【摘要】本文從NI公司推出的新型計(jì)算機(jī)外圍總線(xiàn)——PXI總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生背景開(kāi)始，介紹了PXI總線(xiàn)特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域上的應(yīng)用，對(duì)PXI總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】總線(xiàn)；PXI NI

1.總線(xiàn)的概念、歷史和發(fā)展

總線(xiàn)就是各種信號(hào)線(xiàn)的集合，是計(jì)算機(jī)各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路?？偩€(xiàn)的主要參數(shù)有：（1）總線(xiàn)的帶寬：指一定時(shí)間內(nèi)總線(xiàn)上可傳送的數(shù)據(jù)量，即每秒鐘傳送多少M(fèi)B的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。（2）總線(xiàn)的位寬：指總線(xiàn)能同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。（3）總線(xiàn)的工作時(shí)鐘頻率：以MHz為單位，工作頻率越高則總線(xiàn)工作速度越快，也即總線(xiàn)帶寬越寬。

1.1 ISA，IIC，CAN總線(xiàn)

IBM公司于1981年推出的基于8位機(jī)PC/XT的總線(xiàn)，稱(chēng)為PC總線(xiàn)。ISA總線(xiàn)的主要性能指標(biāo)：（1）24位地址線(xiàn)可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB；（2）8/16位數(shù)據(jù)線(xiàn)；（3）最大位寬16 位（bit）；（4）最高時(shí)鐘頻率8MHz；（5）最大穩(wěn)態(tài)傳輸率16MB/s[1]。

IIC總線(xiàn)產(chǎn)生于在80年代初。早期的IIC總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率最高為100Kbits/s，采用7位尋址。但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率和應(yīng)用功能的迅速增加，IIC總線(xiàn)也增強(qiáng)為快速模式（400Kbits/s）和10位尋址以滿(mǎn)足更高速度和更大尋址空間的需求。最近還增加了高速模式，其速度可達(dá)3.4Mbits/s[2]。

CAN，即控制器局域網(wǎng)，產(chǎn)生于1986年。CAN的主要特性：（1）長(zhǎng)達(dá)10Km的數(shù)據(jù)傳輸距離；（2）高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；（3）可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；（4）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制[2]。

1.2 PCI，CompactPCI總線(xiàn)

1991年Intel公司首先提出了PCI的概念：外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)。目前常用的是32位PCI。PCI總線(xiàn)的主要性能：（1）總線(xiàn)時(shí)鐘頻率33.3MHz/66MHz；（2）最大數(shù)據(jù)傳輸速率133MB/s；（3）時(shí)鐘同步方式；（4） 總線(xiàn)寬度 32 位（5V）/64 位（3.3V）；（5） 能自動(dòng)識(shí)別外設(shè)[3]。

1994年P(guān)ICMG提出了CompactPCI技術(shù)，CompactPCI技術(shù)是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)之上經(jīng)過(guò)改造而成，具體有三個(gè)方面：（1）繼續(xù)采用PCI局部總線(xiàn)技術(shù)；（2）拋棄PCI傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，改用高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件、提高了抗振動(dòng)沖擊能力、符合電磁兼容性要求；（3）拋棄IPC的金手指式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，進(jìn)一步提高了可靠性，并增加了負(fù)載能力[4]。

1.3 PXI總線(xiàn)

1997年9月1日，NI發(fā)布了一種全新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線(xiàn)規(guī)范——PXI。 直觀地說(shuō)，CompactPCI+Extensions for Instrumenta tion=PXI。它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)[5-7]。

2.PXI總線(xiàn)的特點(diǎn)

PXI應(yīng)用了與CompactPCI相同的、一直被用在像遠(yuǎn)距離通訊等高性能領(lǐng)域的高級(jí)針-座連接器系統(tǒng)。這種由IEC-1076標(biāo)準(zhǔn)定義的高密度（2mm間距）阻抗匹配連接器可以在各種條件下提供盡可能好的電氣性能。PXI儀器模塊的兩種主要結(jié)構(gòu)尺寸及其接口連接器中，J1 連接器上定義了標(biāo)準(zhǔn)的32-bit PCI總線(xiàn)，所有的PXI總線(xiàn)性能定義在 J2 連接器上。PXI 機(jī)箱中的系統(tǒng)槽必須位于最左端，而且主控機(jī)只能向左擴(kuò)展以避免占用儀器模塊插槽。

除了將 CompactPCI 規(guī)范中的所有機(jī)械規(guī)范直接移植進(jìn)PXI規(guī)范之外，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，PXI還增加了一些 CompactPCI 所沒(méi)有的要求。

（1）10MHz專(zhuān)用系統(tǒng)時(shí)鐘。PXI規(guī)范定義了將10MHz參考時(shí)鐘分布到系統(tǒng)中所有模塊的方法。該參考時(shí)鐘可被用作同一測(cè)量或控制系統(tǒng)中的多卡同步信號(hào)。由于PXI嚴(yán)格定義了背板總線(xiàn)上的參考時(shí)鐘，而且參考時(shí)鐘所具有的低時(shí)延性能使各個(gè)觸發(fā)總線(xiàn)信號(hào)的時(shí)鐘邊緣更適于滿(mǎn)足復(fù)雜的觸發(fā)協(xié)議。

