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媒體博客

__測量與自動化專欄

PXI平台簡介與高速量測模塊同步之探討

前言
suizhedianzizhizaojishuderiyifazhan，jichengdianludegongnengbiandeyuelaiyuefuza，ertijiqueyuelaiyuexiao，yinciduizhizaoceshidianziyuanjiandechangshangeryan，ruheyizuikuaideshijianjianzaochuzuijujingzhenglideceshipingtai，dequeshiyimenbuxiaodexuewen。

1960年代末期，Hewlett-Packard設計出了所謂的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作為獨立儀器與計算機之間的溝通通道。由於其高速的數據傳輸率（對當時而言），很快便廣為大家所接受，因此後來IEEE便將此接口更名為GPIB(General Purpose Interface Bus)。然而為了應付更為複雜的測試環境與挑戰，GPIB便顯得捉襟見肘。1987年VXI協會成立，並製訂了所謂instrument-on-a-card的標準，也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。VXI以其模塊化而且堅固的架構，的確為量測與自動化產業帶來不少的好處。

近十年來，隨著個人計算機的劇烈革命與普及，以PCI Bus為架構的儀器模塊大為發展。因此1998年PXI System Alliance（PXISA）成立，讓PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）成為一個開放的標準架構。PXI的平台不僅具有類似VXI的開放架構與堅固的機構外型，更由於其設計了一連串適合儀器開發所用的同步信號，而使得PXI更適合作為量測與測試自動化的平台。

本文主要目的是介紹在PXI平台下，如何利用PXI的優點，進行量測儀器模塊之間精密而且快速的同步動作。內容包含PXI的簡介與說明、量測儀器模塊常用的同步信號以及應用實例。

PXI簡介
測試係統製造商的工程師會問，什麼是PXI？以PXI的儀器模塊和PXI係統做開發平台會有什麼好處？和CompactPCI或PCI有哪些不同？首先，我們想利用PXI平台作為量測儀器的平台，那麼就得先知道PXI平台的架構與其優點，這樣才能與儀器模塊配合，發揮出最大的效益。

簡單來說，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI為基礎再加上一些PXI特有的信號組合而成的一個架構。PXI繼承了PCI的電氣信號，使得PXI擁有如PCI bus的極高傳輸數據的能力，因此能夠有高達132Mbyte/s到528Mbyte/s的傳輸性能，在軟件上是完全兼容的。另一方麵，PXI采用和CompactPCI一樣的機械外型結構，因此也能同樣享有高密度、堅固外殼及高性能連接器的特性。PXI與CompactPCI相互關係如圖一所示。

圖一 PXI與CompactPCI的相互關係

一個PXI係統由幾項組件所組成，包含了一個機箱、一個PXI背板（backplane）、係統控製器（System controller module）以及數個外設模塊（Peripheral modules）。在此以一個高度為3U的八槽PXI係統為例，如圖二所示。係統控製器，也就是CPU模mo塊kuai，位wei於yu機ji箱xiang的de左zuo邊bian第di一yi槽cao，其qi左zuo方fang預yu留liu了le三san個ge擴kuo充chong槽cao位wei給gei係xi統tong控kong製zhi器qi使shi用yong，以yi便bian插cha入ru因yin功gong能neng複fu雜za而er體ti積ji較jiao大da的de係xi統tong卡ka。由you第di二er槽cao開kai始shi至zhi第di八ba槽cao稱cheng為wei外wai設she槽cao，可ke以yi讓rang用yong戶hu依yi照zhao本ben身shen的de需xu求qiu而er插cha上shang不bu同tong的de儀yi器qi模mo塊kuai。其qi中zhong第di二er槽cao又you可ke稱cheng為wei星xing形xing觸chu發fa控kong製zhi器qi槽cao（Star Trigger Controller Slot），其特殊的功能將於後麵的文章中說明。

圖二典型3U高度的PXI係統架構。背板上的P1接插件上有32-bit PCI信號，P2接插件上則有64-bit PCI信號以及PXI特殊信號。

那麼前麵所說的PXI特有的信號又是什麼呢？PXI的信號包含了以下幾種，其完整的架構如圖三所示。

圖三 PXI信號架構

1. 10MHz參考時鍾(10MHz reference clock)
PXI規格定義了一個低歪斜(low skew)的10MHz參考時鍾。此參考時鍾位於背板上，並且分布至每一個外設槽（peripheral slot），其特色是由時鍾源（Clock source）開始至每一槽的布線長度都是等長的，因此每一外設槽所接受的clock都是同一相位的，這對多個儀器模塊的同步來說是一個很方便的時鍾來源。基本的10MHz參考時鍾架構如圖四所示。

圖四 PXI 10MHz參考時鍾架構

2. 局部總線（Local Bus）
在每一個外設槽上，PXI定義了局部總線以及連接其相鄰的左方及右方外設槽，左方或右方局部總線各有13條，這個總線除了可以傳送數字信號外，也允許傳送模擬信號。比如說3號外設槽上有左方局部總線，可以與2號外設槽上的右方局部總線連接，而3號外設槽上的右方局部總線，則與4號外設槽上的左方總線連接。而外設槽3號上的左方局部總線與右方局部總線在背板上是不互相連接的，除非插在3號外設槽的儀器模塊將這兩方信號連接起來。局部總線架構如圖五所示。

