摘 要：结合2006年NI举办的PXI TAC，主要介绍和分析了几种有代表性的总线技术，并着重阐述了PXI技术相关概念、发展过程和现状，探讨了PXI技术的未来发展趋势。
关键词：PXI；VXI；GPIB；总线技术
Development of PXI Technology
WANG Lei
（Measurement & control technology Press of AVIC1 Raise Science CO.,LTD, Beijing 100022,China）
Abstract：Combining with the PXI Technology and Application Conference 2006 initiated by National Instruments, some typical bus technologies are introduced and analyzed. Specially, the current state, process of development and application of PXI are discussed. Lastly, the developing trend of PXI technology is also presented.
Key words：PXI；VXI；GPIB, bus technology
随着PXI技术在我国工业测控领域的迅速发展和广泛应用，在测试和测量自动化领域将PXI作为主要发展目标之一的大环境下，第三届“中国PXI技术和应用论坛”（PXI Technology & Application Conference，即PXI TAC 2006）在2006年4月底及5月初在上海和台北两地相继举办，共吸引了700多位相关领域的工程师和技术人员到场参加。
美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）认识到，不同的PXI供应商和行业内工程师急需一个平台来交流想法、交换经验，共同分享成功的解决方案，于是在2004年发起了第一届PXI技术和应用论坛，至今年已连续举办了三届，成为中国地区影响力很大的多供应商PXI活动。今年活动的主旨是：自动化测试平台——PXI迈入全新发展纪元。在本年度的中国大陆地区，NI联合8家PXI联盟企业和3家从事PXI系统集成的厂商，携手展示和推广PXI技术和产品。笔者作为NI的特邀媒体代表参加了在中国上海举办的PXI TAC 2006相关活动，获得了很多有关PXI技术及其应用方面的信息，留下了深刻印象。
1 总线技术回顾
从2006年NI的PXI TAC来看，PXI技术的应用与发展日趋广泛。在阐述PXI技术的现状与未来发展的同时，首先回顾一下总线技术的发展历史和相关概念。
自动化测试测量始于上世纪70年代GPIB技术的诞生，自此，一系列总线进入了自动化仪器控制领域，每一种总线都有它们各自独到的优势。图1所示为自动化测试测量仪器的发展过程。
1.1 GPIB（General Purpose Interface Bus）总线
GPIB是IEEE488标准的虚拟仪器技术的早期发展阶段。通过使用LabVIEW和仪器驱动软件，工程师们可以自动化地控制测试仪器，由此，自动化测试测量的时代正式开始。GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台配备有GPIB接口的仪器，通过GPIB电缆连接而成。通过GPIB技术，工程师可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。
图1 自动化测试测量的发展
GPIB测量系统的结构和命令简单，有专为仪器控制所设计的接口信号和接插件，具有突出的坚固性和可靠性。经过30余年普及，几乎所有独立仪器都已配有GPIB接口，网络上也有各种GPIB驱动，因而具有较好的兼容性。GPIB适合自动化现有的测试设备、混合测控系统和特殊要求的专用仪器的系统。GPIB的缺点是无法提供多台仪器同步和触发的功能，在传输大量数据时带宽不足。
1.2 VXI（VMEbus eXtensions for Instrumentation）总线
1981年10月，Motorola 、Mostek和Signetics宣布共同支持基于VERSAbus和Eurocard模块尺寸的系列板卡，即VMEbus。1987年，正式成为IEE1014高速计算机总线标准。在VME总线标准的基础上，将其推广至仪器仪表行业的应用，1992年推出了IEEE1155VXI（VMEbus eXtensions for Instrumentation）总线标准。
VXI总线的出现，将高级测量与测试应用设备带入模块化领域，它拥有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。具有结构紧凑、数据吞吐能力强（高达40 MB/s的带宽，是GPIB的40倍）、定时和同步精确等特点，适用于组建大、中规模的自动测量系统和对速度、精度要求高的应用场合，主要用于军事、航空航天和ATE等领域的测量与测试。
VXI总线由于是基于VME总线的，而现代计算机不支持这种总线结构，无法利用PC技术优势。而且组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价高昂，加之40MB/s的带宽对于现今的高速量测装置仍嫌不足。所以，VXI没有形成主流应用。
1.3 PCI (Peripheral Component Interconnect)与PCI Express
