PXI模块仪器系统

    摘要　PXI模块仪器系统问世一年多以来受到人们极大的关注，1998年国内已拥有了PXI的第一批用户。本文就PXI的产生背景、系统构成、技术特性、实际应用、主要模块等方面做一概略的介绍。
　　关键词　PXI　CompactPCI　计算机　模块　仪器系统

　　信息时代的到来，极大地促进了科学和生产的发展，而现代科研生产对测试和测量提出了更高的要求，其测试工作量之大，内容之复杂，对测试速度、精度要求之高，已经使原有的测试方法、测试手段及测试设备不能满足这方面的要求。因此，信息产业的高速发展，促进和推动着自动测试技术及系统集成技术迅速发展。微电子技术和计算机技术的最新成果，更促进了测试技术和仪器与计算机的结合，为自动测试技术及系统集成技术的发展创造了极其重要的条件。

　　GPIB接口技术已有三十多年的历史；由于其价格低廉，技术相对简单，目前仍广泛应用于科研和生产领域。VXI总线技术推出十余年来，各厂商已开发出1300余种模块，但其价格高昂，应用受到一定程度的限制，主要应用在航空、航天等科研和生产领域。1997年10月，美国National Instruments公司（以下简称NI）率先推出了PXI模块仪器系统的技术规范，它一经出现，立刻受到各方面有识之士极大的关注，作为一个开放的工业标准，已有35个公司正式表示承认并成立了PXI系统联盟。在我国，1998年已拥有了PXI模块仪器系统的第一批用户。目前，由于PXI模块仪器系统其卓越的性能和极低的价格，使越来越多的从事自动测试测量的工程技术人员开始关注PXI的发展。本文将PXI模块仪器系统的性能、系统构成和应用做一简单介绍。

1　概述

　　通常我们要求自动测试系统具备测试速度快、坚固耐用、紧凑且集中于一模块化结构的特点，以使在软、硬件方面的投资发挥最大的效益。在进行系统集成设计时我们要把握这样一个原则，即尽量利用现有的标准化的廉价的软件工具以简化测试系统的开发，同时也寻求一种简单的方法将GPIB、VXI和串行仪器集成于同一系统之中。此外，我们还需要一个测试和数据管理系统以便能够测试产品的所有的特性，从而改进设计以提供更好的产品。PXI模块仪器系统可以满足上述的要求，而采用很多人已经熟悉的LabVIEW 和LabWindows/CVI等软件可以简化测试程序的开发，同时专为用户定制的测试执行软件和类似的测试和测量工具软件，如仪器驱动器、软面板，以及VISA（虚拟仪器软件结构）更使得测试管理简单化并加快了系统集成的速度。

　　PXI（PCI eXtension for Instrumentation）是将PCI总线扩展到仪器方面而推出的以PC机为基础的高性能低价位的模块仪器系统。PXI的核心是CompactPCI的结构与Microsoft Windows软件，也即是说，将高速PCI总线和CompactPCI模块结构的所有优越性能（如优良的机械性能，易于系统集成，以及比台式计算机更多的扩展槽等）集中于一身，加上人们在台式PC机上所熟悉使用的MicrosoftWindows软件 ，这就构成了PXI模块仪器系统。PXI保持了与CompactPCI完全的兼容性，这一切，都使得PXI用户能够把包括机械、电气和软件在内的所有PCI的优越性能和Microsoft Windows软件直接应用到测试、测量、数据采集和工业控制中去，而随着众多厂商加盟PXI系统联盟，使得用户在配置PXI系统时可以从日益增多的PXI模块以及众多厂商提供的数以百计的CompactPCI模块中来选择合适的产品。

　　总之，直接把当今成为主流的PCI计算机技术、Microsoft Windows 软件以及CompactPCI模块结构巧妙地结合在一起，在不牺牲测量指标以及不增加开发费用的情况下，推出的具备更高性能和性价比的PXI模块仪器系统，极大地满足了不同层次用户对测试、测量、数据采集和工业自动化的应用需求，PXI对于各种便携式、台式和标准架装测试系统都是适宜的。

2　PXI模块仪器系统的构成

　　与VXIbus系统类似，为节省空间，PXI模块系统将所有的仪器模块、固定件和PC机集中装入一个标准机箱内。目前有四种3U尺寸的高性能机箱可供选择：PXI-1000、PXI-1010、PXI-1020和PXI-1025，四者均为8槽机箱，它可为仪器模块提供经过过滤的和强制冷却的空气。PXI机箱在设计上有着严格的要求以满足系统在噪声、潮湿、震动或冲击环境中的可靠工作：PXI-1000具有一个可拆卸的电源模块和冷却模块；而PXI-1010包括四个附加的扩展槽以用于机箱内的信号调理模块，以上两种形式均适用于架装结构。PXI-1020为带有LCD的台式机箱，PXI-1025为带有LCD和键盘的便携式机箱。