圖五 PXI局部總線架構

至於最左方外設槽(2號)的左方局部總線要連接到哪裏呢？是連接到係統槽嗎？不是，這一槽的左方局部總線另有用途，稍後會再說明。

3. 星形觸發（Star Trigger）
前麵說到外設槽2號的左方局部總線在PXI的定義下，實被作為另一種特殊的信號，叫做星形觸發。這13條星形觸發線被依序分別連接到另外的13個外設槽（如果背板支持到另外13個外設槽的話），且彼此的走線長度都是等長的。也就是說，若在2號外設槽上同一時間在這13條星形觸發在線送出觸發信號，那麼其它儀器模塊都會在同一時間收到觸發信號（因為每一條觸發信號的延遲時間都相同）。也因為這一項特殊的觸發功能隻有在外設槽2號上才有，因此定義了外設槽2號叫做星形觸發控製器槽（Star Trigger Controller Slot）。請看圖六的星形觸發架構說明。

圖六 PXI Star Trigger架構

4. 觸發總線（Trigger Bus）
觸發總線共有8條線，在背板上從係統槽(Slot 1)連接到其餘的外設槽，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個共享的溝通管道。這個8-bit寬度的總線可以讓多個儀器模塊之間傳送時鍾信號、觸發信號以及特訂的傳送協議。

PXI儀器模塊的同步應用介紹
談完PXI的特殊專有信號後，我們可以了解PXI係統隻是提供了一個方便簡潔的環境供用戶使用，如何去運用這些信號，則必須與儀器模塊搭配，才能真正發揮PXI係統的優點。綜觀目前各家儀器模塊廠商所能提供的PXI儀器模塊，已經達到數百種可以選擇，而不同種類的儀器也有不同的連接架構與方法。在此我們將以應用實例來說明如何利用PXI特有的信號，來達成同步的要求。

實例說明：
某mou種zhong檢jian測ce設she備bei用yong來lai探tan測ce待dai測ce物wu體ti的de結jie構gou，這zhe種zhong設she備bei具ju有you八ba個ge傳chuan感gan器qi，用yong來lai感gan應ying待dai測ce物wu體ti所suo傳chuan回hui的de信xin息xi，並bing且qie以yi模mo擬ni信xin號hao送song出chu其qi結jie果guo，其qi信xin號hao頻pin率lv在zai7.5MHzzuoyou。youyuzhebagexinhaohuxiangyoushijianshangdeguanxi，yincidangwomenliangcezhebagechuanganqixinhaoshibixuyaotongyishijiankaishicaiji，bingqiecaiyangshizhongyaotongyixiangwei，fouzeyunsuandejieguohuiyouwucha。lingwaicijianceshebeizaichuanganqikaishichuansongxinhaoshi，tongshihuiyoushuzichufaxinhaoshuchu，qishuziyumonixinhaoguanxirutuqisuoshi。

圖七檢測設備的輸出時序圖

麵對前述的量測需求，我們必須選擇一個合適的量測模塊，才能達到係統的要求。首先傳感器所回傳的信號頻率為7.5MHz，因此根據奈氏采樣定理，量測模塊的采樣頻率必須在15MHz以上，且模塊本身的輸入頻寬必須比7.5MHz高上許多，才不會造成輸入信號的衰減。綜觀以上條件，我們選擇淩華科技推出的PXI-9820作為量測模塊。PXI-9820為一高速的數據采集模塊，本身具有兩個采樣通道，其采樣率高達65MS/s，前級模擬輸入頻寬高達30MHz。另外PXI-9820本身配有鎖相環電路(PLL)，可以對外界的參考時鍾進行相位鎖定。PXI-9820也可通過PXI的Star Trigger，對其餘13個外設槽傳送高度精密的觸發信號。因此PXI-9820十分適合用在這一個應用裏。

有了適合的量測模塊之後，我們要開始規劃如何進行量測。首先，由於共有八個傳感器需要進行量測，而一個PXI-9820隻有兩個采樣通道，因此我們需要四片PXI-9820。其次量測規格要求各通道采樣的相位要相同，因此每一張量測模塊的時鍾必須進行同步。由於每一片PXI-9820本身有板載采樣時鍾，因此其時鍾無法保證都同相位。我們利用PXI背板所提供的10MHz參考時鍾作為PXI-9820的外界參考時鍾輸入，利用PXI-9820本身的鎖相回路電路進行時鍾的相位鎖定。圖八是各片儀器模塊的采樣時鍾不同步的情況。圖九則為經過PLL鎖相之後的時鍾結果。

圖八不同步的采樣時鍾

圖九同步的采樣時鍾

最後，由於檢測設備在開始傳送傳感器的模擬數據時，會一並送出數字觸發信號，我們將此觸發信號當作每一片PXI-9820的觸發條件。不過如何讓這一個觸發信號能精確的同時到達每一張PXI-9820呢?我們將其中一張PXI-9820插入Star Trigger Controller槽位，利用這一槽特有的Star trigger，傳送給其餘的三張PXI-9820以達到最精確的觸發時間。

結論
利用PXI儀器模塊與PXI平台作為量測與測試平台，不僅可以充分利用PCI的高速傳輸特性，以及繼承用戶原本就已熟悉的軟件平台，更可以利用PXI所提供的觸發信號來完成更精密的同步功能。全球各地的PXI開發廠商更為用戶提供了數百種的量測測試儀器模塊，讓用戶可以以最方便、快速及經濟的方式完成適合本身應用的PXI係統。本文清楚的說明了PXI信號，並且以一簡單的例子說明如何以PXI信號進行儀器模塊之間的同步。希望能給予準備開發PXI係統的用戶一個初步的了解。