應用於自動化測量的PXI和VXI平台

隨著PXI模組化儀器逐漸得到廣泛採用,原來的VXI用戶、系統開發人員和供應商自然會有很多疑問:PXI是否將替代VXI?對具體應用究竟什麼平台最好?為什麼需要不同的模組化儀器結構?本文將對這兩種結構進行比較,以加深工程師們對PXI和VXI的理解,為選擇適合自身應用的平台提供參考。

PXI標準定義了一個用於測試、測量和控制的小型化模組化PC平台,它基於PCI匯流排,該匯流排已成為推動目前桌上型電腦軟硬體設計發展的事實標準。PXI採用CompactPCI規格,規格定義了嚴格的PCI外形尺寸,可提供優良的機械完整性,易於進行硬體的安裝和拆除。PXI作為一種基於電腦的平台,它建構在PCI匯流排上,其優點包括向最終用戶提供更低的成本,同時性能在不斷增強,並且可以應用主流軟體模型。

VXI基於VMEbus,它繼承了VME模組化系統方法,同時增加儀器方面的擴展功能,與舊的疊架式GPIB系統相較,VXI成功地縮小了尺寸並增加儀器系統的整合度。但因為VXI基於老式VME匯流排,它不是現代電腦主流結構,所以不能利用最新的PC技術,無法讓最終用戶使用主流軟體,也沒有低成本和高性能等優點。

 

業界要求一種基於現代電腦技術的模組化結構,既包含傳統的測量功能,又整合了機器視覺、運動控制及自動化,因此PXI很快被採用為產業標準。圖1顯示了VXI和PXI標準聯盟最初三年成員公司的數目,圖2則是VXI和PXI各標準最初四年供應商所提供的商用產品數量。 VXI主要用於滿足高階自動化測量要求,它在軍事/導航測試應用和Qualcomm製造測試應用中取得了很大的成功。但是VXI始終沒有成為主流應用,主要是因為它的成本太高並且難以整合。此外,許多VXI供應商在這種模組上一直使用的分析方法不能發揮出VXI技術的性能優點,因為VXI模組上用於分析的板上處理器不能充分應用VXI所提供的頻寬,造成這些缺點的原因之一是最根本的匯流排結構VME沒有被測量和自動化以外的主流業界所採用。另一方面,基於PCI匯流排的PXI則利用了主流PC技術的最新成果,可提供規模經濟成本優勢和通用電腦所具有的各種性能優點。

市面上現有1,000多種不同的VXI模組,這類模組已被證明是一種有效的技術,適用於現代自動化製造和測試,因為現代製造與測試需要一個能夠將機器視覺和運動控制與傳統電氣/電子測試整合在一起的平台。PXI則提供了更為廣泛的測量和控制平台,同樣能將測量和機器視覺及運動控制功能加以整合。此外,PXI還可透過諸如LabVIEW Real-Time之類的主流軟體為用戶提供即時測量和控制能力。因此PXI被廣泛使用在多種應用中,如ATE、迴路硬體、設計驗證和模擬應用等等。

PXI與VXI技術比較

應用顯示,VXI儀器規格非常經用,而且也很成功,PXI和VXI一樣,定義了許多相同的擴展功能用於測量儀器。VXI和PXI的主要區別在於根本的匯流排結構不同,VXI基於VMEbus,而PXI基於桌上型PC普遍使用的PCI匯流排,這使PXI在匯流排頻寬方面具有一定優勢,標準PCI工作於132MBps速率,而標準VME只有40MBps。使用PCI的另外一個好處是可以製造出低成本的產品,因為全球支援PC的上千供應商有很多現成的元件和軟體。最後,由於尺寸小,PXI可提供一個公用平台,用於可攜式、桌上型和機架固定式裝置中。表1是PXI和VXI與其它主要儀器平台GPIB及桌上型PC的比較。

 

雖然PXI定義中有很多與VXI規格相同的特性,但定義的方式並不完全一樣,現在我們來看一看其中不同之處。

◆EMI
VXI規格要求所有VXI模組必須用金屬屏蔽密封,以防止訊號輻射或受到系統中不同模組之間的相互影響。這是一個很高的要求,屏蔽模組增加了VXI模組的成本,即使產品本身並不需要這樣。PXI規格也專門規定了PXI產品必須符合輻射要求,包括歐洲的CE規格,但PXI不要求對每個模組進行金屬屏蔽,PXI供應商只需屏蔽模組上的感應元件即可,因為EMI會影響其工作和測量的精密度。

◆電源
VXI在底板定義了很多額外電源,以便儀器開發人員在設計中使用,包括+5、-5.2、-2、±12和±24V,但在許多場合這些電源根本用不到。必須使用昂貴的多工輸出電源提高了VXI主機的成本,並增加VXI系統散熱量。而PXI的主機是基於PCI匯流排的,所規定的電壓更適合於先進的低功耗積體電路。PXI使用的電壓(+5、+3.3,±12V)可以由較便宜的常用電源來提供,這使PXI主機成本更低,並能減少模組散熱量,最重要的是可在PXI模組中很容易地使用最新IC。

