PXI技術概覽
PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）不僅是一個總線技術，同時也是一個基于PC技術的模塊化I/O的標準，為基于PC技術的自動化測試測量與控制系統架構添加了集成的定時和同步功能、工業級的堅固設計，以及更多的通道數。自1997年由NI公司提出以來，現在PXI已經成為一個受到全球超過70家廠商共同支持的標準。
通常一個PXI系統由機箱、控制器與模塊化I/O三部分所組成（見圖1）。在PXI標準中，針對模塊化儀器和CPU之間數據傳輸的核心內部數據總線是帶寬達到132MB/s的PCI總線。此外，PXI標準設計中需要一個專用的定時和觸發總線，以進行不同模塊之間的同步（見圖2）。使用PXI架構，用戶可以得益于PC技術的低成本、易用性以及靈活性，并且便于隨PC技術發展為系統進行性能升級。無論您是準備構建一個儀器平臺、數據采集系統、自動化測試系統、工業自動化系統、或是實時控制系統，PXI的開放式工業標準特性都能夠幫助降低系統的總成本和開發時間，增強系統性能和帶寬，使系統集成工作變得輕松簡單，同時確保系統具有長期可維護性。
圖1 典型的PXI系統組成
圖2 PXI背板集成的數據總線與定時/觸發總線
PXI的廣泛應用
PXI標準由PXI系統聯盟（PXISA）進行管理，這是一個由世界各地超過70家公司共同簽約的聯盟，其宗旨是為了推動PXI標準的應用，保證標準的交互操作性，并維護PXI規范。隨著PXI已成為一個標準平臺，一些世界領先的測試系統供應商也將他們的測試解決方案轉向PXI平臺，包括NI、Agilent、Pickering在內的許多測試設備廠商均已將PXI視為模塊化儀器的主流標準。據PXI聯盟統計，截止2010年5月，全球已部署的PXI系統已經超過10萬套，而部署的模塊更是多達60萬個以上。PXI已成為主流的自動化測試平臺。
70余家PXISA成員現在提供超過1500種PXI外圍模塊，包括模擬和數字I/O、高速儀器、視覺系統、運動控制、各類總線接口，以及基于FPGA可重配置的I/O模塊等。用戶可以根據需要選擇相應的模塊靈活構建自動化測試或控制系統。除了齊備的功能之外，PXI更是一個高性能平臺，許多業內最高性能的儀器設備都是基于PXI平臺的，包括高達24位分辨率的數字化儀（NI PXI-5922）、最精確的71/2位數字萬用表（NI PXI-4071）、具有超低相位噪聲和底噪的矢量信號分析儀（NI PXIe-5665）等等。由于PXI的模塊化特性，便于廠商在第一時間利用最新技術（如最新ADC、ASIC、FPGA等）推出新產品，從而使PXI用戶在最大程度保持投資的同時可以通過模塊升級享受最新技術帶來的性能提升。
作為PXI標準的提出者和倡導者，NI在過去13年中發布了超過400種PXI產品，僅在2010年就發布了48款PXI新產品，不斷拓展基于PXI的模塊化測試系統性能和應用范圍；同時不斷為PXI平臺引入最新商用技術（如最新多核處理器、PCI Express、FPGA等），并持續對PXI產品提供軟件（包括驅動）的升級維護以及技術支持。
從消費電子、半導體、汽車、軍事和航空，到醫療設備測試等等，PXI已經成為一系列測試測量應用的理想平臺。無論應用于設計驗證，還是生產線測試的機架式應用，或是為車載數據記錄開發便攜式或嵌入式系統，PXI都有合適的解決方案。
PXI Express–將PCI Express技術整合到PXI背板
作為最新的PC總線技術，PCI Express在與PCI保持兼容的同時，提供更高的總線帶寬，同時擁有非常低的傳輸延遲，這一點在LAN、USB和GPIB等其他設備上都是無法同時實現的。在x1的模式下，PCI Express能夠在一個基本通信通道的單個方向上提供250Mb/s的帶寬，而在x16的模式下，帶寬更可以高達4Gb/s。與PCI的共享總線帶寬不同，基于PCI Express的I/O設備與CPU之間的通路帶寬可以是獨享的，從而進一步增加了系統的總帶寬。
圖3 所有PCI Express插槽具有專用的帶寬來連接PC內存，無須像傳統PCI那樣共享帶寬
依靠高性能、模塊化的硬件架構以及良好的兼容性，PCI Express已經有能力解決許多測試測量應用中的新問題。而之前這些問題都只能依靠昂貴的專用設備，例如通信系統測試中的高帶寬IF儀器、高速數字協議接口（包括基于LVDS的專用協議、CameraLink、以及其他接口）、多通道高速數據采集系統等。
