PXI平台简介与高速量测模块同步之探讨

1、pxi平台简介与高速量测模块同步之探讨随着创造技术的日益进展，的功能变得越来越复杂，而体积却越来越小，因此对创造测试电子元件的厂商而言，如何以最快的时光建筑出最具竞争力的测试平台，确实是一门不小的知识。1960年月末期，hewlett-packard设计出了所谓的hp-ib(hewlett-packard interface bus)作为自立仪器与计算机之间的交流通道。因为其高速的数据传输率（对当初而言），很快便广为大家所接受，因此后来ieee便将此接口更名为gpib(general purpose interface bus)。然而为了对付更为复杂的测试环境与挑战，gpib便显得捉襟见肘。1

2、987年vxi协会成立，并制订了所谓instrument-on-a-card的标准，也就是vxi (vmebus extensions for instrumentation)。vxi以其模块化而且结实的架构，确实为量测与产业带来不少的益处。近十年来，随着个人计算机的强烈革命与普及，以pci bus为架构的仪器模块大为进展。因此1998年 system alliance（pxisa）成立，让pxi（pci extensions for instrumentation）成为一个开放的标准架构。pxi的平台不仅具有类似vxi的开放架构与结实的机构外型，更因为其设计了一连串适合仪器开发所用的同步信号

3、，而使得pxi更适合作为量测与测试自动化的平台。本文主要目的是介绍在pxi平台下，如何利用pxi的优点，举行量测仪器模块之间精密而且迅速的同步动作。内容包含pxi的简介与解释、量测仪器模块常用的同步信号以及应用实例。pxi简介测试系统创造商的工程师会问，什么是pxi？以pxi的仪器模块和pxi系统做开发平台会有什么益处？和compactpci或pci有哪些不同？首先，我们想利用pxi平台作为量测仪器的平台，那么就得先知道pxi平台的架构与其优点，这样才干与仪器模块协作，发挥出最大的效益。容易来说，pxi是以pci(peripheral component interconnect)及compa

4、ctpci为基础再加上一些pxi特有的信号组合而成的一个架构。pxi继承了pci的电气信号，使得pxi拥有如pci bus的极高传输数据的能力，因此能够有高达132mbyte/s到528mbyte/s的传输性能，在软件上是彻低兼容的。另一方面，pxi采纳和compactpci一样的机械外型结构，因此也能同样享有高密度、结实外壳及高性能的特性。pxi与compactpci互相关系一所示。图一 pxi与compactpci的互相关系一个pxi系统由几项组件所组成，包含了一个机箱、一个pxi背板（backplane）、系统控制器（system controller module）以及数个外设模块（p

5、eripheral modules）。在此以一个高度为3u的八槽pxi系统为例，二所示。系统控制器，也就是cpu模块，位于机箱的左边第一槽，其左方预留了三个扩充槽位给系统控制器用法，以便插入因功能复杂而体积较大的系统卡。由其次槽开头至第八槽称为外设槽，可以让用户依照本身的需求而插上不同的仪器模块。其中其次槽又可称为星形触发控制器槽（star trigger controller slot），其特别的功能将于后面的文章中解释。图二 典型3u高度的pxi系统架构。背板上的p1接插件上有32-bit pci信号，p2接插件上则有64-bit pci信号以及pxi特别信号。那么前面所说的pxi特有的信

6、号又是什么呢？pxi的信号包含了以下几种，其完整的架构三所示。图三 pxi信号架构1. 10mhz参考时钟(10mhz reference clock)pxi规格定义了一个低歪斜(low skew)的10mhz参考时钟。此参考时钟位于背板上，并且分布至每一个外设槽（peripheral slot），其特色是由时钟源（clock source）开头至每一槽的布线长度都是等长的，因此每一外设槽所接受的clock都是同一相位的，这对多个仪器模块的同步来说是一个很便利的时钟来源。基本的10mhz参考时钟架构四所示。图四 pxi 10mhz参考时钟架构2. 局部（local bus）在每一个外设槽上，p

7、xi定义了局部总线以及衔接其相邻的左方及右方外设槽，左方或右方局部总线各有13条，这个总线除了可以传送数字信号外，也允许传送模拟信号。比如说3号外设槽上有左方局部总线，可以与2号外设槽上的右方局部总线衔接，而3号外设槽上的右方局部总线，则与4号外设槽上的左方总线衔接。而外设槽3号上的左方局部总线与右方局部总线在背板上是不相互衔接的，除非插在3号外设槽的仪器模块将这两方信号衔接起来。局部总线架构五所示。图五 pxi局部总线架构至于最左方外设槽(2号)的左方局部总线要衔接到哪里呢？是衔接到系统槽吗？不是，这一槽的左方局部总线另实用途，稍后会再解释。3. 星形触发（star trigger）前面说到

