PXI平台简介

PXI平台简介与高速量测模块同步之探讨泛华材料前言随着电子制造技术的日益发展，集成电路的功能变得越来越复杂，而体积却越来越小，因此对制造测试电子元件的厂商而言，如何以最快的时间建造出最具竞争力的测试平台，的确是一门不小的学问。

1960年代末期，Hewlett-Packard设计出了所谓的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作为独立仪器与计算机之间的沟通通道。

由于其高速的数据传输率（对当时而言），很快便广为大家所接受，因此后来IEEE便将此接口更名为GPIB(General Purpose Interface Bus)。

然而为了应付更为复杂的测试环境与挑战，GPIB便显得捉襟见肘。

1987年VXI协会成立，并制订了所谓instrument-on-a-card的标准，也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。

VXI以其模块化而且坚固的架构，的确为量测与自动化产业带来不少的好处。

近十年来，随着个人计算机的剧烈革命与普及，以PCI Bus为架构的仪器模块大为发展。

经过NI公司几年的大力倡导，1998年PXI System Alliance（PXISA）成立，让PXI （PCI eXtensions for Instrumentation）成为一个开放的标准架构。

PXI的平台不仅具有类似VXI的开放架构与坚固的机构外型，更由于其设计了一连串适合仪器开发所用的同步信号，而使得PXI更适合作为量测与测试自动化的平台。

本文主要目的是介绍在PXI平台下，如何利用PXI的优点，进行量测仪器模块之间精密而且快速的同步动作。

内容包含PXI的简介与说明、量测仪器模块常用的同步信号以及应用实例。

PXI简介测试系统制造商的工程师会问，什么是PXI？以PXI的仪器模块和PXI系统做开发平台会有什么好处？和CompactPCI或PCI有哪些不同？首先，我们想利用PXI平台作为量测仪器的平台，那么就得先知道PXI平台的架构与其优点，这样才能与仪器模块配合，发挥出最大的效益。

简单来说，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI为基础再加上一些PXI特有的信号组合而成的一个架构。

PXI继承了PCI的电气信号，使得PXI 拥有如PCI bus的极高传输数据的能力，因此能够有高达132Mbyte/s到528Mbyte/s的传输性能，在软件上是完全兼容的。

另一方面，PXI采用和CompactPCI一样的机械外型结构，因此也能同样享有高密度、坚固外壳及高性能连接器的特性。

PXI 与CompactPCI 相互关系如图一所示。

图一 PXI 与CompactPCI 的相互关系 一个PXI 系统由几项组件所组成，包含了一个机箱、一个PXI 背板（backplane ）、系统控制器（System controller module ）以及数个外设模块（Peripheral modules ）。

在此以一个高度为3U 的八槽PXI 系统为例，如图二所示。

系统控制器，也就是CPU 模块，位于机箱的左边第一槽，其左方预留了三个扩充槽位给系统控制器使用，以便插入因功能复杂而体积较大的系统卡。

由第二槽开始至第八槽称为外设槽，可以让用户依照本身的需求而插上不同的仪器模块。

其中第二槽又可称为星形触发控制器槽（Star Trigger Controller Slot ），其特殊的功能将于后面的文章中说明。

图二 典型3U 高度的PXI 系统架构。

背板上的P1接插件上有32-bit PCI 信号，P2接插件上则有64-bit PCI 信号以及PXI 特殊信号。

那么前面所说的PXI 特有的信号又是什么呢？PXI 的信号包含了以下几种，其完整的架构如图三所示。

图三 PXI 信号架构1. 10MHz 参考时钟(10MHz reference clock)PXI 规格定义了一个低歪斜(low skew)的10MHz 参考时钟。

此参考时钟位于背板上，并且分布至每一个外设槽（peripheral slot ），其特色是由时钟源（Clock source ）开始至每一槽的布线长度都是等长的，因此每一外设槽所接受的clock 都是同一相位的，这对多个仪图1 PXI 与CompactPCI 的相互关系图2典型3U 高度的PXI 系统架构图3 PXI 信号架构图4 PXI 10MHz 参考时钟架构器模块的同步来说是一个很方便的时钟来源。

基本的10MHz参考时钟架构如图四所示。

图四 PXI 10MHz参考时钟架构2. 局部总线（Local Bus）在每一个外设槽上，PXI定义了局部总线以及连接其相邻的左方及右方外设槽，左方或右方局部总线各有13条，这个总线除了可以传送数字信号外，也允许传送模拟信号。