NI繼將PCI技術帶入基于PC的測量和測試應用之后，又將PCI Express技術整合到PXI中，推出PXI Express，同時確保對原有PXI平臺提供長期支持。通過在背板上利用PCI Express技術，PXI Express大大提高了PXI帶寬，且與PXI模塊保持軟件和硬件上的兼容性（PXI Express定義的“混合插槽”允許在同一個插槽中安裝PXI或PXI Express模塊）。除了PXI現有的定時和同步功能，PXI Express還提供了附加的定時和同步功能，包括100MHz差分系統時鐘、差分信號、以及差分星形觸發（見圖4）。通過使用差分時鐘和同步，PXI Express系統增加了對儀器時鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時鐘信號。
圖4 在PXI平臺現有功能的基礎上，PXI Express提供了附加的定時和同步功能，實現了更高精度的測量
此外，PCI Express還引入Peer-to-Peer的通訊方式，使得系統中的不同PCI Express模塊之間可以不經過控制器直接進行數據傳輸。NI已將這一技術運用于PXI Express系統，相關硬件和軟件支持PXI模塊之間數據的直接傳輸——例如，PXIe數字化儀可以將采集到的數據直接通過背板傳輸給帶有FPGA的PXIe模塊進行自定義處理，從而進一步提高系統的數據傳輸和處理能力。
以PXI/PXI Express為核心構建混合總線測試系統
開放的PXI/PXI Express平臺也提供用于與VXI系統或分立儀器進行通信的標準硬件和軟件，包括GPIB、USB、LAN、Serial等接口。事實上，許多實際的測試系統都不是基于單一總線的，而是一個混合總線系統，比如既有PXI設備，又有基于GPIB的傳統儀器，但是PXI更適合作為這種混合總線系統的核心。一方面，作為一種內部總線，PXI具有最大的數據傳輸速率和最低的延時，保證其不會成為整個系統數據傳輸的瓶頸；另一方面，PXI平臺的硬件基于標準PC技術（如PCI/PCI Express總線、通用的CPU和外圍設備，同時主流的Windows軟件構架對用戶來說也非常熟悉），基于PXI系統進行自動化測試系統的開發和操作就像使用標準的基于Windows的PC機一樣方便，也便于升級維護。NI一直免費提供業內最大的儀器驅動程序庫，并持續對其進行更新。任何人只要訪問ni.com/idnet即可下載8000多種儀器驅動程序，快速實現與基于各種總線的第三方設備之間的連接通信。
圖5 以PXI為核心構建自動化測試系統
軟件與服務的重要作用
盡管PXI具有顯而易見的靈活性與開放性優勢，但相比傳統儀器，基于PXI的模塊化儀器需要廠商能提供更好的軟件支持與技術服務。許多模塊化儀器都被用于實現自動化測試系統，這就要求廠商能夠提供靈活易用的應用程序接口(API) 以及應用開發環境，從而在集成系統中充分發揮模塊化I/O的硬件性能。針對某些特殊應用（如視頻測試、半實物仿真等），如果廠商能提供專業軟件工具，就可以進一步幫助用戶高效實現應用系統的開發。針對這一情況，NI提出了實現自動化測試系統的五層參考架構（見圖6），其中上面三層均是軟件層次。NI在每個層次都可以為用戶提供合適的選擇。
圖6 以軟件為核心的模塊化測試系統五層架構
此外，由于PXI系統往往需要經過用戶或集成商的二次開發以滿足具體的應用需求，因此，供應商是否具備足夠的行業經驗、能否提供良好的技術支持與服務也成為用戶選擇PXI產品時的重要考慮。
總結與展望
PXI作為測試和測量應用的一個標準平臺，利用現成即用的商業技術提升了測試系統的性能，同時降低了系統的成本。標準化的商業技術使PXI系統以驚人的速度在測試和控制應用領域得到廣泛的接受，已成為這一領域的主流平臺。同時隨著PXI新產品功能的日益豐富，各種新應用不斷被開辟。PCI Express技術是PXI未來發展的大方向，在保證向后兼容性的同時，必將使平臺擴展到更多的應用領域中。
同時，PXI標準本身也在不斷發展。去年年底通過的PXImc(PXI MultiComputing)規范中定義了通過PCI Express背板或線纜直接連接PXImc設備（可以是PXI控制器或其他設備）的方式，從而可以在同一PXI機箱中載有多個控制器，或者直接通過PCI Express連接不同的PXI系統或其他設備，進而滿足復雜運算或分布式應用的需求。PXImc在保證向后兼容的同時進一步擴展了PXI的應用范圍，我們期待開放的PXI技術在未來有更廣闊的發展空間。