8、外设槽2号的左方局部总线在pxi的定义下，实被作为另一种特别的信号，叫做星形触发。这13条星形触发线被依序分离衔接到另外的13个外设槽（假如背板支持到另外13个外设槽的话），且彼此的走线长度都是等长的。也就是说，若在2号外设槽上同一时光在这13条星形触发在线送出触发信号，那么其它仪器模块都会在同一时光收到触发信号（由于每一条触发信号的延迟时光都相同）。也由于这一项特别的触发功能惟独在外设槽2号上才有，因此定义了外设槽2号叫做星形触发控制器槽（star trigger controller slot）。请看图六的星形触发架构解释。图六 pxi star trigger架构4. 触发总线（trig

9、ger bus）触发总线共有8条线，在背板上从系统槽(slot 1)衔接到其余的外设槽，为全部插在pxi背板上的仪器模块提供了一个分享的交流管道。这个8-bit宽度的总线可以让多个仪器模块之间传送时钟信号、触发信号以及特订的传送协议。pxi仪器模块的同步应用介绍谈完pxi的特别专有信号后，我们可以了解pxi系统只是提供了一个便利简洁的环境供用户用法，如何去运用这些信号，则必需与仪器模块搭配，才干真正发挥pxi系统的优点。综观目前各家仪器模块厂商所能提供的pxi仪器模块，已经达到数百种可以挑选，而不同种类的仪器也有不同的衔接架构与办法。在此我们将以应用实例来解释如何利用pxi特有的信号，来达成同

10、步的要求。实例解释：某种检测设备用来探测待测物体的结构，这种设备具有八个，用来感应待测物体所传回的信息，并且以模拟信号送出其结果，其信号频率在7.5mhz左右。因为这八个信号相互有时光上的关系，因此当我们量测这八个传感器信号时必需要同一时光开头采集，并且采样时钟要同一相位，否则运算的结果会有误差。另外此检测设备在传感器开头传送信号时，同时会有数字触发信号输出，其数字与模拟信号关系七所示。图七 检测设备的输出时序图面向前述的量测需求，我们必需挑选一个合适的量测模块，才干达到系统的要求。首先传感器所回传的信号频率为7.5mhz，因此按照奈氏采样定理，量测模块的采样频率必需在15mhz以上，且模块本

11、身的输入频宽必需比7.5mhz高上许多，才不会造成输入信号的衰减。综观以上条件，我们挑选凌华科技推出的pxi-9820作为量测模块。pxi-9820为一高速的数据采集模块，本身具有两个采样通道，其采样率高达65ms/s，前级模拟输入频宽高达30mhz。另外pxi-9820本身配有锁相环(pll)，可以对外界的参考时钟举行相位锁定。pxi-9820也可通过pxi的star trigger，对其余13个外设槽传送高度精密的触发信号。因此pxi-9820非常适合用在这一个应用里。有了适合的量测模块之后，我们要开头规划如何举行量测。首先，因为共有八个传感器需要举行量测，而一个pxi-9820惟独两个采

12、样通道，因此我们需要四片pxi-9820。第二量测规格要求各通道采样的相位要相同，因此每一张量测模块的时钟必需举行同步。因为每一片pxi-9820本身有板载采样时钟，因此其时钟无法保证都同相位。我们利用pxi背板所提供的10mhz参考时钟作为pxi-9820的外界参考时钟输入，利用pxi-9820本身的锁相回路电路举行时钟的相位锁定。图八是各片仪器模块的采样时钟不同步的状况。图九则为经过pll锁相之后的时钟结果。图八 不同步的采样时钟图九 同步的采样时钟最后，因为检测设备在开头传送传感器的模拟数据时，会一并送出数字触发信号，我们将此触发信号当作每一片pxi-9820的触发条件。不过如何让这一个触发信号能精确的同时到达每一张pxi-9820呢?我们将其中一张pxi-9820插入star trigger controller槽位，利用这一槽特有的star trigger，传送给其余的三张pxi-9820以达到最精确的触发时光。结论利用pxi仪器模块与pxi平台作为量测与测试平台，不仅可以充分利用pci的高速