仪表总线技术及应用第6章 PXI总线技术

仪表总线技术及应用第6章PXI总线技术March7,2020第2页主要内容6.1PXI总线概述6.4PXI总线电气规范6.2PXI总线体系结构及其特点6.3PXI总线机械规范6.5PXI总线软件规范6.6PXI机箱与控制器6.7PXI仪器及测试系统组建6.8PXIExpress简介March7,2020第3页性能6.1.1PXI总线的提出早在20世纪80年代初，就有人直接用PC总线加上某些软件和必要的硬件，实现了传统仪器的功能，这种仪器称为PC仪器、个人仪器或PCPlug仪器。由于计算机软、硬件资源的极大丰富，数字信号处理技术、图形化界面技术和自动生成程序等技术的提高，使得操作者不但可以在显示器上像操作传统仪器一样操作虚拟面板，而且还可以简化操作、变换显示方式，直接由PC存储或打印输出测试结果；也可由PC存储或将数据传至网络，以供遥测或资源共享。这种主要利用PC技术、只需增加数采A/D及D/A变换等少许硬件和应用软件的仪器称为虚拟仪器（VirtualInstrument,VI）。6.1PXI总线概述March7,2020第4页自20世纪70年代，测试系统主要采用CAMAC总线、GPIB总线以及PC-DAQ总线。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，在国外以及国内的军工部门得到普遍应用。但第一次投资成本较大，若组建小规模测试系统，其价格偏高，性价比偏低。为适应仪器与自动化测试系统用户日益多样化的需求，NI公司基于目前性能最先进的计算机总线，即外设部件互连的PCI总线，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。PXI总线概述March7,2020第5页PXI与VXIPXIVXI总线特点同步异步体积小大速度快慢价格低高电源少多电磁兼容差好厂家支持多多March7,2020第6页PXI系统与VXI系统的比较PXI系统的外形与VXI系统有相似之处，一个PXI系统需要一个机箱，其背板上除PCI总线外，还补充了触发总线、参考时钟、本地总线和星形触发线。总线类型参考时钟触发线星形总线局部总线连接器标准VXI10MHzECL100MHzECL8TTL6ECL2(仅D尺寸)12线DIN41612PXI10MHzTTL8TTL113线IEC-1076表6.1VXI与PXI性能比较March7,2020第7页CompactPCIPCI总线欧洲卡封装更好的IEC连接器PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）PCI总线在仪器领域的扩展。1997年10月，美国NI(NationalInstruments)PXI源于CompactPCICompactPCI使用三种标准，小、牢固并且实现PC技术PXI概念March7,2020第8页价格性能台式机VXI针对主流用户的模块化仪器ControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperaturePXI总线的定位填补空白March7,2020第9页6.2.2PXI总线的特点PXI总线是PCI总线的增强与扩展，并与现有工业标准CompactPCI兼容；它在相同插件底板中提供多厂商产品的互换性和系统的集成性。作为一种开放的仪器结构，PXI提供了在VXI以外的另一种选择，满足了希望以较低的价格获得高性能模块仪器的顾客需求。一个标准的PXI机箱可插入8个模块（1个系统模块和7个仪器模块），而且可以通过NI公司的多系统扩展接口MXI-3/MXI-4，以星形或菊花链连接多个PXI机箱。为满足测控模块的需要，PXI总线通过J1连接器提供了33MHz的系统时钟，通过J2连接器提供了10MHz的TTL参考时钟信号、TTL触发总线和12引脚的局部总线。这样，同步、触发和时钟等功能的信号线均可直接从PXI总线上获得，而不需要繁多的连线及电缆。PXI也定义了一个星形触发系统，与VXI不同的是，它通过1槽传递精确的触发信号，用于模块间精确定时。March7,2020第10页PCIIndustrialComputerManufacturersGroup管理CompactPCI规范的核心致力于电信的基础结构在线产品目录包括了100种产品500多个公司成员第11页•该组织的宗旨是:-推广PXI-保证互用性-管理PXI规范•面向测试和自动化系统的终端用户•50余家公司成员第12页PXI总线系统结构PXI系统构成：主计算机、PXI机箱、PXI模块March7,2020第13页PXI控制方案•内嵌控制器–最紧凑的方案–模块化=易于维护–Pentium和PentiumIII级别•远程MXI-3控制器–短距离或者长距离–完全透明–低成本March7,2020第14页多系统扩展接口：MXI-3体系结构MXI-3SerialI/FMXI-3高速串行连接1.5Gbps第1级第2级PCI-to-PCI桥软件仍然是透明的!SerialI/FPCICompactPCIPCI1PCI0March7,2020第15页MXI-3结构PCItoPXI/CompactPCIPXI/CompactPCItoPXI/CompactPCI电缆:-铜线(最长10m)-光纤(最长200m)ControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperatureMarch7,2020第16页MXI-3优点•为PC和PXI/CompactPCI提供更多插槽•高性能的串行连接•易于集成—软件透明•支持短/长距离传输•低成本ControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperatureMarch7,2020第17页busCompactPCIPCIPXI采用的标准技术March7,2020第18页图6.2PXI总线规范体系结构March7,2020第19页6.2PXI总线体系结构及其特点6.2.1PXI总线体系结构PXI总线体系结构涵盖了三大方面的内容：机械规范、电气规范和软件规范。