PXI 平台概述

PXI 機箱是 PXI 系統的骨幹，如同桌上型 PC 的機械式機殼與主機板。其可為系統提供電力、冷卻功能與通訊匯流排系統，並支援在同一機殼中採用多儀器模組。PXI 利用商用 PC-based PCI 與 PCI Express 匯流排技術，同時結合堅固耐用的 CompactPCI 模組化封裝，以及重要的時序與同步化功能。機箱提供的尺寸從 4 插槽到 18 插槽不等，能夠配合任何應用的需求，因此可將其做為可攜式、桌上型、機架固定式或嵌入式系統使用。

^{圖 3：NI PXI 機箱的尺寸從 4 插槽到 18 插槽不等。}

PCI 與 PCI Express 通訊

在 90 年代中期，PCI 匯流排成為主流電腦匯流排；在做為平行匯流排使用時，其共享頻寬的理想值可高達每秒 132 MB。在 2003 年推出的 PCI Express，則改善了 PCI 標準。這項新標準以共享切換器替換 PCI 使用的共享匯流排，每個裝置皆可透過該共享切換器直接存取匯流排。

不同於會將頻寬劃分給匯流排上所有裝置的 PCI，PCI Express 會為每個裝置提供專屬資料管道。資料會透過封包形式，經稱為「通道」的成對收發訊號依序傳送，就 PCI Express 1.0 來說，每個路徑在每個方向的頻寬理想值可達每秒 250 MB。推出 PCI Express 之後，標準仍持續演進，因此能提供更高資料傳輸率，同時保有向下相容性。PCI Express 2.0 將每個通道在每個方向的頻寬理想值提升了 1 倍，達到每秒 500 MB；而 PCI Express 3.0 則將每個通道在每個方向的頻寬理想值再提高 1 倍，進而高達每秒 1 GB。多通道也可分為 x2、x4、x8、x12 與 x16 路徑寬度，以進一步提升頻寬功能。

^{圖 4：PCI Express 的資料傳輸率高、通訊潛時匯流排低，適用於測試與量測用途。}

同樣地，PXI Express 標準為從 PXI 標準演進而來，用以整合 PCI Express 匯流排。更大的頻寬讓 PXI Express 能滿足更多應用需求，例如對磁碟的高速示波器資料串流、高速數位協定分析，以及適用於結構與聲音測試的高通道數 DAQ 系統等。

由於 PXI Express 背板在整合 PCI Express 時，仍保有對 PXI 模組的相容性，因此使用者不但能享有更大頻寬，也能保有對舊款 PXI 系統的向下相容性。PXI Express 指定透過 PXI Express 混合式插槽，為 PCI 與 PCI Express 傳送訊號。透過 PCI Express 電線，PXI Express 將系統插槽控制器連接至背板的混合式插槽，因此 PXI Express 能為從控制器到背板插槽的連結，提供高頻寬路徑。利用 PCI Express 對 PCI 的橋接，PXI Express 能向所有 PXI 與 PXI Express 插槽發出 PCI 訊號，以確保相容於背板的混合式相容 PXI 模組。如此一來，這些 PXI Express 混合式插槽即可提供向下相容性，這是桌上型 PC 邊卡接頭無法提供的功能；因為桌上型 PC 邊卡接頭的單一插槽，無法同時支援 PCI 與 PCI Express 訊號傳輸。

時序與同步化

PXI 系統具有的其中一項主要優勢，是整合式時序與同步化。PXI 機箱整合了專屬的 10 MHz 系統參考時脈、PXI 觸發匯流排、星形觸發匯流排、插槽對插槽本機匯流排，可滿足對進階時序與同步化的需求。除了通訊架構之外，這些時序訊號也是專屬訊號。機箱內的 10 MHz 時脈可以匯出，也可替換為更穩定的參考時脈。這樣一來，多個機箱與其他能接受 10 MHz 參考時脈的儀器，就能共用 10 MHz 參考時脈。若共用 10 MHz 參考時脈，取樣率較高的時脈可以相位鎖定迴路 (PLL) 連結至穩定參考時脈，改善多個 PXI 儀器的樣本調正。除了參考時脈外，PXI 提供 8 個電晶體-電晶體邏輯 (TTL) 通道做為觸發匯流排。這麼一來，系統內的任何模組皆可設定觸發，且從其他任何模組都能予以查看。最後，本機匯流排可做為一種管道，用來在鄰近模組之間建立專屬通訊。 