比如说3号外设槽上有左方局部总线，可以与2号外设槽上的右方局部总线连接，而3号外设槽上的右方局部总线，则与4号外设槽上的左方总线连接。

而外设槽3号上的左方局部总线与右方局部总线在背板上是不互相连接的，除非插在3号外设槽的仪器模块将这两方信号连接起来。

局部总线架构如图五所示。

图五 PXI局部总线架构至于最左方外设槽(2号)的左方局部总线要连接到哪里呢？是连接到系统槽吗？不是，这一槽的左方局部总线另有用途，稍后会再说明。

3. 星形触发（Star Trigger）前面说到外设槽2号的左方局部总线在PXI的定义下，实被作为另一种特殊的信号，叫做星形触发。

这13条星形触发线被依序分别连接到另外的13个外设槽（如果背板支持到另外13个外设槽的话），且彼此的走线长度都是等长的。

也就是说，若在2号外设槽上同一时间在这13条星形触发在线送出触发信号，那么其它仪器模块都会在同一时间收到触发信号（因为每一条触发信号的延迟时间都相同）。

也因为这一项特殊的触发功能只有在外设槽2号上才有，因此定义了外设槽2号叫做星形触发控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。

请看图六的星形触发架构说明。

图六PXI Star Trigger架构4. 触发总线（Trigger Bus）触发总线共有8条线，在背板上从系统槽(Slot 1)连接到其余的外设槽，为所有插在PXI 背板上的仪器模块提供了一个共享的沟通管图5 PXI局部总线架构图6PXI Star Trigger架构道。

这个8-bit宽度的总线可以让多个仪器模块之间传送时钟信号、触发信号以及特订的传送协议。

PXI仪器模块的同步应用介绍谈完PXI的特殊专有信号后，我们可以了解PXI系统只是提供了一个方便简洁的环境供用户使用，如何去运用这些信号，则必须与仪器模块搭配，才能真正发挥PXI系统的优点。

综观目前各家仪器模块厂商所能提供的PXI仪器模块，已经达到数百种可以选择，而不同种类的仪器也有不同的连接架构与方法。

在此我们将以应用实例来说明如何利用PXI特有的信号，来达成同步的要求。

实例说明：某种检测设备用来探测待测物体的结构，这种设备具有八个传感器，用来感应待测物体所传回的信息，并且以模拟信号送出其结果，其信号频率在7.5MHz左右。

由于这八个信号互相有时间上的关系，因此当我们量测这八个传感器信号时必须要同一时间开始采集，并且采样时钟要同一相位，否则运算的结果会有误差。

另外此检测设备在传感器开始传送信号时，同时会有数字触发信号输出，其数字与模拟信号关系如图七所示。

图七检测设备的输出时序图面对前述的量测需求，我们必须选择一个合适的量测模块，才能达到系统的要求。

首先传感器所回传的信号频率为7.5MHz，因此根据奈氏采样定理，量测模块的采样频率必须在15MHz以上，且模块本身的输入频宽必须比图7检测设备的输出时序图7.5MHz高上许多，才不会造成输入信号的衰减。

综观以上条件，我们选择NI的PXI-5122作为采集模块。

PXI-5122为一高速的数据采集模块，本身具有两个采样通道，其采样率高达100MS/s，输入频宽高达100MHz。

采集范围从200mV pp到20V pp，板上缓存最高可达512MB。

另外PXI-5122本身配有锁相环电路(PLL)，可以对外界的参考时钟进行相位锁定。

PXI-5122也可通过PXI的Star Trigger，对其余外设槽传送高度精密的触发信号。

因此PXI-5122十分适合用在这一个应用里。

有了适合的量测模块之后，我们要开始规划如何进行量测。

首先，由于共有八个传感器需要进行量测，而一个PXI-5122只有两个采样通道，因此我们需要四片PXI-5122。

其次图8不同步的采样时钟图9 同步的采样时钟量测规格要求各通道采样的相位要相同，因此每一张量测模块的时钟必须进行同步。

由于每一片PXI-5122本身有板载采样时钟，因此其时钟无法保证都同相位。

我们利用PXI 背板所提供的10MHz 参考时钟作为PXI-5122的外界参考时钟输入，利用PXI-5122本身的锁相回路电路进行时钟的相位锁定。

图八是各片仪器模块的采样时钟不同步的情况。

图九则为经过PLL 锁相之后的时钟结果。

图八 不同步的采样时钟 图九 同步的采样时钟最后，由于检测设备在开始传送传感器的模拟数据时，会一并送出数字触发信号，我们将此触发信号当作每一片PXI-5122的触发条件。

不过如何让这一个触发信号能精确的同时到达每一张PXI-5122呢?我们将其中一张PXI-5122插入Star Trigger Controller 槽位，利用这一槽特有的Star trigger ，传送给其余的三张PXI-5122以达到最精确的触发时间。

结论利用PXI 仪器模块与PXI 平台作为量测与测试平台，不仅可以充分利用PCI 的高速传输特性，以及继承用户原本就已熟悉的软件平台，更可以利用PXI 所提供的触发信号来完成更精密的同步功能。

全球各地的PXI 开发厂商尤其是NI 公司作为PXI 的首倡者更为用户提供了数百种的量测测试仪器模块，让用户可以以最方便、快速及经济的方式完成适合本身应用的PXI 系统。

本文清楚的说明了PXI 信号，并且以一简单的例子说明如何以PXI 信号进行仪器模块之间的同步。

希望能给予准备开发PXI 系统的用户一个初步的了解。