新型PXI模块化仪器

作者：艾伦电气自动化技术有限公司 吴星华

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PXI是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。PXI(PCI extensions for instrumentation)充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构 — PCI。PXI规范是CompactPCI (PCI是一种坚固的模块化结构，结合了PCI电气规范与Eurocard封装，适合于工业计算机用)规范的扩展。CompactPCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。 因此，PXI产品具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合工业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件。PXI在CompactPCI的机械规范上强制增加了环境性能测试与主动冷却装置，以简化系统集成并确保不同厂商产品之间的互用性。此外，PXI还在高速PCI总线的基础上补充了测量与自动化系统专用的定时与触发特性。 基于PCI总线的PXI平台 PXI平台是基于PCI总线，即一种基于PCI坚固、模块化的结构，具有专为测试与测量应用设计的电气规范与时钟电路。PCI总线作为开放的工业标准，在测试与测量工程上具有不少优势。很多为传统计算机开发的设备都是基于PCI总线的。目前已经有数以千计的PCI设备，而PCI总线本身也采纳了诸多最新的计算技术，得以不断优化。这对PXI而言，意味着可以使用大量的设备元件，从而可以与最常用的操作系统与软件完全兼容，针对最高速的处理器和总线进行优化。 一个决定系统流量的关键因素是测量设备与计算机之间的接口总线。尽管系统性能由于处理器速度与系统内存的增加而大幅提升，却依然受到与仪器以及外部设备的通信因素限制。相比之下，PCI是为新型处理器设计的，数据传输速率比常见的仪器接口总线GPIB(通用接口总线)和VXI(一种工业标准的仪器总线，基于VME总线)高得多。 除了提高流量，PCI还能与所有的主流操作系统兼容。PXI利用这一点将GPIB和VXI也集成到PXI系统。有了这样的开放性，不同厂商开发的PXI设备都可在一个集成的系统上工作。为了维护这种不同厂商之间的互用性，PXI规范还制定了相应的对软件标准。最主要的要求之一就是PXI设备必须能在Windows操作系统下工作，并配套驱动软件。这项要求不但保证了厂商兼容性，还能够加快用户集成和应用开发的速度。 为了完全利用PCI的优势，PXl规范指明所有的PXI设备须和CompactPCI完全兼容。CompactPCI模块使用的封装和PXI相同，而且也是建立在PCI总线上的 ；PXl较之增加了更为严格的环境测试，软件标准和一些额外的触发特性。这项严格的兼容性规定意味着当用户的应用不需要所有的模块都具有PXI专有的特性时，从而可以有更多的模块选择 ；这还意味着工程师可以将他们已经在使用的CompactPCI模块集成到PXI系统里。 PXI的物理特性 PXI是一个模块化的平台。系统的物理主机是一个拥有2至31个槽位的机箱，有的机箱还带有内置的显示器和键盘。机箱的第一槽是控制器槽(见图1所示的1槽)。目前可以使用的控制器有很多，最常见的两种是嵌入式控制器和MXI-3 (在结构上，一种PCI到PCI的桥，用于以台式计算机远程控制PXI机箱) 总线桥。嵌入式控制器是专为PXI机箱空间设计的常规计算机。MXI-3则是一种通过台式计算机控制PXI机箱的扩展器。机箱中的其它槽位被称为外部设备槽，用于插置功能模块 (见图1所示的2-7槽)，就像计算机里的PCI槽一样。 PXI模块被上下两侧的导轨和“针一孔”式的接插端牢牢地固定住(图2所示)。事实上，PXI采纳了CompactPCI首先启用的高级“针一孔”式接插端结构。这些接插端已经被广泛采纳于各种高性能的应用，尤其是通信领域。 在尺寸上，3U的PXI机箱更加紧凑，这对于在很多狭小环境下的测试来说是一项重要的特性。各种规格的机箱包含不同数量的槽位。机箱的设计考虑了系统集成的需要，使之能够很方便地固定到机柜上。PXI机箱外形小巧，也已成为便携或野外应用的理想选择。除了内置的显示器和键盘，有的机箱还可以使用后备电池的直流电源供电。 PXI模块化、前插式的结构给维护和升级带来极大的便利。如果系统中的一个模块需要修理，工程师可以将其取出，而不影响其它任何模块。