí)必須要同一時(shí)間開始采集，并且采樣時(shí)鐘要同一相位，否則運(yùn)算的結(jié)果會有誤差。另外此檢測設(shè)備在傳感器開始傳送信號時(shí)，同時(shí)會有數(shù)字觸發(fā)信號輸出，其數(shù)字與模擬信號關(guān)系如圖七所示。

圖七 檢測設(shè)備的輸出時(shí)序圖

面對前述的量測需求，我們必須選擇一個(gè)合適的量測模塊，才能達(dá)到系統(tǒng)的要求。首先傳感器所回傳的信號頻率為7.5MHz，因此根據(jù)奈氏采樣定理，量測模塊的采樣頻率必須在15MHz以上，且模塊本身的輸入頻寬必須比7.5MHz高上許多，才不會造成輸入信號的衰減。綜觀以上條件，我們選擇凌華科技推出的PXI-9820作為量測模塊。PXI-9820為一高速的數(shù)據(jù)采集模塊，本身具有兩個(gè)采樣通道，其采樣率高達(dá)65MS/s，前級模擬輸入頻寬高達(dá)30MHz。另外PXI-9820本身配有鎖相環(huán)電路(PLL)，可以對外界的參考時(shí)鐘進(jìn)行相位鎖定。PXI-9820也可通過PXI的Star Trigger，對其余13個(gè)外設(shè)槽傳送高度精密的觸發(fā)信號。因此PXI-9820十分適合用在這一個(gè)應(yīng)用里。

有了適合的量測模塊之后，我們要開始規(guī)劃如何進(jìn)行量測。首先，由于共有八個(gè)傳感器需要進(jìn)行量測，而一個(gè)PXI-9820只有兩個(gè)采樣通道，因此我們需要四片PXI-9820。其次量測規(guī)格要求各通道采樣的相位要相同，因此每一張量測模塊的時(shí)鐘必須進(jìn)行同步。由于每一片PXI-9820本身有板載采樣時(shí)鐘，因此其時(shí)鐘無法保證都同相位。我們利用PXI背板所提供的10MHz參考時(shí)鐘作為PXI-9820的外界參考時(shí)鐘輸入，利用PXI-9820本身的鎖相回路電路進(jìn)行時(shí)鐘的相位鎖定。圖八是各片儀器模塊的采樣時(shí)鐘不同步的情況。圖九則為經(jīng)過PLL鎖相之后的時(shí)鐘結(jié)果。

圖八 不同步的采樣時(shí)鐘

圖九 同步的采樣時(shí)鐘

最后，由于檢測設(shè)備在開始傳送傳感器的模擬數(shù)據(jù)時(shí)，會一并送出數(shù)字觸發(fā)信號，我們將此觸發(fā)信號當(dāng)作每一片PXI-9820的觸發(fā)條件。不過如何讓這一個(gè)觸發(fā)信號能精確的同時(shí)到達(dá)每一張PXI-9820呢?我們將其中一張PXI-9820插入Star Trigger Controller槽位，利用這一槽特有的Star trigger，傳送給其余的三張PXI-9820以達(dá)到最精確的觸發(fā)時(shí)間。

結(jié)論

利用PXI儀器模塊與PXI平臺作為量測與測試平臺，不僅可以充分利用PCI的高速傳輸特性，以及繼承用戶原本就已熟悉的軟件平臺，更可以利用PXI所提供的觸發(fā)信號來完成更精密的同步功能。全球各地的PXI開發(fā)廠商更為用戶提供了數(shù)百種的量測測試儀器模塊，讓用戶可以以最方便、快速及經(jīng)濟(jì)的方式完成適合本身應(yīng)用的PXI系統(tǒng)。本文清楚的說明了PXI信號，并且以一簡單的例子說明如何以PXI信號進(jìn)行儀器模塊之間的同步。希望能給予準(zhǔn)備開發(fā)PXI系統(tǒng)的用戶一個(gè)初步的了解。