基于PXI的便攜式測控系統

引言

20世紀60年代末期，Hewlett-Packard設計出了所謂的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作為獨立儀器與計算機之間的溝通通道。由于其高速的數據傳輸率（對當時(shí)而言），很快便廣為大家所接受，因此后來(lái)IEEE便將此接口更名為GPIB (General Purpose Interface Bus)。然而為了應付更為復雜的測試環(huán)境與挑戰，GPIB便顯得捉襟見(jiàn)肘。1987年VXI協(xié)會(huì )成立，并制訂了所謂instrument-on-a- card的標準，也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。VXI以其模塊化而且堅固的架構，的確為量測與自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)帶來(lái)不少的好處。

近十年來(lái)，隨著(zhù)個(gè)人計 算機的劇烈革命與普及，以PCI Bus為架構的儀器模塊大為發(fā)展。因此1998年PXI System Alliance（PXISA）成立，讓PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）成為一個(gè)開(kāi)放的標準架構。PXI的平臺不僅具有類(lèi)似VXI的開(kāi)放架構與堅固的機構外型，更由于其設計了一連串適合儀器開(kāi) 發(fā)所用的同步信號，而使得PXI更適合作為量測與測試、控制自動(dòng)化的平臺。

1 PXI簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI為基礎再加上一些PXI特有的信號組合而成的一個(gè)架構。PXI繼承了PCI的電氣信號，使得PXI擁有 如PCI bus的極高傳輸數據的能力，因此能夠有高達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一樣的機械外型結構，因此也能同樣享有高密度、堅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系統內部結構

一個(gè)PXI系統由幾項組件所組成，包含了一個(gè)機 箱、一個(gè)PXI背板（backplane）、系統控制器（System controller module）以及數個(gè)外設模塊（Peripheral modules）。在此以一個(gè)高度為3U的八槽PXI系統為例，如圖二所示。系統控制器，也就是CPU模塊，位于機箱的左邊第一槽，其左方預留了三個(gè)擴充 槽位給系統控制器使用，以便插入因功能復雜而體積較大的系統卡。由第二槽開(kāi)始至第八槽稱(chēng)為外設槽，可以讓用戶(hù)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(chēng)為星形觸發(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。

1.2 PXI特有信號

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，其完整的架構如圖3所示

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

PXI規格定義了一個(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)外設槽（peripheral slot），其特色是由時(shí)鐘源（Clock source）開(kāi)始至每一槽的布線(xiàn)長(cháng)度都是等長(cháng)的，因此每一外設槽所接受的clock都是同一相位的，這對多個(gè)儀器模塊的同步來(lái)說(shuō)是一個(gè)很方便的時(shí)鐘來(lái) 源?；镜?0MHz參考時(shí)鐘架構如圖4所示。

1.2.2 局部總線(xiàn)（Local Bus）

在每一個(gè)外設槽上，PXI定 義了局部總線(xiàn)以及連接其相鄰的左方及右方外設槽，左方或右方局部總線(xiàn)各有13條，這個(gè)總線(xiàn)除了可以傳送數字信號外，也允許傳送模擬信號。比如說(shuō)3號外設槽 上有左方局部總線(xiàn)，可以與2號外設槽上的右方局部總線(xiàn)連接，而3號外設槽上的右方局部總線(xiàn)，則與4號外設槽上的左方總線(xiàn)連接。而外設槽3號上的左方局部總 線(xiàn)與右方局部總線(xiàn)在背板上是不互相連接的，除非插在3號外設槽的儀器模塊將這兩方信號連接起來(lái)。局部總線(xiàn)架構如圖5所示。

1.2.3 星形觸發(fā)（Star Trigger）

設槽2號的左方局部總線(xiàn) 在PXI的定義下，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(xiàn)被依序分別連接到另外的13個(gè)外設槽（如果背板支持到另外13個(gè)外設槽的 話(huà)），且彼此的走線(xiàn)長(cháng)度都是等長(cháng)的。也就是說(shuō)，若在2號外設槽上同一時(shí)間在這13條星形觸發(fā)在線(xiàn)送出觸發(fā)信號，那么其它儀器模塊都會(huì )在同一時(shí)間收到觸發(fā)信 號（因為每一條觸發(fā)信號的延遲時(shí)間都相同）。也因為這一項特殊的觸發(fā)功能只有在外設槽2號上才有，因此定義了外設槽2號叫做星形觸發(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。請看圖6的星形觸發(fā)架構說(shuō)明。

1.2.4 觸發(fā)總線(xiàn)（Trigger Bus）

觸發(fā)總線(xiàn)共有8條線(xiàn)，在背板上從系統槽(Slot 1)連接到其余的外設槽，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(xiàn)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。

2 基于PXI總線(xiàn)的測控系統的硬件子系統

PXI總線(xiàn)在測控系統中應用具有很大的優(yōu)勢，這很明顯，然而單獨一個(gè)PXI機箱和幾塊PXI模塊，是很難滿(mǎn)足各種各樣的測控需求的。無(wú)論是工業(yè)還是軍 工，過(guò)程信號是千變萬(wàn)化，僅有的幾個(gè)PXI模塊（雖說(shuō)有上千種，但仍然不能達到一種模塊測一種信號，而且，也不需要一個(gè)模塊測一種信號）要滿(mǎn)足不同的需 要，就要對過(guò)程中的信號進(jìn)行有效的轉換，或提供執行機構可以認識的信號。

2.1 硬件子系統的一般組成

一般情況下，工業(yè)信號是不能直接進(jìn)入PXI模塊進(jìn)行測量的，因為有些信號不能直接測出，必須間接測量計算得出，或者是出于對儀器的保護，必須進(jìn)行調理， 然后測量。PXI模塊的控制信號已不能直接驅動(dòng)執行機構，必須對控制信號進(jìn)行調理。一般情況下，一個(gè)完整的硬件子系統通常包括輸入信號調理、輸出信號調 理、PXI測控模塊、PC機，如圖7所示：