◆冷卻
VXI和PXI規格都要求強制空氣冷卻,使空氣從模組底部流向頂部。由於一般情況下VXI模組比PXI模組消耗的功率更多,所以VXI系統通常需要考慮更強的冷卻。

◆控制器結構
所有VXI控制器必須包括存取TTL觸發器線路和CLK10訊號的電路,早期VXI控制器設計使用VME介面晶片和分離電路來實現VXI的特定性能,隨著VXI控制器設計成熟,VXI控制器供應商如NI設計了ASIC來處理這些複雜的功能。PXI則使用一種模組式控制器結構,將PXI的儀器專用元件從控制電腦中分離出來,以降低成本。例如用一個位於PXI機架槽2中,稱為星形觸發器控制器,是專為模組底板提供10MHz時脈,而槽1控制器就不需要再提供時脈。採用這種模組式結構後,只有那些需要觸發器匯流排和星形觸發器匯流排複雜時序和同步的用戶,在需要時才購買這部份功能,不需要這些特性的PXI用戶則不必為此支付費用。此外,因為PXI控制器使用主流PCI技術,所以設計比較容易,製造費用低,並能用上最新的處理器。

 

◆供貨情況與價格
入閘級VXI系統在常規配置下價格在1萬美元以上,與之相較,PXI價格僅為3千美元。VXI可提供1,000多種產品,PXI有700多種產品,但另外有1,000多種CompactPCI產品可供使用。帶新功能的VXI模組數量近幾年一直在下降,而PXI模組的供貨量卻成長了100%以上。電腦和測量技術方面的進步使創新公司能夠提供PXI形式的高性能產品,在航空電子匯流排領域,多數新產品都是先用PXI/CompactPCI來開發的,這種趨勢在測試和測量業也很明顯,大多數新的創新測量產品、交換器、DSP、機器視覺和運動控制模組等都是首先而且常常是只用PXI/CompactPCI進行開發。

◆尺寸
在許多產業和系統中,尺寸至關緊要,PXI的面積在所有開放式結構中是最小的。VXI在上世紀70年代有效減少大型機架堆疊系統尺寸上獲得很大成功,但隨著技術進步,IC性能越來越高,尺寸也越來越小。儘管VXI規定了A、B、C、D四種尺寸,但大多數VXI模組還是採用C型系統,沒有充分利用小型化技術的優點製作出更小的VXI系統。而PXI基於主流PC技術,可充分利用小型化最新技術,因此PXI能將大型測試系統的尺寸減少至一個新的水平。

◆整合度
由於認識到用‘疊架’方法搭建高整合測試系統的缺點,VXI定義了一個標準介面用於卡式模組儀器。在VXI中,各儀器共享一塊含系統控制器的VEM底板,通常該控制器是一個帶用戶VXI介面的電腦,此外VXI還需要一個類似‘資源管理器’的軟體來配置系統,這會使VXI系統開發時間延遲,因為VXI系統整合工程師需要先學習使系統整合的VXI軟體。由於VXI和VEM沒有用在測試、測量及控制以外的領域,所以PC軟體方面的成果不易用在它的上面。新工程師需要進行廣泛培訓以理解VXI/VME編程規則,因而VXI不能夠充分利用通用電腦硬體和軟體方面的進步。

PXI基於PCI匯流排,可為最終用戶帶來性能和整合度方面的優點,PXI設備能被作業系統自動認別,整合PXI系統的工程師可使用標準PC上的熟悉工具。除了作為一個高性能平台外,PXI還具有模組易於整合的優點,因為所有PXI模組都使用公用軟體結構。

◆PXI與VXI協同
因為PXI基於PC技術,所以它能利用現有的VXI/VME、GPIB、串列埠或乙太網路儀器。MXI是一種匯流排連接技術,可以從PXI機架或者直接從一個桌上型PC機的PCI槽連到VXI上(圖3)。

在有些場合可能需要修改或更新現有VXI系統,此時不必再買新的VXI控制器,將資金投入到PXI機架和控制器上來控制VXI系統可能更加有效,這樣既能繼續使用已有的VXI系統,又可在需要時用低成本高性能PXI儀器替代老式VXI儀器。

對於那些非常專用的儀器,以及只能用VXI模組或完全圍繞VXI來構造的系統,PXI也有一個很有用的做法,使用戶不必扔掉當初在VXI上的投資,PXI和MXI-3在提供擴展VXI系統功能的同時,讓用戶把資金投放在一個全新正發展的技術平台上。

本文結論

VXI是一個功能強大的高階平台,在很大程度上達到了1987年標準體所提出的要求。雖然VXI仍能提供高階解決方案,但VXI的優點正越來越被PC和能更好利用PCI匯流排及即插即用配置等現代PC技術的平台所超過。

因為PXI利用了先進的PC技術,比VXI性能提高更快,成本也低得多。在決定未來系統結構時,或者對一個已有VXI系統增加功能時,PXI可提供一個產業標準平台,這個平台能夠保證性能不斷成長並在未來維持其強大的功能。

作者:Chandran Nair
亞太區經理
National Instruments Corp.
E-mail: [email protected]

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