（2）觸發(fā)總線(xiàn)。PXI只定義了8根TTL觸發(fā)線(xiàn)。使用觸發(fā)總線(xiàn)的方式可以是多種多樣的。通過(guò)一個(gè)PXI模塊可以控制同一系統(tǒng)中其它模塊上一系列動(dòng)作的時(shí)間順序。為了準(zhǔn)確地響應(yīng)正在被監(jiān)控的外部異步事件，可以將觸發(fā)從一個(gè)模塊傳給另一個(gè)模塊。

（3）星形觸發(fā)。如圖1所示，星形觸發(fā)總線(xiàn)是在緊鄰系統(tǒng)槽的第一個(gè)儀器模塊槽與其它六個(gè)儀器槽之間各配置了一根唯一確定的觸發(fā)線(xiàn)形成的。PXI系統(tǒng)的星形觸發(fā)體系具有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先保證系統(tǒng)中的每個(gè)模塊有一根唯一確定的觸發(fā)線(xiàn)；其次每個(gè)模塊槽中的單個(gè)觸發(fā)點(diǎn)所具有的低時(shí)延連接性能，保證了系統(tǒng)中每個(gè)模塊間非常精確的觸發(fā)關(guān)系。

（4）槽間局部總線(xiàn)。PXI局部總線(xiàn)是每個(gè)儀器模塊插槽與左右鄰槽相連的鏈狀總線(xiàn)。該局部總線(xiàn)具有13線(xiàn)的數(shù)據(jù)寬度，可用于在模塊之間傳遞模擬信號(hào)，也可以進(jìn)行高速邊帶通訊而不影響PCI總線(xiàn)的帶寬。局部總線(xiàn)信號(hào)的分布范圍包括從高速TTL信號(hào)到高達(dá)42V的模擬信號(hào)。

（5）兼容PCI的性能。PXI總線(xiàn)與臺(tái)式PCI規(guī)范具有完全相同的PCI性能。其它的PCI性能：33MHz性能，32-bit和64-bit數(shù)據(jù)寬度，132MB/s（32-bit）和264MB/s（64-bit）的峰值數(shù)據(jù)吞吐率，通過(guò)PCI-PCI橋技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，即插即用功能[5-7]。

3.PXI驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

PXI總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)是PXI技術(shù)開(kāi)發(fā)中的必要環(huán)節(jié)，目前有多種開(kāi)發(fā)方式詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8-12]，其中DDK是Microsoft出品的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具包。該軟件包中包括了有關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫(kù)文件、調(diào)試工具和程序范例。選用DDK開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，需要對(duì)Windows內(nèi)核以及體系結(jié)構(gòu)有深刻的理解，還要參考大量的DDK開(kāi)發(fā)資料，開(kāi)發(fā)難度大。

WinDriver是一套設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)組件，它的目的就是方便Windows程序員快速開(kāi)發(fā)出PCI/ISA設(shè)備的Windows驅(qū)動(dòng)程序。利用WinDriver開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，不需要熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核，整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中的所有函數(shù)都是工作在用戶(hù)態(tài)下的。研究者們[8～12]將以上開(kāi)發(fā)工具應(yīng)用中PXI驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)取得了良好的效果。

4.PXI總線(xiàn)的應(yīng)用

近幾年，無(wú)論是在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域還是測(cè)試和測(cè)量自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性和技術(shù)的面向未來(lái)性認(rèn)識(shí)的不斷提高，PXI技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。與此同時(shí)，研究者們[8～12]利用PXI技術(shù)開(kāi)發(fā)各種領(lǐng)域的產(chǎn)品已經(jīng)逐漸被國(guó)內(nèi)市場(chǎng)接納和認(rèn)同，應(yīng)用氣氛十分活躍。

4.1 PXI在測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

在現(xiàn)代測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域中，無(wú)疑虛擬儀器是現(xiàn)在和將來(lái)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展的主要方向。區(qū)別于傳統(tǒng)臺(tái)式的、用電路實(shí)現(xiàn)的、功能固定的模擬儀器，虛擬儀器基于軟件技術(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)提供的強(qiáng)大圖形環(huán)境和功能擴(kuò)展能力，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量和分析以及測(cè)量結(jié)果顯示等功能。在測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域也處于低迷時(shí)期，PXI卻異軍突起，成為該領(lǐng)域繼GPIB（IEEE488）之后成長(zhǎng)最快的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。

從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，虛擬儀器走的是兩條技術(shù)路線(xiàn)：

（1）GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997），向高速、高精度、大型ATE（自動(dòng)測(cè)試設(shè)備）方向的發(fā)展；

（2）PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB/FireWare（1999），向高性能、低成本、普及型系統(tǒng)方向發(fā)展。