　　四种PXI机箱均有内置的具有高性能的定时和同步装置，一个10MHz的系统参考时钟用以同步多个数据采集模块。用户可以给几个仪器模块排序，这些模块执行不同的测试程序步骤，而这些不同的测试程序是以八个总线触发线中的任何一个或者在PXI背板上的专用星形触发器触发的，内置的本地总线可以用于临近的周边槽之间的模拟或数字通信。

　　PXI控制器安装在机箱中最左边扩展槽中，它是一个高性能的模块化的奔腾计算机。其余7个扩展槽用来安装各仪器模块。

　　由于PXI模块仪器系统的坚固便携和规范化，用户可以将整个测试系统带到现场或需要进行测量的任何地方，也可以将PXI装在机架上使用。用户在PXI方面的投资效益是长期的，因为在必要时只需升级或更换个别的模块而无须更换整个系统即可满足新的测试要求。尤其值得一提的是，PXI还保护了用户在GPIB和VXI仪器方面的投资，用PXI-GPIB接口模块可以控制任何带有GPIB接口的仪器，而用MXI-2接口模块则可以控制任何VXI或VME系统，即是说，利用PXI用户可以组成与GPIB或VXI的混合系统，这极大地方便了用户，用户可以根据需要和实际可能去组建系统（如图1所示）。

图1

　　归纳起来，一个由PXI组成的自动测试系统可选择下述硬件和软件组成：

　　1.PXI机箱；2.GPIB、VXI、串口仪器控制器；3.模拟输入/输出模块；4.数字输入/输出模块;5.计数器/ 定时器；6.示波器、数字多用表和串行数据分析仪等仪器模块；7.多路开关模块；8.图像采集模块；9.信号调理模块；10.LabVIEW、LabWindows/CVI（C/C++），和/或Component/Work（Visual Basic）等系统软件；11.即插即用仪器驱动器；12.测试管理和执行软件

3　PXI模块仪器系统的应用

3.1　数据采集

　　通常由于数据采集系统无论在体积上还是在性能和功能上都十分庞大，因此需要有一个既灵活又可操作的解决方案，PXI以其模块化结构和标准化软件解决了这一困难要求。PXI系统使用在台式PC机系统中使用的统一软件，却提供了更为坚固的机械结构，以及足够的用于安装数据采集模块的扩展槽，尤其是PXI直接采用了标准计算机，用户在配置数据采集系统时无须增加费用即可直接获得当今计算机的全部优越性能。

　　在具体设计数据采集系统时，可选用NI公司提供的PXI数据采集模块。NI公司E系列多功能I/O产品在一个模块中集中了模拟、数字和计数/定时、输入/输出等功能，它所采用的成熟的测量技术保证用户进行精确测量而无需估算。用户可以利用模拟输入功能测量各种量程的AC/DC电压信号，利用内置的计数器/定时器可以测量脉宽和频率，以及进行瞬态分析，利用模拟输出功能可产生波形或设置直流断点进行过程控制，利用这些多功能I/O模块可以连接外部数字电路，或控制继电器。对于要求更高级性能的应用，如图表生成，可选用具有80Mbytes/s数据传输速率的高速32通道数字I/O模块，而对于高信号密度的应用，则可选用具有96通道的数字I/O模块或具有64通道的模拟I/O模块。

　　由于PXI具有Windows即插即用的能力，系统可以自动识别所安装的任何新的模块，用户可以很容易地和快速更换系统中的任何模块，包括嵌入式计算机模块。

　　此外，还有与PXI配套工作的全套信号调理选件。为确保精确和可靠的变换测量，经常需要在将信号送入数据采集模块之前进行信号调理。这些信号调理选件包括放大、隔离、多重滤波、桥式整流以及所有类型变换器的激励。

3.2　工业自动化系统

　　将PXI应用到工业自动化中去也是很理想的选择，因为PXI完全与CompactPCI兼容，因此可以从众多厂商生产的产品中选择合适的模块及相应的软件组建成体积小、坚固耐用的模块化系统，利用开放的工业标准则大大提高了系统的可靠性、性能和系统集成速度。NI公司也提供了用于PXI和CompactPCI的工业自动化产品，如用于和现场装置连接的CAN、DeviceNET、RS-232、RS-485和基金会现场总线等工业通信接口产品。

　　此外，将图像采集、动作控制和数据采集模块集成在同一机箱内可用于生产线大批量产品的制造、检验和测试。

3.3　机械观测和图像处理

　　计算机观测系统在高效率的大量重复生产的产品和元件测试中起着重要作用。一般要求观测系统必须能进行高速、精密和可靠的测量，同时具有较低的价格，对于给定的物体观测系统具有定位的能力，它必须能够测量各种参数，诸如尺寸、位置、方向、颜色、识别记号、边缘等等。配备有图像采集模块的PXI模块仪器平台构成的观测系统可满足上述要求，它不仅能够用于批量产品检验和测试，而且价格较低。

