9.2.-仪器专用总线PXI解析

1PXI总线与仪器系统集成PXI–PCIeXtensionsforInstrument(NI,1997)第十四讲22概述20世纪70年代，测试系统主要采用CAMAC仪器、GPIB仪器以及PC-DAQ仪器。GPIB的数据传输速率低；PC-DAQ直接利用了ISA总线或PCI总线，没有定义仪器与测试系统所需的总线，不能满足自动化测试的需要。20世纪80年代末国际上出现了先进的VXI总线技术。由于它具有精度高、速度快、可靠性高、通用性强等卓越的性能，在军事、航天、航空等领域得到普遍应用。但是VXI仪器系统体积大、成本高，限制了其在工业领域的推广应用。为适应仪器与自动化测试系统用户日益多样化的需求，NI公司基于当时性能最先进的计算机总线PCI，吸取VXI总线精华，简化VXI总线结构，提出了一种新的测试系统总线—PXI总线。33PXI概念PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)：PCI总线在仪器领域的扩展。1997年9月1日，美国NationalInstruments推出的一个全新的开放式、模块化仪器总线规范。1998年PXI联盟成立，旨在推进PXI和CompactPCI在测量和自动化领域的应用，进行PXI规范维护和版本控制，保证多厂商系统在机械、电气和软件方面的互操作性。PXI是将CompactPCI规范定义的PCI总线技术拓展为适于试验、测量与数据采集应用的机械、电气和软件规范，从而形成了一种以PC机为基础的高性能、低成本的模块化仪器系统。PXI是将通用PC的性价比优势与面向仪器领域扩展技术（提供高性能仪器所需的仪器资源）相融合的产物。44PXI系统规范55PXIStartswithCompactPCI•CompactPCI通过融合3个国际标准将PC技术移植到一个紧凑而坚固的机箱中•PCI总线标准（台式PC）•欧规卡封装（VME和VXI）•高性能IEC连接器（电信行业）=CompactPCI的优势：基于PC技术，并且其尺寸小而坚固。PCIbusEurocardpackagingBetterIECconnectorsCompactPCI66WhyusethePCIbus?广泛的工业支持具有即插即用特性丰富的软件产品32-bitdatatransfersat33MHz(132Mbytes/sec)PCI是事实上的工业标准defactostandard77PCI总线1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团。PCI-PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup（外围部件互连专业组），简称PCISIG。88PCI总线特点1）高性能PCI总线数据宽度为32位，可扩展到64位，时钟频率33/66MHz。数据传输率可达132MB/s(32Bits@33MHz)-528MB/s(64Bits@66MHz)。2）采用总线主控和同步操作PCI独特的同步操作功能可保证微处理器能够与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。提高PCI总线性能3）支持突发工作方式PCI总线支持突发工作方式，并且后面可跟无限个数据周期。这意味着可以从某一地址起读出或写入大量数据。线性猝发传输能够更有效地运用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。99PCI总线特点4）减少存取延迟对于支持PCI总线的设备，存取延时很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间。5）不受处理器限制，通用性好PCI独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。可随意增添外围设备以扩展电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降；独立于处理器的总线设计还可保证处理器技术的变化不会使任何个别系统的设计变得过时；可适用于各种机型，如：台式机、便携机和服务器等。1010PCI总线特点6）成本低PCI总线采用地址/数据总线分时复用方式，大大减少了引线数（120pinsfor32-bits,184pinsfor64-bits）。7）自动配置（即插即用，PlugandPlay）PCI总线具有即插即用功能，可以自动配置，使用方便。从而保证了用户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线。8）兼容性好，易于扩展PCI总线标准对协议、时序、负载、电气特性和机械特性等都作了严格的规定，这保证了它的可靠性和兼容性。PCI总线可与ISA、VESA等总线兼容。1111CompactPCI–为什么使用不同的连接器?使用高密度、屏蔽型、针孔式连接器高密度引脚坚固可靠集成的屏蔽匹配的阻抗特性最大的益处：更多的插槽（7个）！J1J21212CompactPCI–为什么使用欧规卡封装?其出色的性能已被数十年的工业应用所证明(VME,VXI,…)已被接受为IEEE1101标准已有大量实际可用的机械部件优良的散热特性模块化、坚固和紧凑1313PCMotherboardController+Backplane123456781234PCmotherboardwithfourPCIslotsCompactPCIembeddedcontrollerCompactPCI8-slotbackplane1414PCI和CompactPCI扩展卡尺寸PCIPXI/CompactPCIHalfsize3UFullsize6UUserscanredesignPCIboardstofitinPXI/CompactPCIwithlittleornoelectricalchanges1515PXI融合已有的标准技术busCompactPCIPCI1616开放的PXI系统规范SoftwareElectricalMechanicalThePXIsystemspecificationextendsCompactPCIforinstrumentation.SSpecificationRevision2.01717机械规范由CompactPCI规范引入的Eurocard坚固封装形式和高性能的IEC连接器被应用于PXI所定义的机械规范，使PXI系统更适于在工业环境下使用，而且更易于进行系统集成。