PXI 架構簡介

PXI 系統提供高效能的模組化儀器與其他 I/O 模組，能進行專用同步作業與重要的軟體功能，適用於裝置驗證乃至於自動化生產測試等各項測試與量測用途。  圖 1 的兩張圖片比較 PXI 系統機箱、控制器和 PXI(e) 週邊模組與商用桌上型電腦零組件之間的差異，能幫助您深入瞭解 PXI。重點在於瞭解 PXI 如何以商用電腦技術為基準並與之相呼應：

• PXI 機箱 與桌上型電腦機箱的比較
• PXI 控制器 與桌上型電腦 CPU、記憶體和 I/O 的比較
• PXI(e) 週邊模組 與桌上型電腦 PCI(e) 週邊模組的比較

^{圖 1:比較 PXI 系統與商用桌上型電腦。}

檢測設備 PCI 擴充模組 (PCI eXtensions for Instrumentation, PXI) 是一種備受肯定的 PC-Based 量測與自動作業系統平台。這個平台能供電、冷卻，並提供一個通訊匯流排，可以支援同一個機箱內部的多個檢測設備模組。PXI 採用商用 PC-Based PCI 匯流排技術，同時結合堅固耐用的 CompactPCI 模組化封裝技術，以及重要的時序與同步作業功能。

週邊零組件互連專門研究小組 (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group, PCI-SIG) 推出採用 PCI Express 標準的新版 PCI 技術之後，大幅改善了系統頻寬。負責管理 PXI 的 PXI 系統聯盟 (PXI Systems Alliance, PXISA) 採用最新一代的商用 PC 匯流排技術，將 PXI 升級為 PXI Express。PXI Express 為能確實向後相容而保留原有 PXI 功能，同時在 PXI 標準功能之外，進一步提供更多的頻寬、電源、冷卻、時序與同步作業功能。

PXI 和 PXI Express 功能如此豐富，看似相當複雜，但兩項技術的核心其實是一樣的：主流電腦通訊匯流排。PXI 和 PXI Express 機箱是現今工程師所慣用的量測與自動作業系統架構。

PXI 是由 PXISA 管理的開放式規格，因此任何廠商都能打造出 PXI 產品。為協助說明 PXI 系統的基本細節，這份技術文章著重於說明 PXISA 所定義的規格，以及這類規格在 NI PXI 硬體的實作。

PXISA 硬體規格規定攸關機械、電機與軟體架構的所有功能需求。PXI Express 規格是 CompactPCI 與 CompactPCI Express 規格的實作。圖 2 說明機械與電機領域結合 CompactPCI 和 CompactPCI Express 規格與 PXI 重要功能，用於建立整體架構的方式。本文章後續章節會逐一詳細介紹這些階層，同時說明這些階層之於 PXI 的應用。

^{圖 2:PXI 整體架構}

機械架構規範 CompactPCI、CompactPCI Express、PXI 和 PXI Express 之間的物理相容條件。舉例來說，機械架構會將系統控制器定義為 PXI 機箱最左邊的插槽，這是為了要求系統控制器確實位在 PCI 匯流排區段的最左側。將控制器固定在這個位置能簡化整合程序，也能提高機箱與各種控制器之間的相容性。

PXI 系統所使用的控制器，可以是外接 PC，也可以是嵌入式控制器。嵌入式控制器包括整合式 CPU、硬碟、記憶體、乙太網路、視訊、序列、USB，以及其他 I/O 週邊裝置。標準 Windows 環境是外接電腦所採用的標準作業系統，您可以在這樣的環境中開發應用程式。

^{圖 3:嵌入式控制器有多種 I/O 連接功能，能夠連接獨立儀器或週邊裝置。}

PXI 規格採用高效能 IEC 接頭，以及 CompactPCI 和 CompactPCI Express 所用的 EuCard 封裝系統，這是相當堅固耐用的封裝系統。

^{圖 4:NI PXI-8430 採用類 EuroCard 封裝，以及高效能 IEC 接頭。}

儀器透過這個接頭，經由背板的匯流排與系統中的其他儀器連接並進行通訊；PCI 和 PCI Express 匯流排就屬於這類匯流排。這些接頭設定也能保持向後相容性，可以因應規格的發展而加入最新的通訊匯流排。詳情請參閱說明電機的部分。