由模块化减少的停机时间降低了系统寿命内的维护成本。虽然有些工业计算机价钱比PXI低，但此二者并不属于同等级的产品。PXI的可靠性更高、更坚固、使用的总体成本更低。 集成化、可扩展的系统 通过使用如MXI-2 (一种PCI系统与VXI系统间的总线扩展器)和MXI-3这样的远程控制接口技术，PXI系统能够轻易地与已有的测试与测量系统相集成。利用这些接口，工程师既可以享有PXI结构的优点，同时又避免了更换整个系统带来的高额支出。 一个PXI系统通过MXI-2连接VXI机箱，就像在VXl背板上直接插入了一个VXI嵌入式控制器一样。工程师可以由PXI控制器设置所有的系统设备并与之通信，从而将一个已有的VXI系统合并到一个新的PXI系统中。工程师们可以根据需要逐步的将他们的VXI系统升级到PXI。 使用MXI-3，台式计算机上的CPU可以透明地设置和控制PXI／ComactPCI模块。在BIOS (基本输入/输出系统)和操作系统看来，PXI模块就像插在PC上的PCI板卡一样。MXI-3和PXI机箱组合是扩展系统I／O的一个极佳选择。一块PCI MXI-3板卡插在台式计算机上，并与插在PXI机箱控制器槽内的PXI MXI-3模块通过电缆相连，实现通信。 坚固性设计 PXI系统最适合用于生产测试或野外环境，因为它们正是为承受这样的环境而设计的。PXI机箱内的模块导轨就是坚固性的力证。上下两侧的导轨可以牢牢地固定PXI模块。这种安装方式减轻了背板上的承受力，也使模块免受撞击和振动。模块的面板可以用螺丝固定到机箱上，进一步防止松动。 在工业计算机中，板卡通常是以夹在接口部分两侧的插槽及卡沿和机箱的连接来固定的。仅仅两个接触点，其中之一还是背板，使板卡极有可能在恶劣的环境下抖动移位。 另外，PXI的接插端部分也比PCI的更宽，更长。PXI机箱通常在背板上只有很少的电路，这样当任何电路需要更换的时候，维护都非常简单。 关于升级 由于PXI系统的模块化，升级单个组件很容易。比方说，某用户希望升级到更快的处理器，则可以拆下控制器进行更换。因为所有的设备都支持标准软件，所以只要在新的控制器里装上软件和驱动程序，然后插回机箱内就可以了。这些变化对使用者来说几乎是透明的。 然而，对于工业计算机的配置，用户通常需要为了升级处理器而拆除计算机里所有的板卡，然后更换整个计算机或主板。这样的升级过程将耗费不少时间和代价，而且很复杂。 I／O扩展 PXI系统的设计具有很好的可扩展性。在每个33MHz总线区段上，PXI背板可以集成7个模块 (见图1)，而工业计算机只能有4个。 通过PCI-PCI桥，一个PXI机箱内可以容纳更多板卡。使用MXI-3接口，用户更可以轻易地扩展多个机箱。理论上，基于33MHz总线区段的PXI系统插槽上限是256个。 总线式触发线 在用到触发时，PXI的触发信号可以从背板上通过，用户不必像在计算机上那样将板卡用电缆连接起来。PXI背板上有8根专用的触发线，与包括系统控制器槽在内的每个槽相连。有了这些特性，用户可以实现更加复杂的模块触发，例如用一个模块触发另一个模块，或是异步触发等。异步触发允许以别处发生的事件触发一个模块。最后，通过很多新款的模块，可以将触发信号引入机箱，或从机箱引出。 槽间局部总线 PXI总线允许相邻槽位上的模块通过专用的连线相互通信，而不占用真正的总线。这些连线构成了PXI的局部总线(见图3)。局部总线是一种菊花链形式的互连总线，将每个外设槽与其左右两边相邻的外设槽连接。因此，每个槽的右侧局部总线与其右边邻槽的左侧局部总线相连，并以此规律延伸。局部总线的宽度为13线，可用于在模块间传递模拟信号或者提供高速的宽带通信途径，而不影响PCI的带宽。这一特性对于涉及模拟信号的数据采集卡和仪器类板卡非常有用。 局部总线信号的范围可以从高速TTL信号到高达42V的摸拟信号。这些连线非常精确，偏斜很小，可用于一些高端的操作。必须注意的是，这些线在PCI总线或工业计算机上都是没有的。 那么第二槽的左侧局部总线怎么办呢? 将这13条线引到系统控制器是没有意义的。为此，这些线被设计用于实现星形触发。 星形触发 PXI规范指明，背板的布线必须符合特定的要求，即由星形触发槽发出的触发信号通过星形触发线(见图3所示)传送到每个模块的时间相等，致使各个模块间的触发关系都非常精确。星形触发是一种高精度的触发信号，可以触发一个机箱内的所有模块。尽管也可以用普通的PXI触发总线同步这些模块，但星形触发提供的性能更佳。值得一提的是，星形触发的信号偏斜小于1ns(纳秒)，而从星形触发槽到外设槽之间的时延也不超过5ns。要使用星形触发，必须在第2槽中放入一个能够产生星形触发信号的模块(见图1所示)。