IEC连接器机械规范Eurocard环境测试主动冷却1818机械规范与CompactPCI共享的PXI机械特性高性能IEC连接器这种由IEC-1076标准定义的高密度阻抗匹配连接器可以在各种条件下提供尽可能好的电气性能。Eurocard机械封装与模块尺寸PXI和CompactPCI两者都采用了ANSI310-C、IEC-297和IEEE1101.1等Eurocard规范。这些规范支持小尺寸（3U）和大尺寸（6U）。IEEE1101.10和IEEEE1101.11等新规范增加的电磁兼容性、用户可以定义的关键机械要素、以及其它的封装均被移植到PXI规范中。1919PXI模块3U:100mmx160mm–VXIbusAModule模块后部有2个连接器J1和J2(22x5=110Pins)6U:233.35mmx160mm–VXIbusBModule除了具有J1和J2连接器外，还提供实现PXI性能扩展的J3和J4连接器连接器J1:提供32位PCI局部总线定义的信号线J2:提供用于64位PCI传输和实现PXI电气特性的信号线2020PXI/CompactPCIFormFactorsAll3Ucardsworkin6Usystems64-bitPCIandPXIFeatures3UPXI/CPCIJ1J232-bitPCI6UPXI/CPCIJ5J4J3J2J164-bitPCIandPXIFeatures32-bitPCIPXIReservedPXIReservedPXIReserved6UAdapterPanel2121机械扩展PXI提高了系统的可靠性和互操作性，因为：强制的主动冷却要求给出每个模块温度的实测值和额定值定义了针对EMC、冲击、振动、湿度等的系统级环境要求定义了嵌入式控制器的位置2222机械规范机箱与系统槽PXI机箱中的系统槽必须位于最左端，而且主控机只能向左扩展以避免占用仪器模块插槽。控制器扩展槽没有连接器与背板相连，不能用于插接外围扩展模块。PXI徽标和兼容标志环境测试PXI规范推荐所有环境测试按照IEC60068规范描述的过程测量湿度、振动和冲击，并随产品一起提供给用户。冷却规范PXI规定模块所要求的强制冷却气流流向必须由模块底部向顶部流动。制造商应在模块的技术文档中写明在常规运行条件下模块的标称功率。2323机械规范机箱与模块的接地和EMIPXI机箱应留有能实现机箱地与大地直接相接的端子，推荐使用PICMG2.0R3.0规范中描述的连接器。其它规范为保证PXI系统和模块性能一致性和全球范围内的可用性，要求制造商按照IEC61326-1标准和IEC1010-1标准对产品完成EMC和电气安全测试等。PXI维护了与标准CompactPCI产品的互操作性。2424电气规范PXI电气规范描述了PXI系统中各种信号的特征及实现要求，规定了PXI连接器的引脚定义、电源规范和6U尺寸系统的实现规范等。由于PXI规范是以PCI总线规范为基础的，PXI总线保留了PCI总线的优越性能：33/66Hz时钟32位和64位数据传输132MB/s-528MB/s的峰值数据传输率可通过PCI-PCI桥实现系统扩展可升级为3.3V系统支持即插即用等2525电气规范P1/J1连接器信号PXIP1/J1连接器上的所有信号均应符合PICMG2.0规范的要求。P2/J2连接器信号在CompactPCI64位规范的基础上，将那些CompactPCI规范保留或没有定义的一些引脚进行重新定义。CompactPCI64位规范中定义的连接器信号本地总线参考时钟触发总线星形触发保留的信号线：PXI_BRSV(2)2626本地总线外围模块（2–8槽）：本地总线左右两侧各有13条信号线PXI_LBR[0:12]，PXI_LBL[0:12]最左侧外围模块插槽（2#槽）的左侧本地总线被用于星形触发总线系统控制器也不使用本地总线，而将这些引脚用于实现PCI仲裁和时钟功能用户可自行定义它们的功能：传输高速TTL信号模拟信号(+/-42V,200mADC)本地总线的配置或键控由机箱的初始化文件chassis.ini来定义，这种软件键控方法比VXI总线的硬件键控方法具有更大的灵活性。2727参考时钟PXI_CLK10由PXI背板为每个扩展插槽单独提供10MHzTTL参考时钟输入至每个外围插槽的参考时钟都由一个独立的、源阻抗与背板匹配的缓冲放大器进行驱动，参考时钟在不同插槽间引入的信号畸变应小于1ns。主要用途：测控系统中多个仪器模块之间的同步实现各种触发协议时的标准时钟（信号畸变1ns）2828触发总线PXI_TRIGPXI有8条总线型触发信号线：PXI_TRIG[0:7]PXI规范定了两种触发协议：PXI异步触发协议：单线广播触发方式PXI同步触发协议：以PXI_CLK10为参考时钟的触发方式。PXI_TRIG线由一个PXI模块驱动，另一个模块在PXI_CLK10的上升沿做出同步响应。2929星形触发PXI_STARPXI星形触发信号线提供更高性能的同步功能：PXI_STAR[0:12]星形触发控制器安装在第一个外围模块插槽（2#槽），使用插槽左侧的13条本地总线引脚，实现与各外围模块星形触发信号线PXI_STAR连接。PXI规范规定：一个PXI机箱只能有一个星形触发槽（2#槽）；星形触发线的特征阻抗为65Ω10%；不同插槽间星形触发信号的传输延迟不能大于1ns；星形触发槽至各外围扩展槽间星形触发信号的传输延迟不能大于5ns；适用于PXI触发总线的触发协议同样适用于