PXI和PCI Express技术及其在测试中的应用

Virtual instrumentation allows users to create a user-defined system by combining modular hardware, development software, and PC technologies. With this engineers can create automated test systems that fit their unique needs. 虚拟仪器技术使用户通过结合模块化硬件、开发软件和PC技术这三大要素，从而创建一个自定义的系统。使用这种方法，工程师能够创建适应他们独特需要的自动化测试系统，从而能够在更短的时间里完成更多的测试工作，这也在保证产品质量的同时，缩短产品推向市场的时间。 虚拟仪器技术概念的提出已经有25年，现在这一概念在自动化测试和测量领域已受到了广泛的采用。虚拟仪器技术使用户通过结合模块化硬件、开发软件和PC技术这三大要素，从而创建一个自定义的系统。与厂商定制的盒式仪器相比，软件定义的方法能够带来更高的灵活性，并且由于这种方法建立在PC技术的基础之上，因此在功能上的提高也相应地非常迅速。 使用这种方法，工程师能够创建适应他们独特需要的自动化测试系统，从而能够在更短的时间里完成更多的测试工作，这也在保证产品质量的同时，缩短产品推向市场的时间。虚拟仪器技术的模块化架构最大限度地确保了您现有的投资，因为您只需根据需求购买相应的模块，并且保证了对仪器功能进行扩展和升级时候的灵活性。 PXI技术概览 PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一个体现虚拟仪器技术概念的最佳范例。PXI是一个基于PC技术的模块化I/O的标准，为基于PC的架构添加了集成的定时和同步功能、工业级的坚固设计，以及更多的通道数。自1997年由NI公司提出以来，现在PXI已经成为一个受到全球超过70家厂商共同支持的标准。 模块化仪器和CPU之间数据传输的核心内部总线是带宽达到132MBps的PCI总线。另外，PXI标准设计中需要一个专用的定时和触发总线，以进行不同模块之间的同步。使用PXI架构，您将得益于PC技术的低成本、易用性以及灵活性。无论您是准备构建一个仪器平台、自动化测试系统、工业自动化系统或是数据采集系统，PXI的开放式工业标准特性都能有助于降低系统的总成本和开发时间，增强系统性能和带宽，使系统集成工作变得轻松简单。 PXI标准由PXI系统联盟(PXISA)进行管理，这是一个由世界各地超过70家公司共同签约的联盟，其宗旨是为了推动PXI标准的应用，保证标准的互操作性，并维护PXI的规范。随着PXI逐渐成为一个标准的平台，一些世界领先的测试系统供应商也将他们的测试解决方案转向PXI平台。70余家成员现在能够提供超过1,200种PXI外围模块，包括模拟和数字I/O、高速仪器、视觉系统、运动系统和各类的总线接口。除了齐全的功能之外，PXI也是一个具有高性能的平台，许多业内最高性能的仪器设备都是基于PXI平台的，包括高达24位分辨率的数字化仪(NI PXI-5922)、8GSps高速数字化仪(Acqiris DC282)、15位、1.25 GSps任意波形发生器(Agilent 6030A)、最精确的71/2位FlexDMM (NI PXI-4071)等(见图1) 。 图1：PXI平台的基带性能 现在，PXI已经在多个领域得到了广泛的应用，从消费电子、军事和航空，到医疗设备测试等，成为一系列测试测量应用的理想平台。无论是应用于设计验证，还是生产线测试的机架式应用，或是为车载数据记录开发便携式或嵌入式系统，PXI都有适合的解决方案。 基于PXI平台的最新应用实例 用户解决方案1：微软公司使用NI PXI模块化仪器为Xbox 360控制器开发生产测试系统。Xbox 360控制器功能测试系统需要强大的信号捕捉性能，以保证新控制器的信号完整性，并满足用户高质量的游戏体验。使用高性能的PXI平台和最新的NI模块化仪器，能够满足Xbox 360控制器更高的功能性测试需要。NI PXI-5124 12位200 MS/s数字化仪被用于USB通信接口分析，PXI-4472动态信号采集模块则用在振动反馈马达的测试当中。使用LabVIEW图形化开发环境，微软的工程师能够创建超过100种测试，实现以太网通信，并将数据存储接口与微软SQL Server数据库进行整合。(见图2) 图2：微软公司使用PXI和LabVIEW确保Xbox360用户获得非凡的游戏体验 通过利用PXI的众多功能、模块化特性，以及PXI以软件为中心的测量方法，微软公司快速地对测试系统的功能进行调整，满足了振动实验室和生产测试的需要。通过采用PC技术的优势，能够持续而便捷地对系统进行升级和维护，满足现在和未来的开发需要。 