1992年Intel公司定义了PCI总线，直接用于互联CPU与外围器件。为了将PCI总线应用于嵌入式领域，1994年成立了PCI工业计算机制造商协会（PICMG），目的是为嵌入式计算机（如工业计算机，医疗设备，通信设备，交通设备以及军事系统等）研制通用技术标准。1997年8月，PICMG发布了第一个ComPACtPCI（CPCI）技术标准，主要用于工业过程自动化的检测与控制。
相对于GPIB, ISA, VME而言，PCI是高速总线，但相对于整个电脑架构而言，PCI 总线只有133 MB/s带宽，随着外部设备要求传输大量的数据，PCI的带宽有些不堪重负。10年后，Intel又推出PCI Express 总线，它是第三代输入/输出总线，简称3GIO（Third-Generation Input/Output），也称为Arapahoe 总线。作为对PCI速度上的一个改进，这种新一代高速内部总线应用了高速串行总线代替了传统的并行总线，使得传输速率可以达到最高为4 GB/s；此外，PCI Express因为采用了先进的软件架构，可以完全确保和现有PCI的软件兼容性。根据Intel方面预测，在未来10年的PC平台上，PCI Express 将会与PCI实现共存，一起将PC技术带入一个全新的阶段，带来更多的应用。
1.4 PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）总线
PXI是专为测试任务而优化的CompactPCI。谈到PXI总线的发展，首先就要提到制定与推广PXI规范的PXI系统联盟（PXISA，PXI System Alliance），该组织是1998年NI公司与其他测试设备厂商合作成立的，并将PXI定为一个开放的工业标准推向市场。迄今为止，PXI系统联盟已经拥有70多家成员公司，提供超过1200种符合PXI标准的产品。
图2 PXI市场发展调查图
PXI技术是基于CPCI并兼容CPCI的测量测试规范应用。PXI的核心就是一个高性能的数据传输总线，背板是高性能的PCI总线，此外还结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及欧式卡机械封装的特性，并增加了专门VXI总线的同步总线和主要软件特性。PXI的规格有两种：3U和6U。PXI硬件由3个基本部分组成：机箱、系统控制器和外设模块。PXI系统由硬件与软件两个部分组成：硬件部分基于CPCI规范，即PICMG 2.0，数据传输速率高于GPIB与VXI(PXI, GPIB, VXI的带宽分别是133 MB/s、 8 MB/s和40 MB/s)；在软件上PXI对系统控制模块与周边模块作了规范，例如：PXI周边模块的生产厂商，必须提供可使用于Microsoft Windows上的驱动程序等。
自从PXI成为开放的工业标准以来，PXI系统联盟现已拥有超过1200余种基于PXI的模块。NI公司作为联盟发起人和最高等级的厂商，提供了数字万用表、数字化仪、信号发生器、电源、数字I/O、视频、音频、RF等等，从DC至RF的一系列PXI产品。
2、PXI现状与发展
PXI已成为继GPIB（IEEE488）之后成长最快的标准化技术。无论是生产厂家数量、产品种类和数量，还是系统应用的数量都有大幅增长，越来越多的项目转向PXI解决方案。 根据Frost & Sullivan 2005年度的调查显示（图2），PXI市场的增长速度远高于VME/VXI，以及测试测量行业的平均值。NI公司和PXI联盟成员也在继续为PXI加大投资，随着Intel PCI Express总线的推出，PXISA在2005年第三季度正式推出了PXI Express的软硬件标准，通过在背板使用PCI Express的技术，PXI Express能够将带宽整整提高45倍，从原来PXI的132 MB/s提高到现在6 GB/s；同时保持了和原来PXI模块在软硬件上的向后兼容性。与此相适应的是PXI产品的性能也得到了显著的提升，如数据采样速度已经达到2 GHz，测量精度提升到了7位数字，射频测量带宽也达到了3 GHz。而且PXI的性能（如测量速度和精度等）还在不断地提高。
2.1 PXI产品的应用
此次PXI TAC活动期间，共有12家PXI行业内的企业携手展示和推广PXI技术和产品，除了NI公司以外，还有Aeroflex、Ztec Instruments、北京中科泛华测控技术有限公司、上海聚星仪器公司、VPC（美国弗吉尼亚电子器件公司）、ADLINK（凌华科技）、Pickering、Acqiris、microLEX，以及ADVANTEST Technology Solutions Corp.和Ascor等厂商共同参与。
除了主题演讲外，活动同期还举行了10场仪器/自动化和测试应用专题的技术研讨会。会议内容均以PXI技术及其应用为中心。在回顾PXI技术近10年的发展历史的同时，也发布了全新基于PCI Express总线的PXI Express技术。其中，NI的“PXI Express总线技术及其应用前景”和“构建数模混合信号的自动化测试系统” 是最受用户欢迎的两场讲座。
各PXI厂商向与会的行业用户展示了众多具有代表性的基于PXI的成功案例，其中“PXI混合信号综合测试机柜系统”、“工业数字I/O传送带展示系统”、“基于NI动态信号采集卡的结构测试”等演示项目吸引了众多来宾观看。
会上展示了PXI在各个领域内的应用。
（1）PXI在汽车行业应用