图6.2给出了PXI总线体系结构。在本章的后续几节中，将对规范的各个部分作详细介绍。SoftwareElectricalMechanicalPXI是CompactPCI在仪器领域的扩展。SSpecificationRevision1.0August20,1997SSpecificationRevision2.0July28,2000March7,2020第20页6.3PXI总线机械规范6.3.1PXI总线机械体系结构PXI系统的硬件架构由三个基本部分组成：机箱、系统控制器和外设模块。PXI机箱为系统提供了坚固的模块化封装结构。一个标准的PXI机箱有8个插槽，可用于安装系统控制器模块及外设模块等，如图6.3所示。机箱具有高性能PXI背板，它包括PCI总线及定时和触发总线。图6.3带有内嵌式系统控制器和7个外设模块的标准8槽式PXI机箱March7,2020第21页机械扩展•PXI使用以下技术提高了可靠性和互用性:–强制的主动散热–温度测试及额定–系统级的EMC、冲击、振动和湿度规定–定义了内嵌控制器的位置March7,2020第22页PC主板-〉控制器+底板123456781234带有4个PCI插槽的PC主板CompactPCI内嵌控制器CompactPCI8槽底板March7,2020第23页PCI与CompactPCI的外形尺寸PCIPXI/CompactPCIHalfSize3UFullSize6UPCI卡只需作很少或者完全不用作电路改动就可以设计成适合PXI/CompactPCI.March7,2020第24页PXI模块结构与连接器64位PCI和PXI特性32位PCI100×160mm64位PCI和PXI特性32位PCIPXI保留PXI保留233.85×160mm6U适配器面板3U的卡可以在6U系统中工作March7,2020第25页为什么选择欧洲卡标准?•历经数十年行业产品的检验(VME,VXI等)•由IEEE1101标准定义•已有现成的机械部件•优秀的热特性•模块化、坚固并且紧凑March7,2020第26页•引脚更多•坚固、可靠•完全屏蔽•阻抗匹配•最重要的:更多插槽！J1J2为什么使用不同的连接器?March7,2020第27页软件扩展•PXI加快了程序开发，因为:PXI控制器必须预装WindowsNT/Windows9x来支持标准的软件结构–外设模块必须提供WIN32器件驱动操作系统和应用程序无须改动即可在PXI系统运行配置工具将PXI模块识别为PCI设备PXI和PC的软件是一致的March7,2020第28页触发线10MHz时钟132Mb/s,33MHz,32-bit计算机总线星型触发本地总线PXI的时钟和触发提高了性能:系统控制器模块模块模块星型触发控制器PXI总线电气体系结构March7,2020第29页本地总线触发时钟星型总线VXI12线8TTL,2ECL10MHzECLD尺寸才有PXI13线8TTL10MHzTTL每槽1条PXI和VXI的时钟和触发扩展PXI具备VXI的特性March7,2020第30页PXI-6070ENI5102PXI-6533启动扫描RTSI示波器多功能I/O示波器数字I/O触发线使模块同步March7,2020第31页PXI体系结构总结PXI基于CompactPCI定义了完整的测量和自动化系统电气机械软件InstrumentationExtensionsCompactPCIPCI总线欧洲卡高性能连接器器件系统March7,2020第32页PXI总线构成在PXI系统中，各种命令、数据、地址和其它消息都是通过总线传递的。因为PXI是PCI在仪器领域的扩展，所以PXI实际上是在PCI原有的基础上扩展了一些适应仪器系统所需的总线而构成的。微机总线主要由四部分组成。(1)数据总线；(2)地址总线；(3)控制总线；(4)电源。March7,2020第33页6.4PXI总线电气规范PXI总线规范是在PCI规范的基础上发展而来的，具有PCI的性能和特点，包括32位/64位数据传输能力以及分别高达132MB/s（32位）和264MB/s（64位）的数据传输速度；另外，还支持3.3V系统电压、PCI-PCI桥路扩展和即插即用。PXI在保持PCI总线上述优点的前提下增加了专门的系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间的局部总线，以此来满足高精度的定时、同步与数据通信要求。所有这些总线都位于PXI总线背板，其中星形触发控制器的位置是在紧邻系统槽右侧的仪器模块槽，与其他6个仪器槽之间分别配置了一条唯一确定的触发线形成的，如图6.11所示。March7,2020第34页触发线10MHz时钟132Mb/s,33MHz,32-bit计算机总线星型触发本地总线系统控制器模块模块模块星型触发控制器PXI总线电气体系结构March7,2020第35页PXIJ1信号线110针March7,2020第36页PXIJ2信号线110针March7,2020第37页6.4.1PXI连接器引脚定义表6.2列出了PXI系统中使用的各种信号，并按定义该信号的原始规范对信号进行了分类。原始规范信号PXIPXI_BRSVPXI_CLK10PXI_CLK10_INPXI_LBL[0:12]PXI_LBR[0:12]PXI_STAR[0:12]PXI_TRIG[0:7]CompactPCIBD_SEL#BRSVCLK[0:6]DEG#ENUM#FAL#GA0-GA4GNT#[0:6]HEALTHY#INTPINTSIPMB_PWRI