PXI Express 以 PXI 功能為發展基礎，也提供 100 MHz 的差動系統時脈、差動訊號與差動星形觸發。運用差動時脈與同步化，儀器時脈的雜訊抑制效果得以提升，同時也能以更高頻率的傳輸率進行傳輸，讓 PXI Express 系統得以提供這些優勢。除了所有標準的 PXI 時序與同步化訊號產生功能之外，PXI Express 機箱也提供較進階的時序與同步化功能。

^{圖 5：PXI 與 PXI Express 機箱的時序與同步化功能，可提供同級最佳的儀器與 I/O 模組整合。}

除了訊號架構的 PXI 與 PXI Express 同步化方法之外，系統也可運用採取絕對時序的同步化方法。GPS、IEEE 1588 或 IRIG 等多種來源，都可利用額外的時序模組提供絕對時序功能。這些協定可傳輸時序資訊封包，以便讓多個系統能建立時序關聯。在進行 PXI 系統的長距離部署時，向來無需共用實體時脈或觸發。PXI 系統反而會依賴如 GPS 等來源，以將量測作業同步化。

供電與冷卻功能

安裝至 PXI 機箱內的 I/O 與儀器模組，所需電力各不相同。NI PXI Express 機箱對每個週邊插槽皆提供至少 38.25 W 的電力與冷卻功率；部分機箱甚至提供更強大的插槽冷卻功能，可對單一插槽提供 58 W 或 82 W 的冷卻功率。這種額外的電力與冷卻功能，讓需要進行持續擷取或高速測試的應用，可提供如同示波器、高速數位 I/O 與 RF 模組等高效能模組的進階功能。機箱的總功率各有不同，因此在設定新系統時，必不可少的最佳實務，就是計算系統層級的電力成本。

^{圖 6：PXIe-1085 24 GB 機箱，含可於現場替換的高效能風扇。}

根據 PXI 硬體規格的定義，所有 PXI 機箱都包含 1 個系統控制器插槽，也就是位於機箱最左邊的插槽 (Slot 1)。控制器選項包含遠端控制器模組，可從桌上型電腦、工作站、伺服器或筆記型電腦控制 PXI 系統，還有配備 Microsoft 作業系統 (Windows 7/10) 或即時作業系統 (LabVIEW Real-Time) 的高效能嵌入式控制器。

PXI 嵌入式控制器

PXI 嵌入式控制器不需要外接 PC，還能為 PXI 或 PXI Express 量測系統提供高效能卻精巧的機箱內嵌入式電腦解決方案。這些嵌入式控制器具有擴充溫度、衝擊與振動規格，並隨附豐富的功能清單，例如最新的整合式 CPU、硬碟、記憶體、乙太網路、視訊、序列、USB，以及其他週邊設備。透過在控制器的人機介面提供這些週邊設備，就無需為獲得類似功能而採購個別 PXI 或 PXI Express 卡，因此能將系統整體成本降至最低。這款控制器已經預先安裝了 LabVIEW Real-Time 或 Microsoft Windows，以及所有裝置驅動程式。NI 的嵌入式控制器亦具有受管理的生命週期，並提供廠商支援，以確保測試系統的使用壽命無虞，同時相容於 PXI 生態系統。

在小型 PXI 封裝中，PXI 嵌入式控制器通常是以標準 PC 元件建置而成。NI 研發部門建立的效能基準，也可確保控制器的開發會針對測試與量測應用最佳化，藉此保證程式碼與演算法的執行速度更快。例如，PXIe-8880 具有 2.3 GHz 的 8 核心 Intel Xeon E5-2618L v3 處理器 (單核心最多 3.4 GHz、Turbo Boost 模式)、最高達 24 GB 的 DDR4 RAM、固態硬碟、2 個 Gigabit 乙太網路連接埠、SMB 觸發器與標準 PC 週邊設備，例如 2 個 USB 3.0 連接埠、4 個 USB 2.0 連接埠、顯示埠與 GPIB 等。