使用PXI系统作为ECU（电子控制单元）测试的汽车仿真器，可以仿真从汽车引擎中读出的各种传感器信号，如压力、速度、流量等，同时接收从ECU计算得出的供油时间和供油量等重要指标数据，保证在加速和减速的极限状态下的ECU反应和各种控制算法的实现。很多汽车厂商都使用了PXI汽车控制系统。
基于图形化编程软件LabVIEW与PXI模块化仪器硬件，NI提供汽车测试平台，可以开发可自定义的汽车测量和自动化控制解决方案，如图3所示。面对可能增长的汽车测试需求和系统升级空间，GenRad公司选用了NI标准PXI机箱的7个插槽，并设计了21槽6U PXI机箱，尽可能多地进行ECU并行测试。
（2）PXI在通信行业应用
使用PXI技术可以构建基于软件定义的无线电监测平台。上海聚星仪器有限公司和成都华日通讯公司共同合作，基于NI PXI技术开发了软件无线电HR-100宽带数字监测接收机，如图4所示。华日公司利用该接收机开发了单信道和多信道监测测向系统，单信道和多信道均实现了20 MHz带宽的多信号FFT测向。
（3）PXI在消费电子行业应用
消费电子生产一直面临着巨大的挑战，需要将具有新特性的新产品快速推向市场，而测试测量绝不能成为瓶颈部分，这就为测试工程师增加了更多的压力。一个很显著的例子就是游戏机控制器要求功能强大的测试系统，以便为玩家提供高质量的游戏体验。微软使用NI模块化仪器技术，包括NI PXI-5124 12位 200 MS/s数字化仪，实现Xbox 360电子游戏机控制器的测试。LabVIEW和PXI解决方案可以测试该控制器的所有功能，包括按钮、操纵杆、音频信号，以及与Xbox 360主机之间的通信。
（4）PXI在军用/航空行业应用
为新一代飞机引擎构建的基于PXI平台的动态压力数据采集、分析和存储系统，也用于风洞测试。另外，PXI测量模块还可以测量分析飞机在各种飞行情况下的噪声大小等。Lockheed Martin航空公司已采用行业标准PXI测量硬件及软件的新型测试系统取代了基于VME的系统。与原来的设备相比，测试速度提高80倍，同时节省了航空公司数十万美金的新型战斗机设计及开发费用。
（5）PXI在射频识别（RFID）标签检测中的应用
RFID（Radio Frequency Identification），即无线射频识别，常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等。上海聚星仪器有限公司使用PXI技术研制的RFID测量设备，可以替代传统的产品条码，更适用于物流管理。它是行业中第一个能测第二代无线识别标签(C1G2)标准的测量设备。
另外，PXI在半导体、医疗设备等领域中也有更多应用。中科泛华测控技术有限公司将PXI技术成功应用到了低压电器测试领域，用以测量和控制空气断路、谐波、变压器、继电保护和老化寿命等。
在中国，不同的PXI供应商正在大力推广PXI，例如凌华科技推出的PXI系统可用于电力工业、电子量测、军事或电信等行业的测试和测量。北京汉通达科技有限公司成功研发出660103系列的标准PXI机箱和控制器，并同时代理和推广ZTEC公司的PXI模块化数字示波器和射频仪器等。
2.2 PXI的未来发展
XI已成为用于测量和自动化的工业标准平台之一。促使PXI在测试、控制应用中快速增长的因素很多，包括商业化标准、多种行业的应用（通信、军用/航空、自动化、工业和消费类电子行业等）以及PXI系统联盟和CPCI许多厂商对新产品的大量投资等。而且非常重要的一点是，PXI是一个开放的平台，并以一个高速数据总线为核心；PXI系统不具有排他性，而是可以通过其控制器连接USB, GPIB, LAN等各种总线，从而构建一个满足用户特定需求的混合总线系统。
未来，PXI产品将继续和VXI产品，甚至与一些传统测试测量仪器长期并存。基于以上因素，PXI发展将会更加快速，并将PXI Express技术不断扩展到更多更新的模块化测试测量领域，它的发展趋势主要表现在以下几个方面：
（1）开放性与标准化
开放性和标准化是量测科技发展的一个方向。PXI沿用PC接口操作仪器功能，和PC机同样具有开放性和标准化特点，具备高兼容性、灵活扩展等优点。
（2）高测试吞吐量
测试吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大数据传输速率。具有高测试吞吐量性能就可以提高设备的测量质量，是PXI技术发展要求。
（3）低成本和小体积
减小体积，使用更少仪器完成相同的测量任务是PXI产品的追求目标。低成本、低功耗、便于维护和复用是PXI技术的发展方向。
（4）使用寿命和升级性
测试设备的不断升级、更新换代都要求其具有更长的使用寿命和更好的可升级性，所这科学技术的发展，现有的仪器可不断升级、更新，延长测试设备的使用寿命。
（5）灵活性
灵活性体现在可以将用户定义的系统发布到多种应用中，这是PXI另一重要需求。
3 结束语
综上所述，具有代表性的几种总线技术，如GPIB、VXI、PCI、PXI等都具有它们各自的技术优势、生存空间和应用领域，没有一种总线有实力代替其他所有的总线技术。2005年，以安捷伦公司为首的LXI联盟已推出了LXI（LAN eXtensions for instrumentation）标准，将以太网技术用到仪器仪表领域，这也是一种很有发展前途的总线技术。测试测量行业的主流技术将在众多总线技术中产生，测试测量用户将在激烈的技术竞争中更加受益。PXI将依据其开放性、模块化性、高性能、低成本等特点，得到快速应用，并不断向更新领域扩展。未来测试测量平台也将会是一个多种总线相结合的发展应用趋势。
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