PXI平臺簡介與高速量測模塊同步的探討

分類：解決方案日期：2007-01-30 00:00:00

隨著電子制造技術的日益發展，集成電路的功能變得越來越復雜，而體積卻越來越小，因此對制造測試電子元件的廠商而言，如何以最快的時間建造出最具競爭力的測試平臺，的確是一門不小的學問。
1960年代末期，Hewlett-Packard設計出了所謂的HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)作為獨立儀器與計算機之間的溝通通道。由于其高速的數據傳輸率（對當時而言），很快便廣為大家所接受，因此后來IEEE便將此接口更名為GPIB(General Purpose Interface Bus)。然而為了應付更為復雜的測試環境與挑戰，GPIB便顯得捉襟見肘。1987年VXI協會成立，并制訂了所謂instrument-on-a-card的標準，也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。VXI以其模塊化而且堅固的架構為量測與自動化產業帶來不少的好處。
近十年來，隨著個人計算機的劇烈革命與普及，以PCI Bus為架構的儀器模塊大為發展。因此1998年PXI System Alliance（PXISA）成立，讓PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）成為一個開放的標準架構。PXI的平臺不僅具有類似VXI的開放架構與堅固的機構外型，更由于其設計了一連串適合儀器開發所用的同步信號，而使得PXI更適合作為量測與測試自動化的平臺。
本文主要介紹在PXI平臺下，如何利用PXI的優點，進行量測儀器模塊之間精密而且快速的同步動作。內容包含PXI的簡介與說明、量測儀器模塊常用的同步信號以及應用實例。
PXI簡介
測試系統制造商的工程師會問，什么是PXI？以PXI的儀器模塊和PXI系統做開發平臺會有什么好處？和CompactPCI或PCI有哪些不同？首先，我們想利用PXI平臺作為量測儀器的平臺，那么就得先知道PXI平臺的架構與其優點，這樣才能與儀器模塊配合，發揮出最大的效益。
簡單來說，PXI是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI為基礎再加上一些PXI特有的信號組合而成的一個架構。PXI繼承了PCI的電氣信號，使得PXI擁有如PCI bus的極高傳輸數據的能力，因此能夠有高達132Mbyte/s到528Mbyte/s的傳輸性能，在軟件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和CompactPCI一樣的機械外型結構，因此也能同樣享有高密度、堅固外殼及高性能連接器的特性。PXI與CompactPCI相互關系如圖一所示。

圖一：PXI與CompactPCI的相互關系
一個PXI系統由幾項組件所組成，包含了一個機箱、一個PXI背板（backplane）、系統控制器（System controller module）以及數個外設模塊（Peripheral modules）。在此以一個高度為3U的八槽PXI系統為例，如圖二所示。系統控制器，也就是CPU模塊，位于機箱的左邊第一槽，其左方預留了三個擴充槽位給系統控制器使用，以便插入因功能復雜而體積較大的系統卡。由第二槽開始至第八槽稱為外設槽，可以讓用戶依照本身的需求而插上不同的儀器模塊。其中第二槽又可稱為星形觸發控制器槽（Star Trigger Controller Slot），其特殊的功能將于后面的文章中說明。

圖二：典型3U高度的PXI系統架構。背板上的P1接插件上有32-bit PCI信號，P2接插件上則有64-bit PCI信號以及PXI特殊信號。
那么前面所說的PXI特有的信號又是什么呢？PXI的信號包含了以下幾種，其完整的架構如圖三所示。

圖三：PXI信號架構
1、10MHz參考時鐘(10MHz reference clock)
PXI規格定義了一個低歪斜(low skew)的10MHz參考時鐘。此參考時鐘位于背板上，并且分布至每一個外設槽（peripheral slot），其特色是由時鐘源（Clock source）開始至每一槽的布線長度都是等長的，因此每一外設槽所接受的clock都是同一相位的，這對多個儀器模塊的同步來說是一個很方便的時鐘來源。基本的10MHz參考時鐘架構如圖四所示。

圖四：PXI 10MHz參考時鐘架構
2、局部總線（Local Bus）
在每一個外設槽上，PXI定義了局部總線以及連接其相鄰的左方及右方外設槽，左方或右方局部總線各有13條，這個總線除了可以傳送數字信號外，也允許傳送模擬信號。比如說3號外設槽上有左方局部總線，可以與2號外設槽上的右方局部總線連接，而3號外設槽上的右方局部總線，則與4號外設槽上的左方總線連接。而外設槽3號上的左方局部總線與右方局部總線在背板上是不互相連接的，除非插在3號外設槽的儀器模塊將這兩方信號連接起來。局部總線架構如圖五所示。