在 NI 推出新款 PXI 嵌入式控制器後，Dell 或 HP 等主要電腦製造商會發表搭載同款高效能嵌入式行動處理器的電腦；而 NI 會在新款電腦發表後不久，開始提供新產品。NI 經營 PXI 嵌入式控制器相關業務已經超過 15 年，Intel 與 Advanced Micro Devices (AMD 等知名處理器製造商，皆與 NI 發展出密切的合作關係。舉例來說，Intel Embedded Alliance 提供最新的 Intel 產品發展藍圖與樣品，而 NI 正是該協會成員之一。

^{圖 7：PXIe-8880 嵌入式控制器採用 8 核心 Intel Xeon E5 處理器，適用於高效能、高通量且需進行大量運算的測試與量測用途。}

除了運算效能之外，I/O 頻寬也是儀器系統的設計關鍵。隨著現代的測試與量測系統日趨繁複，儀器與系統控制器之間需要交換的資料也不斷增加。 在 PCI Express 與 PXI Express 規格問世之後，NI 嵌入式控制器已可滿足此需求，現在可對 PXI Express 機箱背板提供高達每秒 24 GB 的系統頻寬。

^{圖 8：過去 20 年來，NI 持續為 PXI 平台提供最新且最強大的處理技術。}

機架固定式控制器

NI 提供外部 1U 機架式控制器，可做為運算與控制的替代方案。這些控制器配備高效能的多核心處理器，可處理大量運算作業，同時具備多個移除式硬碟，可提供大量儲存空間與對磁碟高速串流的功能。這些精心設計的控制器能搭配 MXI-Express 與 MXI-4 遠端控制器使用，以介接 PXI 或 PXI Express 機箱。在這種設定中，PXI 系統內的 PXI/PXI Express 裝置，會成為機架式控制器的本機 PCI/PCI Express 裝置。

^{圖 9：機架式控制器搭配 MXI-Express 或 MXI-4 遠端控制器後，即可用於控制 PXI 或 PXI Express 機箱。}

PXI 的電腦控制功能

PXI 遠端控制模組透過 MXI-Express 技術，在桌上型 PC 等主機以及 PXI 機箱與儀器之間，提供簡單透明的連接方式。在開機期間，電腦會將 PXI 系統內的所有週邊模組識別為 PCI 機板，進而允許透過控制器與這些裝置進一步互動。若要以 PC 控制 PXI，則電腦需使用 PCI/PCI Express 機板，且必須將 PXI/PXI Express 模組插在 PXI 系統的插槽 1，並以銅線或光纖纜線連接。銅線的資料通量容量較高，但長度通常較短 (1 公尺至 10 公尺)；而光纖連接線則提供長度更長的選項 (長達 100 公尺)，但資料通量容量可能較低。大部分 PC 都可立即相容於 PXI 遠端控制解決方案。再者，由於採用 NI 的 MXI-Express Bios Compatibility Software，因此能夠與更多 MXI-Express 裝置相容。

PXI 的筆記型電腦控制功能

使用 NI 的 PXIe-8301 遠端控制模組，即可從筆記型電腦以相同方式控制 PXI Express 系統。若要以筆記型電腦控制 PXI Express，則機箱的 Slot 1 必須插入 PXI Express 模組，並以 Thunderbolt 3™ 連接線連接至筆記型電腦。

^{圖 10：遠端控制模組支援使用桌上型電腦控制一個以上的 PXI 機箱。}

^{圖 11：PXIe-8301 遠端控制模組相當適合用於超可攜式用途。}

多機箱配置

多機箱配置支援使用單一主控制器管理 2 個以上的 PXI 機箱。多機箱為單一系統，因此有諸多優勢可供發揮，例如跨機箱同步化、區分儀器類型以將資料通量最佳化，以及在個別機箱之間進行點對點傳輸。

若要建立多機箱系統，最常見的方法是透過菊鏈連結。菊鏈拓撲包含 1 個以上的附屬 (下游) 機箱，並透過串聯連接至主 (上游) 機箱，而該主機箱則是透過 PC 或 PXI 嵌入式控制器來控制。使用菊鏈拓撲時，從主機可看見並控制每個附屬機箱。

^{圖 12：PXIe-8364 主機介面模組的安裝位置，位於內含嵌入式控制器的主機箱週邊插槽中。透過將 PXIe-8364 連接至附屬機箱系統控制器插槽中的 PXIe-8360，就能以菊鏈連接額外機箱。可以使用多出來的模組菊鏈連接其他機箱 (最多八個)。}

