PXI平臺簡介與高速量測模塊同步之探討

1、    PXI平臺簡介與高速量測模塊同步之探討前言隨著電子制造技術的日益發(fā)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(shù)據(jù)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(前言隨著電子制造技術的日益發(fā)展，集成電路的功能變得越來越復雜，

2、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(shù)據(jù)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(huán)境與挑戰(zhàn)，GPIB便顯得捉襟見肘。1987年VXI協(xié)會成立，并制訂了所謂instrument-on-a-card的標準，

3、也就是VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation)。VXI以其模塊化而且堅固的架構，的確為量測與自動化產(chǎn)業(yè)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(fā)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(fā)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。本文主要目的是介紹在PX

4、I平臺下，如何利用PXI的優(yōu)點，進行量測儀器模塊之間精密而且快速的同步動作。內(nèi)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(tǒng)制造商的工程師會問，什么是PXI？以PXI的儀器模塊和PXI系統(tǒng)做開發(fā)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(yōu)點，這樣才能與儀器模塊配合，發(fā)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

5、了PCI的電氣信號，使得PXI擁有如PCI bus的極高傳輸數(shù)據(jù)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(tǒng)由幾項組件所組成，包含了一個機箱、一個PXI背板（backplane）、系統(tǒng)控制器（System controller module）以及數(shù)個外設模塊（Peripheral modules）。在此以一個高度為3U的八

6、槽PXI系統(tǒng)為例，如圖二所示。系統(tǒng)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(tǒng)控制器使用，以便插入因功能復雜而體積較大的系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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

7、三所示。圖三 PXI信號架構1. 10MHz參考時鐘(10MHz reference clock)PXI規(guī)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?；镜?0MHz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

8、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(shù)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(tǒng)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(fā)（Star Trigger）前面說到外設槽2號的左方局部總線在PXI的定義下，

9、實被作為另一種特殊的信號，叫做星形觸發(fā)。這13條星形觸發(fā)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(fā)在線送出觸發(fā)信號，那么其它儀器模塊都會在同一時間收到觸發(fā)信號（因為每一條觸發(fā)信號的延遲時間都相同）。也因為這一項特殊的觸發(fā)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(fā)控制器槽（Star Trigger Controller Slot）。請看圖六的星形觸發(fā)架構說明。圖六 PXI Star Trigger架構4. 觸發(fā)總線（Trigger Bus）觸發(fā)總線共有8條線，在背板

10、上從系統(tǒng)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(fā)信號以及特訂的傳送協(xié)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(tǒng)只是提供了一個方便簡潔的環(huán)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(fā)揮PXI系統(tǒng)的優(yōu)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(jīng)達到數(shù)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

11、測物體的結構，這種設備具有八個傳感器，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。由于這八個信號互相有時間上的關系，因此當我們量測這八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(shù)字觸發(fā)信號輸出，其數(shù)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(tǒng)的要求。首先傳感器所回傳的信號頻率為7.5MHz，因此根據(jù)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

12、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(shù)據(jù)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(huán)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(fā)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(guī)劃如何進行量測。首先，由于共有八個傳感器需要進行量測，而一個PXI-9820只有兩個采樣通道，因此我們需要四片PX

13、I-9820。其次量測規(guī)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(jīng)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(shù)據(jù)時，會一并送出數(shù)字觸發(fā)信號，我們將此觸發(fā)信號當作每一片PXI-9820的觸發(fā)條件。不過如何讓這一個觸發(fā)信號能精確的同時到達每一張PXI-9820呢?我們將其中一張PXI-9820插入Star Trigger Controller槽位，利用這一槽特有的Star trigger，傳送給其余的三張PXI-9820以達到最精確的觸發(fā)時間。結論利用PXI儀器模塊與PXI平