PXIe技術解析：定義、系統組成、信號及應用

發布時間：2025-5-22 11:30 發布者：度緯儀器

總線基礎：串行總線與并行總線

在計算機系統中，總線（Bus）是連接各個功能部件并在它們之間傳送信息的公共通信干線。總線按照信息傳輸的形式，主要分為并行總線和串行總線。

1. 并行總線是并行接口與計算機設備之間傳遞數據的通道。在并行總線上，每個數據位都需要單獨一條傳輸線，所有的數據位同時進行傳輸。這種總線類似于一條允許多輛車并排開的寬敞道路，因此能夠在同一時刻傳輸多位數據，適用于短距離的高速數據傳輸。

2. 串行總線則是通過收發器將數據發送到外部線纜或從外部線纜讀取數據，數據按位依次讀取。在串行總線上，數據是時分復用在一根或幾根線上傳輸的，這可以大大減少所需的走線數量。串行總線如同一條只容許一輛車行走的狹窄道路，在同一時刻只能傳輸一個數據，常用于遠距離通信或低速設備間的數據傳輸。

PCI、PCIe與PXI的關系及演化

1. PCI（Peripheral Component Interconnection）：PCI是Intel公司于1991年推出的局部總線標準，是一種32位的并行總線（可擴展為64位），總線頻率為33MHz（可提高到66MHz），最大傳輸速率可達528MB/s。其結構簡單、成本低、設計容易，但總線帶寬有限，多個設備共享總線帶寬會導致性能下降。

2. PCIe（PCI Express）：PCIe是PCI-SIG在PCI之后推出的高速串行總線，已經發展和定義了六代，每一代常用Gen來表示。PCIe的主要優勢是數據傳輸速率高，總線帶寬獨享。不同通道數量的PCIe裝置之間的連接稱為連結（Link），每個連結可以有多條通道（Lane），常見的通道數量為x1、x4、x8以及x16。隨著版本的升級，數據傳輸速率不斷提高，例如PCIe 3.0的最大傳輸速率可達1GB/s。

3. PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）：PXI是由National Instruments（NI）公司在1997年提出的，基于CompactPCI并加入觸發信號與時鐘信號的測量和自動化平臺。它結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，適用于試驗、測量與數據采集場合。PXI繼承了PCI的電氣信號，具有高達132MB/s到528MB/s的傳輸性能。

4. PXIe（PXI Express）：2005年，在CompactPCI Express的基礎上加入觸發信號與時鐘信號，提出了PXIExpress標準。PXIe使用PCI Express串行接口，提供了更高的數據傳輸速度和更強大的系統擴展能力。

PXIe的定義

PXIe（PCI Express Extensions for Instrumentation）是一種基于PCI Express總線的開放式標準，主要用于工業自動化和測試測量等領域。PXIe結合了PCI Express的高速數據傳輸能力和PXI平臺的堅固性和模塊化特性，形成了適用于高性能測試和測量應用的機械、電氣和軟件規范。

與傳統的總線相比，PXIe在數據傳輸速率、模塊化擴展能力、時間同步精度和可靠性等方面具有顯著優勢。PXIe系統的數據傳輸速率可以達到高達數GB/s，遠超過傳統總線的性能，同時提供了靈活的模塊化擴展能力，使得用戶可以根據實際需求定制系統配置。

PXIe系統的組成

一個PXIe系統通常由以下幾個關鍵組件組成：

機箱：提供堅固的外殼和背板設計，用于安裝和保護所有外設模塊。機箱還提供了必要的電源和散熱系統，以確保系統的穩定運行。
背板：背板是PXI系統的核心組件之一，它提供了多個PXI插槽和通信總線（PCI總線），用于連接外設模塊。背板還負責模塊之間的數據傳輸和通信。
控制器：控制器是PXI系統的“大腦”，負責系統的控制和管理。它通常配備高性能的多核處理器和大容量的存儲設備，以滿足復雜的測量需求�？刂破骺梢酝ㄟ^PCI接口與計算機進行通信，實現數據的傳輸和處理。
外設模塊：外設模塊是PXI系統的功能單元，提供各種測試和測量功能。這些模塊可以根據需求靈活組合，構建完整的測試系統。常見的外設模塊包括數據采集卡、模擬量輸入輸出卡、數字量輸入輸出卡等。

在PXIe系統中，機箱中的背板提供了各個模塊之間的電氣連接，確保數據的高速、可靠傳輸。系統控制器作為系統的核心，負責運行測試軟件，控制外設模塊的操作，并處理采集到的數據。

PXIe的信號

PXIe除了繼承PCIExpress的高速數據傳輸能力外，還定義了一些與測試有關的信號線，如電源管理（Power）、觸發總線（Trigger Bus）、星型觸發（Star Trigger）和時鐘信號線（PXIe_Clk100）等。這些信號線為多個儀器模塊的同步和觸發提供了便利。

1. 100MHz參考時鐘：PXIe規格定義了一個低歪斜（Low Skew）的100MHz參考時鐘，位于背板上，并分布至每一個外設槽，確保每個外設槽所接受的時鐘信號相位一致。

2. 局部總線：在每個外設槽上，PXIe定義了局部總線，連接相鄰的左方及右方外設槽，用于傳送數字信號和模擬信號。

3. 星型觸發：在特定的外設槽（如2號槽）上，定義了星型觸發信號線，允許在同一時間向多個儀器模塊發送觸發信號。

此外，PXIe還保留了PXI平臺的10MHz參考時鐘和局部總線等信號，以確保與現有PXI系統的兼容性。

PXIe的應用

憑借其高性能、模塊化和靈活性，PXIe在多個領域得到了廣泛應用：

工業自動化：PXIe系統能夠實時監測和控制生產線上的各種設備，提高生產效率和產品質量。
測試測量：在半導體測試、軍用電子測試、消費電子產品測試等領域，PXIe系統提供了高精度、高速度的數據采集和分析能力。
硬件在環測試：在汽車電子、航空航天等行業中，PXIe系統能夠模擬實際工作環境，對控制系統進行實時測試和驗證。
射頻和通信測試：PXIe系統支持高速數據采集和實時信號處理，適用于無線通信、雷達等領域的測試應用。

結語

PXIe作為一種高性能、模塊化的測試和測量平臺，結合了PCI Express的高速數據傳輸能力和PXI平臺的堅固性和模塊化特性。通過了解總線的基礎知識，特別是串行總線和并行總線的差異，我們可以更好地理解PXIe系統的組成、信號和應用。隨著技術的不斷發展，PXIe將在更多領域發揮重要作用，推動工業自動化和測試測量技術的不斷進步。

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