圖五：PXI局部總線架構
至于最左方外設槽(2號)的左方局部總線要連接到哪里呢？是連接到系統槽嗎？不是，這一槽的左方局部總線另有用途，稍后會再說明。
3、星形觸發（Star Trigger）
前面說到外設槽2號的左方局部總線在PXI的定義下，實被作為另一種特殊的信號，叫做星形觸發。這13條星形觸發線被依序分別連接到另外的13個外設槽（如果背板支持到另外13個外設槽的話），且彼此的走線長度都是等長的。也就是說，若在2號外設槽上同一時間在這13條星形觸發在線送出觸發信號，那么其它儀器模塊都會在同一時間收到觸發信號（因為每一條觸發信號的延遲時間都相同）。也因為這一項特殊的觸發功能只有在外設槽2號上才有，因此定義了外設槽2號叫做星形觸發控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。請看圖六的星形觸發架構說明。

圖六：PXI Star Trigger架構
4、觸發總線（Trigger Bus）
觸發總線共有8條線，在背板上從系統槽(Slot 1)連接到其余的外設槽，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個共享的溝通管道。這個8-bit寬度的總線可以讓多個儀器模塊之間傳送時鐘信號、觸發信號以及特訂的傳送協議。
PXI儀器模塊的同步應用介紹
談完PXI的特殊專有信號后，我們可以了解PXI系統只是提供了一個方便簡潔的環境供用戶使用，如何去運用這些信號，則必須與儀器模塊搭配，才能真正發揮PXI系統的優點。綜觀目前各家儀器模塊廠商所能提供的PXI儀器模塊，已經達到數百種可以選擇，而不同種類的儀器也有不同的連接架構與方法。在此我們將以應用實例來說明如何利用PXI特有的信號，來達成同步的要求。
實例說明：某種檢測設備用來探測待測物體的結構，這種設備具有8個傳感器，用來感應待測物體所傳回的信息，并且以模擬信號送出其結果，其信號頻率在7.5MHz左右。由于這8個信號互相有時間上的關系，因此當我們量測這8個傳感器信號時必須要同一時間開始采集，并且采樣時鐘要同一相位，否則運算的結果會有誤差。另外此檢測設備在傳感器開始傳送信號時，同時會有數字觸發信號輸出，其數字與模擬信號關系如圖七所示。

圖七：檢測設備的輸出時序圖
面對前述的量測需求，我們必須選擇一個合適的量測模塊，才能達到系統的要求。首先傳感器所回傳的信號頻率為7.5MHz，因此根據奈氏采樣定理，量測模塊的采樣頻率必須在15MHz以上，且模塊本身的輸入頻寬必須比7.5MHz高上許多，才不會造成輸入信號的衰減。綜觀以上條件，我們選擇凌華科技推出的PXI-9820作為量測模塊。PXI-9820為一高速的數據采集模塊，本身具有兩個采樣通道，其采樣率高達65MS/s，前級模擬輸入頻寬高達30MHz。另外PXI-9820本身配有鎖相環電路(PLL)，可以對外界的參考時鐘進行相位鎖定。PXI-9820也可通過PXI的Star Trigger，對其余13個外設槽傳送高度精密的觸發信號。因此PXI-9820十分適合用在這一個應用里。

有了適合的量測模塊之后，我們要開始規劃如何進行量測。首先，由于共有8個傳感器需要進行量測，而一個PXI-9820只有2個采樣通道，因此我們需要4片PXI-9820。其次量測規格要求各通道采樣的相位要相同，因此每一張量測模塊的時鐘必須進行同步。由于每一片PXI-9820本身有板載采樣時鐘，因此其時鐘無法保證都同相位。我們利用PXI背板所提供的10MHz參考時鐘作為PXI-9820的外界參考時鐘輸入，利用PXI-9820本身的鎖相回路電路進行時鐘的相位鎖定。圖八是各片儀器模塊的采樣時鐘不同步的情況。圖九則為經過PLL鎖相之后的時鐘結果。

圖八：不同步的采樣時鐘

圖九：同步的采樣時鐘
最后，由于檢測設備在開始傳送傳感器的模擬數據時，會一并送出數字觸發信號，我們將此觸發信號當作每一片PXI-9820的觸發條件。不過如何讓這一個觸發信號能精確的同時到達每一張PXI-9820呢?我們將其中1張PXI-9820插入Star Trigger Controller槽位，利用這一槽特有的Star trigger，傳送給其余的3張PXI-9820以達到最精確的觸發時間。
結論
利用PXI儀器模塊與PXI平臺作為量測與測試平臺，不僅可以充分利用PCI的高速傳輸特性，以及繼承用戶原本就已熟悉的軟件平臺，更可以利用PXI所提供的觸發信號來完成更精密的同步功能。全球各地的PXI開發廠商更為用戶提供了數百種的量測測試儀器模塊，讓用戶可以以最方便、快速及經濟的方式完成適合本身應用的PXI系統。本文清楚的說明了PXI信號，并且以一簡單的例子說明如何以PXI信號進行儀器模塊之間的同步。希望能給予準備開發PXI系統的用戶一個初步的了解。