　　此外，利用PXI定时和触发的功能，用户可以很容易的把从模拟I/O或数字I/O插入式模块采集来的数据与图像数据关联起来，甚至可以用模拟或数字触发信号来触发图像采集，其应用领域包括薄膜检验、印制电路板检验、组件验证、条形码阅读、零件分类和计数等等。

4　PXI模块仪器系统的软件特点

　　将用户所熟悉的应用软件和操作系统直接应用到PXI中，是PXI模块仪器系统软件的一大特点。

　　如同其它总线体系一样，PXI也定义了硬件电气标准以使系统中不同厂商的产品可以在硬件接口级上一同工作，但是，与许多其它的技术规范不同的是，为了进一步简化集成的电气要求，PXI还规定了对软件的要求，这些要求包括标准操作系统框架的使用，如Windows NT/95，以及涉及周边装置适当的配置信息和软件驱动器等。实际上，PXI软件技术规范是源于现有的台式计算机软件技术并受其推动的。

　　PXI技术规范提交给PXI系统的软件框架包括Microsoft Windows NT和95，在任何一个框架中工作的控制器必须以当前现有的操作系统来工作且将来可以升级。由此而来，控制器可以使用工业标准应用编程界面如LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual Basic、Visual C/C++和Borland Turbo C++等。

　　PXI要求其所有的模块具有在适当框架中运行的装置驱动软件，但是没有软件标准的工业总线硬件供应商对其产品一般不提供驱动软件，常常是用户仅仅根据操作手册编写程序去控制装置，结果，用户在软件开发方面所消耗的费用是庞大的。PXI则要求制造商而不是用户承担这个开发软件的负担。

　　PXI还需要来自模块和机箱厂商所提供的I/O接口软件，其中有决定系统配置和系统能力的初始化文件。这个文件是由操作软件来使用以确保系统适当的配置。

　　最后，PXI采用虚拟仪器软件标准（VISA）用于配置VXI、GPIB、串口和PXI仪器的控制，VISA在仪器领域被广泛采用。

　　归纳起来，PXI用于自动测试，数据采集和工业控制的软件由四个主要部分组成：系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接口软件。以往这四部分需要用户自己去组织或开发，往往是很困难的，而今天，由于有了虚拟仪器软件标准（VISA），使得用户软件开发工作负担大为减轻。NI公司提供了所有这四部分软件，使用户的应用开发比以往更容易更快。

5　PXI主要模块介绍

目前NI公司可供用户选用的各种模块主要有：

　　1.系统控制器模块（嵌入式奔腾计算机）

　　PXI模块仪器系统的心脏是现行的3U尺寸的奔腾MMX嵌入式计算机，它有一个132Mbytes/s的PCI本地总线、一个512K L2缓存和可扩至256MB的内存，在控制器模块并装有超级VGA、硬盘、软驱以及所有标准计算机的I/O功能，并可作为一个单独单元插拔。控制器模块仅仅需要一个激活的PXI槽，并可内置GPIB和Ethernet接口。NI公司提供的PXI-8150系列控制器主要配置如下：

　　（1）、233MHz/333MHz奔腾MMX处理器；（2）、32/48/64/96/128/256MB的内存；（3）、带2MB显存的PCI-SVGA；（4）、1.44MB软驱；（5）、2.2GB或以上的硬盘；（6）、10Base-T Ethernet；（7）、GPIB接口；（8）、IEEE1284并口；（9）、多至2个RS-232串口；（10）、鼠标和键盘连接器；（11）、USB口；（12）、可选Windows NT 或Windows95操作系统；（13）、LabVIEW 或LabWindows/CVI选件；
　　2.仪器模块（略）；
　　3.仪器控制器和总线接口模块（略）；
　　4.数据采集模块（略）；
　　5.图像采集和动作控制模块（略）；
　　6.工业通信模块（略）。

6.结束语

　　PXI问世一年多来，由于其高性能、低价位、与CompactPCI的兼容性及上下的可扩展性（与GPIB和VXI），受到各方面测量工程师的青睐。PXI有极大的实用意义，因为它为仪器用户提供了一个开放的工业计算机平台，该平台完全吸取了主流PC机工业的最新技术成果。由于引入了PCI总线，PXI模块仪器系统可以从众多的适用的软件和硬件产品中直接获取好处，这就节省了大量开发费用。在PXI系统中运行的应用软件和操作系统早已为最终用户所熟悉，因为它们早已应用在普通台式PC机上。而随着越来越多的厂商加盟PXI系统联盟，，必将为用户提供更多的PXI模块，从而更大限度地发挥PXI的优势以满足用户的不同需求。