PXI平台概览

PXI机箱是PXI系统的“骨架”，类似于台式机的机械外壳和主板。机箱可为系统提供电源、冷却和通信总线，并支持同一机箱内的多个仪器模块。PXI使用了基于PC的商用PCI和PCI Express总线技术，同时结合了坚固耐用的CompactPCI模块化封装以及重要的定时和同步功能。机箱具有不同的大小规格，可配备4到18个插槽，无论用户需要的是便携式、台式、机架式还是嵌入式系统，PXI机箱均可一一满足。

^{图3：NI PXI机箱具有不同的大小规格，可配备4到18个插槽。}

PCI和PCI Express通信

PCI总线在1990年代中期得到采用，并成为主流计算机总线。这是一种并行总线，理论最大共享带宽为132 MB/s。PCI Express于2003年推出，是PCI标准的改进版。这一新标准用共享交换机代替了用于PCI的共享总线。借助该共享交换机，每个设备都可以直接访问总线。

PCI可以为总线上的所有设备分配带宽，而PCI Express却能为每个设备提供自己的专用数据管道。数据通过成对的发送-接收信号（称为“lane”）以数据包的形式串行发送。通过这种方式，理论上PCI Express 1.0在每个lane的每个方向上的带宽都能达到250 MB/s。自推出以来，PCI Express标准一直在不断发展，为的是在保持向后兼容性的同时，提供更快的数据传输速率。PCI Express 2.0将每个lane的理论带宽增加一倍，达到每个方向500 MB/s，而PCI Express 3.0在2.0的基础上再增加一倍，使每个通道的每个方向达到1 GB/s。多个通道还可以分组成×2（2个一组）、×4、×8、×12和×16通道宽度，以进一步提高带宽容量。

^{图4：PCI Express提供数据吞吐量高、通信延迟低的总线，非常适合测试和测量应用。}

与之对应，PXI Express标准从PXI标准演变为包含PCI Express总线。由于带宽增加，PXI Express可以满足更多应用需求，例如数字化仪数据的高速硬盘读写、高速数字协议分析以及用于结构和声音测试的高通道数DAQ系统。

由于PXI Express背板集成了PCI Express，同时仍保持与PXI模块的兼容性，因此用户不但能受益于增加的带宽，还能保持与旧版PXI系统的向后兼容性。PXI Express可以使用PXI Express混合插槽为PCI和PCI Express传输信号。通过使用PCI Express电线将系统插槽控制器连接到背板的混合插槽，PXI Express能够提供从控制器到背板插槽的高带宽路径。使用PCI Express至PCI的桥接器，PXI Express可向所有PXI和PXI Express插槽提供PCI信令，以确保兼容背板上的混合兼容型PXI模块。通过这种方式，PXI Express混合插槽可提供台式机卡缘连接器所不具备的向后兼容性，因为在卡缘连接器中，一个插槽无法同时支持PCI和PCI Express信令。

定时和同步

PXI系统的主要优势之一就是集成了定时和同步。PXI机箱包含专用的10 MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星形触发总线和槽对槽本地总线，能够满足高级定时和同步的需求。这些定时信号是除通信架构以外的专用信号。机箱中的10 MHz时钟可以导出，也可以用稳定性更高的参考时钟代替。这样，多个机箱和其他可以接受10 MHz参考时钟的仪器之间就可以共享10 MHz参考时钟。通过共享10 MHz参考时钟，采样率较高的时钟可以将锁相环路(PLL)锁定到稳定的参考时钟，从而提高多个PXI仪器的采样同步。除参考时钟外，PXI还提供了由8条晶体管-晶体管逻辑(TTL)线组成的触发总线。这样，系统中的任何模块产生的触发信号都可以由其他模块共享。最后，本地总线提供了一种在相邻模块间建立专用通信的方法。 

除PXI的功能以外，PXI Express还提供100 MHz的差分系统时钟、差分信号和差分星形触发。通过使用差分时钟和同步，PXI Express系统可以受益于更出色的仪器时钟抗干扰能力和以更高频率进行传输的能力。除了这些更高级的定时和同步功能，PXI Express机箱还可提供所有标准PXI定时和同步信令。

^{图5：PXI和PXI Express机箱的定时和同步功能可提供领先的仪器和I/O模块集成。}

除了基于信号的PXI和PXI Express同步方法，这些系统还可以使用基于绝对时间的同步方法。包括GPS、IEEE 1588或IRIG在内的多种来源都可以通过使用附加定时模块来提供绝对时间。这些协议以数据包形式传输时间信息，因此系统能够关联其时间。PXI系统已经可以在没有共享物理时钟或触发器的情况下，实现远距离部署。在这种情况下，这些系统是依靠GPS等时钟源来同步测量结果。