以上解決方案必須在週邊插槽內安裝額外模組，用於建立菊鏈連結；不過，部分 PXI 遠端控制模組因為有兩個連接埠，所以內建菊鏈連結功能，一個用於連結上游，另一個則用於連結下游。

^{圖 13：內含 PCIe-8375 的桌上型 PC 透過 PXIe-8375 遠端控制模組，連接至主 PXI Express 機箱。PXIe-8375 多一個用於菊鏈連接的連接埠，只要多一個 PXIe-8375 即可。這個系統中的最後一個下游機箱會有一個不會用到的連接埠。}

部分主機介面卡有兩個下游連接埠，可用於星形拓撲。星形拓撲並非以串聯連接 2 個附屬機箱 (菊鏈)，而是將 2 個附屬機箱並聯，讓每個機箱皆可直接對主機通訊，無需透過中介機箱。

^{圖 14：PCIe-8362 主機介面卡含兩個 MXI-Express 接線，因此可使用星形拓撲，透過桌上型 PC 控制兩個 PXI Express 機箱。}

NI 提供超過 600 種不同的 PXI 模組。由於 PXI 是開放式產業標準，因此擁有由超過 70 家不同儀器廠商所提供的近 1500 款產品。由於 PXI 直接相容於 CompactPCI，所以也可在 PXI 系統中使用任何 3U CompactPCI 模組。

由於 PXI 體積精巧，常造成大家抱有「犧牲效能以節省空間」的誤解。

我們必須了解，PXI 平台之所以能節省空間，原因在於將系統模組化，而非透過降低效能。傳統箱型儀器均需要個別的處理電路系統、顯示與實體介面。在 PXI 架構的儀器系統中，這些功能都會指定至特定元件，並可讓多款儀器共用。PXI 嵌入式控制器可做為中央處理與控制集線器使用，適用於 PXI 機箱中的所有不同儀器。 針對視訊顯示器、鍵盤與滑鼠等外部週邊設備，此嵌入式控制器也能透過其連線功能提供人機介面。

^{圖 15：NI 提供超過 600 種不同的 PXI 模組。}

執行於嵌入式控制器中的軟體，會與不同的 PXI 儀器互動，以利定義測試系統的實際功能。將這些標準功能指定至性能最先進的嵌入式控制器後，PXI 儀器就只需要納入實際的儀器電路，因此能以精巧體積提供高效能。

若要開發並操作 Windows 架構的 PXI 或 PXI Express 系統，其方法與標準的 Windows 架構 PC 一樣。 所以，切換 PC 架構與 PXI 架構的系統時，不必重新撰寫現有應用程式軟體，也不必學習新的程式設計技巧。若使用 PXI，即可透過在 LabVIEW 中使用 G 來縮短開發時間，並迅速自動化儀器；G 是直覺式的圖形化程式設計語言，同時適用於測試作業的業界標準，或者也可使用 NI LabWindows™/CVI 來開發 C。您也可以使用其他程式設計語言，例如屬於 Visual Studio .NET、Visual Basic、Python 與 C/C++ 的程式設計語言。此外，PXI 控制器也可執行透過 TestStand 等測試管理軟體開發的應用。測試管理軟體不只包含測試系統，也包含具備完整功能的測試架構，可提供將行為客制化的靈活性，以滿足序列、分流/迴路、報告產生與資料庫整合等特定需求。測試管理軟體搭配 PXI 模組化儀器後，即可提供整合式解決方案，進而簡化測試開發並減少維護需求，進而享有長遠成功。

若要尋找 Windows 架構系統的替代品，可以使用即時軟體架構，這種架構適用於要求時效，且必須用到準確迴圈率與無介面操作 (不使用鍵盤、滑鼠或螢幕) 的用途。即時作業系統可協助安排工作的先後順序，這樣一來，即可一律由最重要的工作來控制處理器，減少抖動情況。只要使用如 LabVIEW Real-Time 與 LabWindows/CVI Real-Time Module 等業界標準開發環境的即時版本，即可簡化即時系統的開發作業。在建立動態或硬體迴路的 PXI 測試系統時，工程師可使用如 VeriStand 等即時測試軟體，進一步縮短開發時間。

^{圖 16：無論使用哪一種程式設計語言，TestStand 都會管理 PXI 系統測試程式碼。}

• 參加 PXI 世界入門網路研討會
• 深入了解 PXI 架構
• 下載所有儀器基本原理內容