^{圖 5:規格定義與 PXI 機箱通訊時應使用的接頭。}

除 CompactPCI 和 CompactPCI Express 之外，PXI 機械規格也改進了具體的冷卻功能和環境，以在工業環境中確實發揮完整作用。

^{圖 6:瞭解符合冷卻功能規格條件的 PXI 機箱。}

電機架構規定必須以 PCI、PCI Express、CompactPCI 以及CompactPCI Express 規格與功率需求為準。此外也加入具體的時序和同步作業功能，這是 PXI 平台的特色，也是這類平台適用於高效能測試與量測的原因。

PXI 機箱的核心電機功能就是通訊匯流排。PCI 發展到 PCI Express 之後，相關規格也隨之發展，透過將 PCI Express 整合於 PXI 機箱背板的方式，力求 PXI 確實能夠符合更多應用方面的需求。

PXI 支援舊型儀器進行 PCI 通訊；這是一種 32 位元匯流排，常用於平行傳輸與接收資料。PCI 儀器的最大頻寬或傳輸量是 132 MB/s。應用程式必須用到的頻寬越來越高，於是出現 PCI Express 標準，可以透過稱為「通道」的傳輸/接收連線對組，以序列方式傳送資料，達到單向 250 MB/s 的資料傳輸率。這樣的序列連線方式稱為 PCI Express Gen1 x1「連結」(by-one)。組合多個通道就會形成 x2、x4、x8、x16、x32 的連結，因此能夠提高頻寬。這些連結會在控制器與固定儀器的插槽之間形成連接。舉例來說，一個 x16 插槽能達到的傳輸/接收率是 4 GB/s (250 MB/s * 16)。為讓舊型 PXI 儀器與新型 PXI Express 儀器能確實相容，PXI 機箱內同時結合了 PCI 與 PCI Express 通訊匯流排。PXI 會隨著新一代 PCI Express 規格的發展，繼續將新功能整合於 PXI 機箱，同時確實保持向後相容性。

^{圖 7:這個 NI PXIe-1085 機箱範例著重於根據插槽適用的模組類型調整接到每個插槽的 PCI 和 PCI Express 線路。}

除了隨著機箱通訊匯流排的發展整合最新 PC 技術之外，PXI 週邊模組也已經從 PXI 發展成 PXI Express，以利充分運用 PCI Express 通訊匯流排功能。為確實做到 PXI 和 PXI Express 模組之間能夠發揮模組相容性，PXI 規格新增了混合式插槽。這類插槽支援您將 PXI 或 PXI Express 週邊模組插入 PXI 機箱。一個 PXI 機箱可以包含：

• 1 個適用嵌入式或遠端 PXI Express 控制器的系統插槽
• 適用 PXI 模組的 PXI 週邊插槽
• 適用 PXI Express 週邊模組、32 位元 CompactPCI 週邊模組，以及支援混合規格之 PXI 週邊模組的 PXI Express 混合式週邊插槽
• 1 個適用 PXI Express 週邊模組和 PXI Express 系統時序模組的系統時序插槽

^{圖 8:PXI 機箱常用插槽類型}

整體而言，這項規格定義 PXI 機箱背板能夠支援的技術。

^{圖 9:PXI 機箱整合最新的通訊匯流排，其線路適用於許多不同的插槽，因此能夠因應週邊模組的需求。}

除通訊匯流排之外，電機規格也定義時序與同步作業功能。其中包括 PXI 10 MHz 系統時脈的定義，這項定義一體適用於系統中的所有週邊模組。這個通用參考時脈能夠讓量測或控制系統中的多個模組保持同步。除了時脈之外，PXI 的觸發功能也很重要，例如多點觸發匯流排與相符的軌跡長度星形觸發網路。PXI 觸發匯流排由 8 個 PXI 觸發路線形成，不但具有彈性，還能發揮多種用途。舉例來說，可以運用觸發條件讓數個 PXI 週邊模組保持同步作業。