电源和冷却

PXI机箱内的I/O和仪器模块的电量需求各不相同。NI PXI Express机箱为每个外设插槽提供至少38.25 W的电源和冷却能力；某些机箱甚至具有更高的插槽冷却能力，单个插槽的冷却能力甚至可达58 W或82 W。对于需要连续数据采集或高速测试的应用，电源和冷却能力的提高为使用高性能模块（例如数字化仪、高速数字I/O和射频模块）的功能创造了条件。机箱的总功率各不相同，因此在配置新系统时最好是执行系统级功率预算。

^{图6：PXIe-1085 24 GB/s机箱包含了可现场更换的高性能风扇。}

根据PXI硬件规范的定义，所有PXI机箱的最左侧插槽中均包含一个系统控制器插槽（插槽1）。控制器选项中包括各种远程控制模块，这些模块可通过台式机、工作站、服务器或笔记本电脑以及安装了Microsoft操作系统(Windows 7/10)或实时操作系统(LabVIEW Real-Time)的高性能嵌入式控制器进行PXI系统控制。

PXI嵌入式控制器

使用PXI嵌入式控制器后便无需再使用外部PC，它可以为您的PXI或PXI Express测量系统提供结构紧凑的高性能机箱内嵌入式计算机解决方案。这些嵌入式控制器具有更高的温度承受能力、抗冲击性能和抗振动规格，并且功能广泛，包括最新的集成CPU、硬盘驱动器、内存、以太网、视频、串口、USB和其他外设设备。由于在控制器的前面板上提供了这些外设，您无需再购买单独的PXI或PXI Express板卡，就可获得同样的功能，从而最大程度降低了系统总成本。控制器预先配置了LabVIEW Real-Time或Microsoft Windows，并预装了所有设备驱动程序。NI的嵌入式控制器还具有可管理的生命周期，并提供供应商支持，以确保测试系统的寿命以及与PXI生态系统的兼容性。

PXI嵌入式控制器通常将标准PC组件封装在小型PXI机箱中。NI R&D进行的性能基准测试还可确保开发出来的控制器已针对测试和测量应用进行了优化，从而为提高代码和算法运行速度提供了保障。例如，PXIe-8880配备了2.3 GHz八核Intel Xeon E5-2618L v3处理器（单核Turbo Boost模式下最大3.4 GHz）、高达24 GB的DDR4 RAM、固态驱动器，2个千兆以太网端口、SMB触发器以及标准PC外设，例如2个USB 3.0端口、4个USB 2.0端口、DisplayPort和GPIB。

在NI发布全新PXI嵌入式控制器时，戴尔(Dell)或惠普(HP)等主要计算机制造商也不过刚刚发布具有同样高性能嵌入式移动处理器的计算机。同时，NI在PXI嵌入式控制器开发领域已有超过15年的经验，与英特尔(Intel)和Advanced Micro Devices (AMD)等主要处理器制造商之间建立了密切的合作关系。例如，NI是Intel Embedded Alliance的准成员，可以获取最新的Intel产品路线图和样品。

^{图7：PXIe-8880嵌入式控制器采用八核Intel Xeon E5处理器，非常适合高性能、高吞吐量和计算密集型测试与测量应用。}

除了计算性能，I/O带宽在仪器系统的设计中也发挥关键作用。随着现代测试及测量系统变得越来越复杂，需要在仪器与系统控制器之间交换的数据量变得越来越大。 随着PCI Express及PXI Express的推出，NI嵌入式控制器已能够满足上述要求，现在可向PXI Express机箱背板提供高达24 GB/s的系统带宽。

^{图8：在过去的20年中，NI不断为PXI平台提供最新、最强大的处理技术。}

机架式控制器

为了满足备用计算和控制选项需求，NI提供了外部1U机架式控制器。这些控制器采用的高性能多核处理器可进行密集计算，配备的多个可移动硬盘驱动器则可实现高数据存储容量和高速硬盘读写。这些控制器旨在用于与MXI-Express和MXI-4 远程控制器配合使用，以便与PXI或PXI Express机箱对接。在此配置中，PXI系统中的PXI/PXI Express设备作为机架式控制器中的本地PCI/PCI Express设备。

^{图9：配有MXI-Express或MXI-4远程控制器的机架式控制器可用于控制PXI或PXI Express机箱。}

通过PC控制PXI

PXI远程控制模块利用MXI-Express技术，可在主机（如台式机）与PXI机箱和仪器之间实现简单、透明的连接。在启动过程中，计算机将PXI系统中的所有外设模块识别为PCI板卡，这样就可以通过控制器与这些设备进一步交互。通过PC控制PXI时，需要用到计算机中的PCI/PCI Express板卡和PXI系统插槽1中的PXI/PXI Express模块，二者通过一根铜缆或光缆连接。铜缆可提供更高的数据吞吐能力，但长度通常较短（1到10米），而光缆则更长（高达100米），但是数据吞吐能力较低。大多数PC可直接兼容PXI远程控制解决方案。此外，借助NI的MXI-Express BIOS Compatibility软件，MXI-Express设备可以与更多PC兼容。

