PXI 平台概述

NI PXI 機箱是 PXI 系統的骨幹，如同桌上型電腦的機械外殼與主機板。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。也可以將多個通道組合成 X2 (乘 2)、X4、X8、X12 與 X16 通道寬度，進一步提高頻寬功能。

^{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、高速數位通訊協定分析，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

NI PXI 系統的其中一項主要優勢在於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。機箱總功率各不相同，因此，設定新系統時，規劃系統層級的電力預算，絕對不會錯。

^{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模組，能支援在桌上型電腦、工作站、伺服器或筆記型電腦及高效能嵌入式控制器上控制 PXI 系統。可以選擇使用 Microsoft 作業系統 (Windows 10/11)、Real-Time 作業系統 (NI Linux Real-Time)，如果想要簡單的入門款組合，也可以選擇不使用作業系統，直接開始部署自己的 IT 映像，或者自行安裝 RHEL、OpenSUSE 或 Ubuntu 之類的作業系統。

NI PXI 嵌入式控制器

PXI 嵌入式控制器不需外接 PC，還能為 PXI 或 PXI Express 量測系統提供高效能卻輕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設定了 NI LabVIEW Real-Time 或 Microsoft Windows，也預先安裝了所有裝置驅動程式。還在生命週期內的 NI 嵌入式控制器也受到充分管理，並提供廠商支援，能確實讓測試系統在使用期限內正常運作，同時能與 PXI 生態系統規格相容。

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。 舉例來說，NI PXIe-8881 提供的處理器規格最高選項是 18 核心 Xeon 處理器 (單核心 Turbo Boost 模式最高 4.6 GHz)、最高 64 GB 的 DDR4 RAM、固態硬碟、SMB 觸發器，以及 Thunderbolt™、Gigabit 乙太網路連接埠、USB、DisplayPort 與 GPIB 等標準 PC 週邊設備。

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。

^{1. 64 Gb 的 DDR4 RAM | 2. 高頻寬串流 | 3. TPM v1.2 安全防護 | 4. 最高 18 核心 Xeon 處理器 5.2 個 Thunderbolt™ 連接埠 6. GPIB 連接埠 |7.2 個 Gigabit 乙太網路連接埠 8. USB 連接埠 9.顯示器連接埠 |10.USB 3 連接埠 11.外接 SMB 監控器/觸發器}

^{圖 7：PXIe-8881 嵌入式控制器最高規格是 1 組 18 核心 Xeon 處理器，適用於高效能、高傳輸率、需要高度運算的測試與量測用途。}

除運算效能外，I/O 頻寬也是設計儀器系統的關鍵。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 問世之後，NI 嵌入式控制器已能因應這方面的需求，現在能提供每秒最高 24 GB 的系統頻寬供 PXI Express 機箱背板使用。

^{圖 8： 過去 20 多年來，NI 持續提供最新、最強大的 PXI 平台處理技術。}

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

NI PXI 遠端控制模組透過 MXI-Express 技術，以簡單透明的方式連接桌上型電腦等主機與 PXI 機箱和儀器。在開機階段，電腦會將 PXI 系統內的所有週邊模組識別為 PCI 機板，進而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 Slot 1，並以銅線或光纖纜線連接。銅線的資料傳輸率較高，但長度通常較短 (1 到 10 公尺)；光纖纜線長度較長 (最長 100 公尺)，但資料傳輸率可能較低。大部分 PC 都可立即相容於 PXI 遠端控制解決方案。 此外，與 MXI-Express 裝置之間的相容性，可透過 NI 的 MXI-Express BIOS Compatibility 軟體延伸至更多 PC。

PXI 的筆記型電腦控制功能

在筆記型電腦上一樣能使用 NI PXIe-8301 遠端控制模組控制 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)。}

這套解決方案必須在週邊插槽內安裝額外模組，用於建立菊鏈連接；不過，部分 PXI 遠端控制模組有兩個連接埠，所以內建菊鏈連接功能，一個用於連接上游，另一個則用於連接下游。

^{圖 13： 配備 NI PCIe-8381 的桌上型電腦透過 PXIe-8381 遠端控制模組連接至 PXI Express 主機箱。PXIe-8381 只要再加一個 PXIe-8381，就能多一個用於菊鏈連接的連接埠。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： NI PCIe-8363 主機介面卡有兩條 MXI-Express 接線，使用星形拓撲就能透過桌上型電腦控制兩組 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。 NI LabVIEW 是簡單易用的圖形化程式設計環境，也是業界測試標準，使用 PXI 就能運用 NI LabVIEW，可以縮短開發時間並快速自動處理儀器。您也可以充分運用這個平台的開放式架構，使用 LabVIEW、Python、C/C++ 與其他語言開發適合特定用途的量測與分析程式。

NI InstrumentStudio™ 軟體提供現成可用的互動式儀器面板，能用於控制及設定儀器、儲存資料，以及匯出資料儀器設定，能支援諸如示波器、多功能數位電錶、波形產生器、VST 之類的多種 PXI 儀器。InstrumentStudio 也提供其他自動化功能，例如應用程式內定序功能，以及整合使用 LabVIEW 或 Python 編寫的客製化量測功能。

^{圖 16： InstrumentStudio 提供互動式的設定架構環境，能用於控制儀器、執行量測，以及開發加快驗證速度的測試序列。}

​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。使用即時版本的業界標準開發環境，例如 NI LabVIEW Real-Time Module，就能簡化即時系統開發流程。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 17： 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。}

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