而基于PXI的技術(shù)特點(diǎn)，3U的PXI主要應(yīng)用方向?qū)⑹墙M成便攜或小型的測(cè)試、SCADA、監(jiān)視與控制以及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型ATE應(yīng)用發(fā)展。

清華大學(xué)利用基于PXI技術(shù)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室熱工水利學(xué)測(cè)控平臺(tái)，研制成功了先進(jìn)的熱工測(cè)量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，完成了海水淡化等重要課題研究。

天津大學(xué)采用PXI研制的原油管道泄露遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功應(yīng)用于勝利油田和華東輸油管理局的集輸管線(xiàn)和長(zhǎng)輸管線(xiàn)，取得了很好的效果。

北京航空航天大學(xué)應(yīng)用PXI技術(shù)成功完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)管道聲模態(tài)及非定常特性測(cè)量的數(shù)據(jù)采集和分析課題。中國(guó)科學(xué)院上海所采用PXI技術(shù)，研制成功的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的信號(hào)分析系統(tǒng)和整星測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。

鐵科院基于PXI技術(shù)研制成功的列車(chē)調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)得到應(yīng)用。

西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鑒國(guó)外先進(jìn)ATE技術(shù)基礎(chǔ)上，采用PXI研制成功了航空機(jī)載電子設(shè)備全自動(dòng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)通訊、導(dǎo)航、儀表和機(jī)載計(jì)算機(jī)的維修測(cè)試過(guò)程。

中國(guó)空間技術(shù)研究院采用PXI研制了一系列星載計(jì)算機(jī)及其測(cè)控系統(tǒng)的地面測(cè)試設(shè)備，完成新技術(shù)改造任務(wù)。

北京航空航天測(cè)控公司利用PXI總線(xiàn)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)武器綜合測(cè)試系統(tǒng)等綜合系統(tǒng)；

國(guó)防科技大學(xué)ATR重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室早已將PXI/CompactPCI總線(xiàn)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

在測(cè)試/測(cè)量領(lǐng)域，現(xiàn)在可用于PXI系統(tǒng)集成的模板已經(jīng)超過(guò)1000種，產(chǎn)品相當(dāng)豐富。產(chǎn)品的性能也得到了顯著的提升，如數(shù)據(jù)采樣速度已經(jīng)達(dá)到2GHz，測(cè)量精度提升到了7位數(shù)字，射頻測(cè)量帶寬也達(dá)到了3GHz。而且PXI的性能還在不斷地提高?？梢灶A(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，PXI可能超過(guò)甚至取代傳統(tǒng)盒式測(cè)量?jī)x器，占據(jù)中、低頻段的高精度測(cè)量設(shè)備市場(chǎng)的主要份額。

PXI和VXI將在既競(jìng)爭(zhēng)又互補(bǔ)中共存很長(zhǎng)一段時(shí)間，最終PXI將取代VXI，成為主流工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)。同時(shí)PXI將向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域擴(kuò)展，與CompactPCI形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同奠定未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。

4.2 PXI在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，PXI的系統(tǒng)已廣泛且成功地應(yīng)用于汽車(chē)測(cè)試、半導(dǎo)體測(cè)試、功能性測(cè)試、航空設(shè)備測(cè)試以及軍事應(yīng)用。開(kāi)放的軟硬件架構(gòu)，永遠(yuǎn)是各種解決方案的趨勢(shì)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，PXI應(yīng)用成績(jī)顯著：

唐山大學(xué)基于PXI技術(shù)研制的鍋爐供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，成功地應(yīng)用在唐山市熱力總公司供熱項(xiàng)目上，而且開(kāi)發(fā)周期短，系統(tǒng)運(yùn)行可靠；

陜西海泰電子研制的基于PXI的多通道瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)器件電起爆/點(diǎn)火瞬態(tài)響應(yīng)特性，解決了石油行業(yè)中火工品器件的參數(shù)測(cè)試問(wèn)題；

上海寶鋼則采用了PXI研制的軋機(jī)震動(dòng)紋自動(dòng)監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)，應(yīng)用于軋鋼廠(chǎng)冷軋平整機(jī)組，為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作、進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制以及設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)手段；

中國(guó)科學(xué)院上海所采用PXI技術(shù)，研制成功的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的信號(hào)分析系統(tǒng)和整星測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。

目前主要從事PXI/CompactPCI總線(xiàn)工控技術(shù)研究的單位還有北京康拓、華為、716所、707所和32所等。國(guó)內(nèi)在PXI總線(xiàn)集成方面做的比較好的單位有北京航空航天測(cè)控公司和國(guó)防科技大學(xué)。

到目前為止，PXI無(wú)論是生產(chǎn)廠(chǎng)家的數(shù)量、產(chǎn)品的種類(lèi)和數(shù)量，還是系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)量都得到了大幅度增長(zhǎng)，越來(lái)越多的項(xiàng)目轉(zhuǎn)向PXI解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：張艷（1983—），女，山東高唐人，山東省高唐縣第一中學(xué)二級(jí)教師，主要從事物理和通用技術(shù)方面的教學(xué)及研究。