第2槽是专门放置星形触发控制器的(尽管在不需要星形触发的应用中，置于槽的任何准模块都能正常工作)，被触发的模块也要设计为能够接收星形触发信号。从机箱内任何槽位发出的触发信号通过标准的PXI触发总线也能实现同样的功能，但是时间精度就低一些。 在软件方面与工控机的比较 软件要求是PXI规范的另一个特性。所有的PXI硬件必须至少支持Windows95，Windows98、WindowNT或Windows2000四个操作系统中的一个。规范还指出，考虑到有一些其它的操作系统能够提供和当前体系同样程度的软件支持面，正被广泛接受，它们也有可能被加入到PXI体系中。 控制器和设备必须符合VXIplug(插)&play(拔) 标准，并与VISA软件兼容。另外，随模块必须提供驱动软件，这样模块间就能够进行标准通信，也可以缩短工程师的开发时间。需要说明，VISA是VXIplug$play系统联盟的官方软件语言，提供LabVIEW(图形化编程软件)、LabWindows/CVI、Measurement Studio、C、C++和Visual Basic等各个编程环境和编程语言之间的接口。 PXI系统附带的.ini文件简化了系统设置。虽然这些文件的潜在作用还没有完全实现，但它们确实已经提供了诸如在设置软件中识别槽位等附加功能。 工业计算机没有这样的软件规范，虽然不少PCI设备也能在Windows环境下工作，它们却不一定能和VISA兼容，也不一定附有驱动软件。这样用户就可能为代码兼容性问题头痛不已，还不得不投入可观的时间和费用去开发他们自己的驱动程序。 应用实例方案 在此，对用PXI模块设计的多通道瞬态信号测试系统方案做一个简介。 例如，多通道瞬态信号测试系统采用National Instruments公司的LabVIEW6；LabVIEW signal processing Toolset(信号处理处理函数)和NI公司的 NI PXI-100B(机箱) ；NI PXI-5112和NI PXI-6602模块产品和高速示波器和定时模块，对石油行业中电起爆炸/点火技术进行测试，开发一套火工器件的瞬态时间特性测试系统。 该系统基于LabVIEW高效软件开发环境和强大功能与LabVIEW signal processing Toolset丰富的信号处理函数，结合NI PXI-5112和NI PXI-6602硬件模块，成功有效地完成了电起爆炸/点火的瞬态信号进行测试。 ◆ 系统硬件架构及实现：系统主要由主控计算机、PXI采集系统和中间适配器三部分组成 (如图4)。主控计算机和PXI系统通过PXI-MXI-3连接。中间适配器主要用于现场试验仪器的启动控制以及提供12路引爆外触发数字信号。系统中12路点火/引爆信号由6块PXI-5112数字示波器模块采集完成。 PXI—5112具有两路8位垂直分辨率的模拟输入通道；最高实时采样率为100MS／s；具有CH0(通道0)、CH1 (通道1)、TRIG (触发器)三路硬件触发通道，每通道为16MB内存，触发方式包括数字触发和模拟触发；带宽为100MHZ。试验时系统需实时记录采集信号并进行事后处理以检测各通道的信号前沿、峰值时间等参数，因此要求12路起爆信号必须同步进行采样。系统设计中将PXI背板时钟总线和RTSI (实时系统综合) 同步触发总线结合，实现6块PXI—5112作时钟同步和触发同步，工作方式为主-从方式。同时，系统要求用触发外部仪器的同步触发脉冲，系统设计采用定时计数模块PXI-6602的8路定时计数器输出作为同步触发输出，保证整个系统仪器触发和采集触发的同步工作。 ◆ 系统同步触发、采集设计：测试系统的重点是实现外部仪器设备和PXI系统中采集模块及定时计数模块的同步触发和同步采集。PXI总线为每一个插槽提供误差小于1ns的10MHz参考时钟，示波器模块PXI—5112通过锁相环技术可以使100MHz的采样时钟与10MHz的参考时钟保持同步。软件设计时，将PXI背板总线上的10MHz参考时钟路由到RTSI总线上作为6块PXI-5112的工作时钟，保证时钟同步；并将Master(主) PXI-5211的星形触发通过RTSI总线，作为触发信号触发其余五块Slave(从) PXI-5211，保证采集同步定时计数模块PXI-6602具有8个32位定时计数器和32位5个TTl数字I/O，100KHZ、20MHZ、80MHZ三个内部时基，多种灵活的工作模式保证了高精度的计数和定时。 系统完成后，多次对火工器件进行起爆、点火对比试验。实验表明该测试系统稳定，测试精度高，符合要求。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/8/2004)