用户解决方案2：基于PXI的软件无线电平台用于频谱监测。再来看一个中国本地市场的实例，成都华日通讯公司(华日通讯)是一家大型的无线电定向系统开发商和生产商，他们需要一个用于频谱监测 、定向和信号识别的解决方案。这个系统需要提供给用户更优的性能以监测政府管制频段之内和之外的信号，同时还要利用信号识别和定向功能来查明非法传输或干扰的信号源。 利用NI PXI-5660 PXI矢量信号分析仪和LabVIEW环境所开发的软件，华日开发了HR-100—一个正在申请专利的宽带无线电接收机和监测系统。这个系统既可以用作无线电接收机，也可以用作一个RF矢量信号分析仪来检测现代的宽带数字通信信号以及传统的窄带模拟广播信号。此外，这个系统可以配置成一个单通道的接收机或一个多通道的定向系统。由于这个全新的系统使用开放的软件无线电平台，HR-100可以完成标准的和自定义的测量，而这在以前需要多个专用的、独立的仪器才能完成。并且，公司可以对这个开放的系统随时进行升级以满足未来无线标准的需要，这对于无线标准的迅速变化正是十分关键的。 PCI Express技术前瞻 PXI的模块化架构能够整合最先进的技术，以扩展测试系统的功能。由于具备高速的性能，并与PCI保持兼容性，PCI Express是测试和测量应用理想的总线选择。PCI Express不仅提供相当高的总线带宽，同时拥有非常低的传输延迟，这一点在LAN、USB和GPIB等其他设备上都是无法同时实现的。 以数字化仪为例，一个基于PCI Express的数字化仪能够提供与CPU模块(嵌入式或者MXI方式连接到PC)之间1GBps的直接通路，这大约相当于现在32位、33MHz PCI总线吞吐量的8倍。用实际的测量术语来说，不考虑总线限制或相邻模块共享的带宽，一个高分辨率16位IF数字化仪能不间断地以500MHz的带宽向CPU传送数据。 更高的带宽将使得更多的高速应用变为可能。在x1的模式下，PCI Express能够在一个基本通信通道的单个方向上提供250MBps的带宽，而在x16的模式下，带宽更可以高达4GBps，这比PCI的标准快了近24倍。另外，PCI Express还改进了对等的通讯方式，使得系统中的仪器之间可以快速方便地相互通讯。最后，PCI Express的设计理念中考虑到了兼容性的需要，借助优秀的层次架构，PCI Express确保了与PCI之间的软件兼容性和与未来标准的兼容。 PCI Express开创了新的应用领域 依靠高性能、模块化的硬件架构以及良好的兼容性，PCI Express已经有能力解决许多测试和测量应用中的新问题，而之前这些问题都只能依靠昂贵的专用设备。 以高速图像采集为例，以前用户必须在带宽有限的情况下依靠一些并不十分可靠的数据进行判断，或是使用一些非常昂贵的专用系统满足带宽的需要。而现在开发者拥有了PCI Express所提供的超高带宽，能够完成高速图像采集，同时进行更加完整和准确的实时数据显示，而不再需要承担昂贵的专用系统费用。例如，使用NI PCIe-1429图像采集卡，用户能够以高达680MBps的速度进行图像采集，而不像以往使用昂贵的板载内存却只能进行短时间的图像采集。 将PCI Express技术整合到PXI背板 NI在上世纪90年代初将PCI技术带入基于PC的测量和测试应用，现在NI正努力将PCI Express技术整合到PXI中。 通过在背板上利用PCI Express技术，PXI Express使得PXI带宽从132MBps增加到6GBps，提升幅度超过45倍，且与PXI模块保持软件和硬件上的兼容性。除了PXI现有的定时和同步功能，PXI Express还提供了附加的定时和同步功能，包括100MHz差分系统时钟、差分信号、以及差分星形触发(见图3)。 图3：PXI Express提供了定时和同步功能，实现了更高精度的测量 通过使用差分时钟和同步，PXI Express系统增加了对仪器时钟的抗噪声能力，并能传输更高频率的时钟信号。 PCI Express的软件兼容性使得PXI提供的标准软件框架同样适用于PXI Express。而为了保证硬件兼容性，新的PXI Express标准中定义了一种混合插槽，使得工程师能够在同一个插槽中安装PXI或是PXI Express架构的模块。有了这项技术，工程师和厂商能够利用硬件和软件上的兼容性，最大限度地保留了在PXI系统和产品上现有的投资。 总结 PXI作为测试和测量应用的一个标准平台，利用现成商业技术提升了测试系统的性能，同时降低了系统的成本。标准化的商业技术同样使得PXI系统以惊人的速度在测试和控制应用领域得到广泛的接受，众多PXISA的厂商也纷纷投资开发新产品共同推进PXI标准的发展，同时随着PXI新产品功能的日益丰富，各类新应用的前景也被逐渐看好。PCI Express技术是PXI未来发展的大方向，在保证向后兼容性的同时，必将使平台扩展到更多的应用领域中。