PXI平臺簡(jiǎn)介與高速量測模塊同步之探討

前言

隨著(zhù)電子制造技術(shù)的日益發(fā)展，集成電路的功能變得越來(lái)越復雜，而體積卻越來(lái)越小，因此對制造測試電子元件的廠(chǎng)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(mén)不小的學(xué)問(wèn)。

1960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自動(dòng)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(dòng)作。內容包含PXI的簡(jiǎn)介與說(shuō)明、量測儀器模塊常用的同步信號以及應用實(shí)例。

PXI簡(jiǎn)介

測試系統制造商的工程師會(huì )問(wèn)，什么是PXI？以PXI的儀器模塊和PXI系統做開(kāi)發(fā)平臺會(huì )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(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)系如圖一所示。

圖一 PXI與CompactPCI的相互關(guān)系

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），其特殊的功能將于后面的文章中說(shuō)明。

圖二 典型3U高度的PXI系統架構。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(shuō)的PXI特有的信號又是什么呢？PXI的信號包含了以下幾種，其完整的架構如圖三所示。

圖三 PXI信號架構

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)鐘架構如圖四所示。

圖四 PXI 10MHz參考時(shí)鐘架構

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)架構如圖五所示。

圖五 PXI局部總線(xiàn)架構

至于最左方外設槽(2號)的左方局部總線(xiàn)要連接到哪里呢？是連接到系統槽嗎？不是，這一槽的左方局部總線(xiàn)另有用途，稍后會(huì )再說(shuō)明。

3. 星形觸發(fā)（Star Trigger）

前面說(shuō)到外設槽2號的左方局部總線(xiàn)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(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）。請看圖六的星形觸發(fā)架構說(shuō)明。

圖六 PXI Star Trigger架構

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。

PXI儀器模塊的同步應用介紹

談完P(guān)XI的特殊專(zhuān)有信號后，我們可以了解PXI系統只是提供了一個(gè)方便簡(jiǎn)潔的環(huán)境供用戶(hù)使用，如何去運用這些信號，則必須與儀器模塊搭配，才能真正發(fā)揮PXI系統的優(yōu)點(diǎn)。綜觀(guān)目前各家儀器模塊廠(chǎng)商所能提供的PXI儀器模塊，已經(jīng)達到數百種可以選擇，而不同種類(lèi)的儀器也有不同的連接架構與方法。在此我們將以應用實(shí)例來(lái)說(shuō)明如何利用PXI特有的信號，來(lái)達成同步的要求。

實(shí)例說(shuō)明：

某種檢測設備用來(lái)探測待測物體的結構，這種設備具有八個(gè)傳感器，用來(lái)感應待測物體所傳回的信息，并且以模擬信號送出其結果，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，因此當我們量測這八個(gè)傳感器信號時(shí)必須要同一時(shí)間開(kāi)始采集，并且采樣時(shí)鐘要同一相位，否則運算的結果會(huì )有誤差。另外此檢測設備在傳感器開(kāi)始傳送信號時(shí)，同時(shí)會(huì )有數字觸發(fā)信號輸出，其數字與模擬信號關(guān)系如圖七所示。

圖七 檢測設備的輸出時(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，才能達到系統的要求。首先傳感器所回傳的信號頻率為7.5MHz，因此根據奈氏采樣定理，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(huì )造成輸入信號的衰減。綜觀(guān)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為一高速的數據采集模塊，本身具有兩個(gè)采樣通道，其采樣率高達65MS/s，前級模擬輸入頻寬高達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(guò)PXI的Star Trigger，對其余13個(gè)外設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)應用里。

有了適合的量測模塊之后，我們要開(kāi)始規劃如何進(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(wú)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(guò)PLL鎖相之后的時(shí)鐘結果。

圖八 不同步的采樣時(shí)鐘

圖九 同步的采樣時(shí)鐘

最后，由于檢測設備在開(kāi)始傳送傳感器的模擬數據時(shí)，會(huì )一并送出數字觸發(fā)信號，我們將此觸發(fā)信號當作每一片PXI-9820的觸發(fā)條件。不過(guò)如何讓這一個(gè)觸發(fā)信號能精確的同時(shí)到達每一張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以達到最精確的觸發(fā)時(shí)間。

結論

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(hù)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(lái)完成更精密的同步功能。全球各地的PXI開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商更為用戶(hù)提供了數百種的量測測試儀器模塊，讓用戶(hù)可以以最方便、快速及經(jīng)濟的方式完成適合本身應用的PXI系統。本文清楚的說(shuō)明了PXI信號，并且以一簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明如何以PXI信號進(jìn)行儀器模塊之間的同步。希望能給予準備開(kāi)發(fā)PXI系統的用戶(hù)一個(gè)初步的了解。