通过笔记本电脑控制PXI

借助NI提供的PXIe-8301远程控制模块，您还可以通过笔记本电脑来控制PXI Express系统。通过笔记本电脑控制PXI Express时，需要将机箱插槽1中的PXI Express模块通过Thunderbolt 3™电缆连接到笔记本电脑。

^{图10：远程控制模块支持使用台式机对一个或多个PXI机箱进行控制。}

^{图11：PXIe-8301远程控制模块非常适合超便携式应用。}

多机箱配置

多机箱配置支持使用一个主控制器管理2个或多个PXI机箱。作为一个统一的系统，多机箱具有多种优势，包括跨机箱同步、通过区分仪器类型来优化数据吞吐量，以及在独立机箱中的仪器之间进行点对点传输。

多机箱系统最常见的实现方法是采用菊花链拓扑。菊花链拓扑结构的组成方式为：由一个或多个从机箱（下游）通过串联方式连接至通过PC或PXI嵌入式控制器控制的主机箱（上游）。使用菊花链拓扑时，每个从机箱对于主机均可见，并且可由主机控制。

^{图12：PXIe-8364主机接口模块放置在包含嵌入式控制器的主机箱的外设插槽中。通过将PXIe-8364连接至从机箱系统控制器插槽中的PXIe-8360，从而以菊花链方式再连接一个机箱。通过使用附加模块，最多可以以菊花链方式连接8个机箱。}

虽然上述解决方案需要在外设插槽中添加一个用于进行菊花链连接的附加模块，但某些PXI远程控制模块可通过包含2个端口（一个用于上游连接，一个用于下游连接）实现内置菊花链功能。

^{图13：配有PCIe-8375的台式机通过PXIe-8375远程控制模块连接到主PXI Express机箱。PXIe-8375具有用于菊花链连接的附加端口，只需额外添加PXIe-8375即可。该系统中最后一个下游机箱将有一个端口闲置。}

某些主机接口卡包含2个下游端口，可实现星形拓扑。星形拓扑结构不是串联连接2个从机箱（即菊花链），而是并联连接2个从机箱，这样每个机箱就都可以直接与主机通信，而不需要通过中间机箱。

^{图14：PCIe-8362主机接口卡包含2个MXI-Express连接，因而可以采用星形拓扑，通过台式机控制2个PXI Express机箱。}

NI可提供超过600种不同的PXI模块。PXI是一个开放式行业标准，目前有70多家不同的仪器供应商提供了近1,500款相关产品。另外，由于PXI与CompactPCI直接兼容，因此您还可以在PXI系统中使用任意3U CompactPCI模块。

人们普遍有一种误解，体积轻小的PXI平台牺牲了性能为代价。

因此有必要指出，PXI平台的空间节省是通过系统模块化来实现的，并没有牺牲性能。每个传统台式仪器都需要独立的处理电路系统、显示器及物理接口。而对于基于PXI的仪器系统，这些功能由指定组件提供，而且这些组件可在多个仪器之间共享。PXI嵌入式控制器充当了PXI机箱中所有仪器的中央处理和控制枢纽， 还可通过连接至视频显示器、键盘和鼠标等外设来提供人机界面。

^{图15：NI可提供超过600种不同的PXI模块。}

嵌入式控制器上运行的软件与不同的PXI仪器交互，以定义测试系统的实际功能。由于上述标准功能均依托于功能强大的嵌入式控制器，因此PXI仪器只需具有实际的仪器电路，即可在保持较小尺寸的情况下提供原有的性能。

基于Windows的PXI或PXI Express系统的开发和操作与基于Windows的标准PC完全一样。 因此，在基于PC和基于PXI的系统之间切换时，不必重写现有的应用软件或学习新的编程技术。使用PXI时，您可以使用LabVIEW中的G语言（一种作为测试行业标准的直观图形化编程语言），也可以使用NI LabWindows™/CVI来进行C语言开发，从而减少开发时间并快速实现仪器自动化。您还可以使用其他编程语言，例如Visual Studio .NET、Visual Basic、Python和C/C++。另外，PXI控制器可以运行使用测试管理软件（例如TestStand）开发的应用程序。测试管理软件不仅包括测试执行程序，还包括功能完善的测试架构，供您灵活地对行为进行自定义，以满足特定需求，例如排序、分支/循环、报告生成和数据库集成。结合PXI模块化仪器，测试管理软件可以提供集成式解决方案来简化测试开发并减少维护，从而取得长期成功。

对于需要高确定性循环速率及无干预操作（不使用键盘、鼠标及显示器）且时间要求严格的应用，您可以使用实时软件架构替代基于Windows的系统。实时操作系统可帮助您对任务进行优先级排序，以确保处理器总是在执行最关键的任务，从而减少抖动。借助行业标准开发环境的实时软件（例如LabVIEW Real-Time和LabWindows/CVI Real-Time模块），可以简化实时系统的开发。在构建动态或硬件在环PXI测试系统时，工程师可以使用VeriStand等实时测试软件，进一步缩短开发时间。

^{图16：无论使用哪种编程语言，TestStand都能管理PXI系统的测试代码。}

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