PXI平台简介与高速量测模块同步之探讨

前言

随着电子制造技术的日益发展，集成电路的功能变得越来越复杂，而体积却越来越小，因此对制造测试电子元件的厂商而言，如何以最快的时间建造出最具竞争力的测试平台，的确是一门不小的学问。

1960年代末期，Hewlett-Packard设计出了所谓的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作为独立仪器与计算机之间的沟通通道。由于其高速的数据传输率（对当时而言），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)。然而为了应付更为复杂的测试环境与挑战，GPIB便显得捉襟见肘。1987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以其模块化而且坚固的架构，的确为量测与自动化产业带来不少的好处。

近十年来，随着个人计算机的剧烈革命与普及，以PCI Bus为架构的仪器模块大为发展。因此1998年PXI 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的开放架构与坚固的机构外型，更由于其设计了一连串适合仪器开发所用的同步信号，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，进行量测仪器模块之间精密而且快速的同步动作。内容包含PXI的简介与说明、量测仪器模块常用的同步信号以及应用实例。

PXI简介

测试系统制造商的工程师会问，什么是PXI？以PXI的仪器模块和PXI系统做开发平台会有什么好处？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，这样才能与仪器模块配合，发挥出最大的效益。

简单来说，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI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，在软件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和CompactPCI一样的机械外型结构，因此也能同样享有高密度、坚固外壳及高性能连接器的特性。PXI与CompactPCI相互关系如图一所示。

图一 PXI与CompactPCI的相互关系

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（Peripheral modules）。在此以一个高度为3U的八槽PXI系统为例，如图二所示。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使用，以便插入因功能复杂而体积较大的系统卡。由第二槽开始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。其中第二槽又可称为星形触发控制器槽（Star Trigger Controller Slot），其特殊的功能将于后面的文章中说明。

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特殊信号。

那么前面所说的PXI特有的信号又是什么呢？PXI的信号包含了以下几种，其完整的架构如图三所示。

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）开始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方便的时钟来源。基本的10MHz参考时钟架构如图四所示。

图四 PXI 10MHz参考时钟架构

2. 局部总线（Local Bus）

在每一个外设槽上，PXI定义了局部总线以及连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连接，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连接。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互相连接的，除非插在3号外设槽的仪器模块将这两方信号连接起来。局部总线架构如图五所示。

图五 PXI局部总线架构

至于最左方外设槽(2号)的左方局部总线要连接到哪里呢？是连接到系统槽吗？不是，这一槽的左方局部总线另有用途，稍后会再说明。

3. 星形触发（Star Trigger）

前面说到外设槽2号的左方局部总线在PXI的定义下，实被作为另一种特殊的信号，叫做星形触发。这13条星形触发线被依序分别连接到另外的13个外设槽（如果背板支持到另外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号外设槽上同一时间在这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间收到触发信号（因为每一条触发信号的延迟时间都相同）。也因为这一项特殊的触发功能只有在外设槽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说明。