^{圖 10:NI PXIe-1085 機箱 PXI 觸發匯流排連接圖，顯示將觸發條件傳送至 PXI 週邊模組的方式。}

針對要求更高效能的應用，這項規格定義 PXI 星形觸發網路，能讓 PXI 系統多一組效能更高的同步作業功能。星形觸發網路會在系統時序插槽（分別以菱形或正方形符號括住插槽編號、PXI 和 PXI Express 表示）與其他週邊插槽之間建立專用的觸發通道。這個插槽裝了一個時序和同步作業模組（星形觸發控制器），用於對其他週邊模組發出精準的時脈和觸發訊號。它也能夠讓內建 (TCXO、 OCXO)、衍生 (DDS) 或外接（銣源）時脈覆寫 PXI 機箱內建 VCXO 的精確度，用於定義機箱的高頻率系統參考時脈、10 MHz 時脈以及 100 MHz 時脈。

^{圖 11:NI PXIe-1085 機箱會以這個星形連接圖確認每個插槽的傳播延遲均一致。}

下圖說明 PXI 觸發匯流排和 PXI 星形觸發網路在插槽之間的傳遞路線。最初之所以會開始使用 SYNC 100 同步處理機箱內的 10 MHz 和 100 MHz 時脈，就是為了讓所有功能確實保持相容。

^{圖 12:選擇最合適的設定，確保時序和同步功能確實符合您在應用方面的需求。}

PXI 軟體規格定義軟體架構，這是 PXI 平台的一項重要元素。PXI 是以軟體定義的檢測設備範例為準，因此，PXI 硬體原本並沒有使用者能夠直接使用的功能，例如顯示畫面、旋鈕及按鈕。使用者能夠操作的功能，全數由軟體提供。軟體架構定義系統控制器模組與 PXI 週邊模組的 PXI 系統軟體需求。系統控制器模組和 PXI 週邊模組必須符合特定的作業系統與工具支援需求，才算符合既定的 PXI 軟體架構規範。

^{圖 13:PXI 軟體架構}

PXI 規格代表使用 Microsoft Windows 作業系統的 PXI 系統所應採用的軟體架構。因此，控制器可使用符合工業標準的應用程式設計介面，例如 NI LabVIEW、NI Measurement Studio、Visual Basic、Visual C/C++，以及 Python。PXI 也要求模組和機箱廠商提供特定的軟體元件。PXI 元件必須使用定義系統設定和系統功能的初始化檔案。最後，檢測設備領域已經廣泛採用執行 VISA 的方式，這也是 PXI 指定的 VXI、GPIB、序列及 PXI 檢測設備設定與控制方式。

^{圖 14:下方圖表從軟體定位的角度呈現完整的 PXI 架構。}

以簡單的 PXI 系統使用情況為例：使用諸如 NI PXIe-5433 之類的 PXI 模組產生訊號。您使用 Windows 架構控制器，以 LabVIEW 軟體編寫程式。LabVIEW 透過儀器驅動程式與儀器通訊。使用 Measurement & Automation Explorer (MAX) 確認系統設定適合進行這類通訊。

^{圖 15:硬體設定與軟體環境範例}

您執行在 LabVIEW 中編寫的程式開始進行通訊。LabVIEW 程式執行一連串背景運作。請參閱下方的通訊步驟說明：

步驟 1：PXI 系統控制器執行 LabVIEW

編譯應用程式碼後轉換成機器層級程式碼。

步驟 2：PXI 系統控制器將在 LabVIEW 中編寫的命令傳送至插在 PXI 週邊插槽中的儀器

機器層級程式碼在 PXI 系統控制器記憶體與處理器中轉換成電機訊號，再經由 PCI 或 PCI Express 通訊匯流排傳遞。在此範例中，透過將系統控制器連接於週邊儀器的 PXI 機箱背板所傳遞的，就是 PCI Express 通訊。

步驟 3：機箱背板上的通訊匯流排會傳遞命令

訊號透過 PCI Express 通訊匯流排傳播至儀器所在的 PXI 插槽。

步驟 4：系統將程式碼傳遞至儀器

PXI 模組讀取所傳送的命令。以此範例來說，NI PXIe-5433 會產生一個訊號，讓儀器使用模組上的電路讀取訊號，從而按照要求執行操作，並且會產生一個訊號，再將訊號傳遞到模組前端的接頭。

圖 16 示範透過控制器將通訊傳遞到實際插槽的方式。

^{圖 16:透過背板傳播訊號的範例}

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