用于结构监测及测试的PXI平台介绍

概览

PXI是一种基于PC的坚固平台,它能为结构测试及监测系统提供高性能的解决方案。PXI把PCI总线与坚固的模块化Eurocard CompactPCI机械封装结合在一起,并具备有专用的同步总线及关键软件特性。此外,PXI还加入了用于定义完整实验室测试系统的机械、电子及软件特性。

本文档是实验室应用结构/地震监测及测试资源包的一部分

目录

1.硬件架构
2.PXI外设模块
3.SCXI
4.软件架构
5.总结

1. 硬件架构

PXI系统包括三个基本组件:机箱、系统控制器、外设模块。


图1. 标准8槽PXI机箱包含嵌入式系统控制器及7个外设模块

(机箱、控制器、模块)

PXI机箱

机箱具有高性能PXI背板,包括PCI总线及定时和触发总线。PXI拥有专用的10MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星型触发总线、及槽对槽的本地总线,可用于高级定时、同步及频带通信,PXI的模块化架构在添加这些功能的同时还保有PCI的优势特性。


图2. PXI定时触发总线 – PXI在底板上结合了工业标准PC组件(如PCI总线)与高级触发同步扩展性

(星型触发总线/ 10MHz时钟 / 系统控制器,星型触发控制器,模块,本地总线,模块,模块 / 132Mbytes/s, 22MH z, 32-bit PCI总线 / PXI触发总线)

在 PXI的性能基础上,PXI Express提供了额外的定时及同步特性,包括100 MHz差分系统时钟、差分信号、及差分星型触发。由于使用了差分时钟及同步信号,PXI Express系统的时钟具有更好的噪声抑制能力,并能以更高的频率传输数据。


图3. PXI Express定时触发总线拓展了PXI定时触发总线的性能,在背板上加入了差分系统时钟、差分信号、及差分星型触发

100MHz差分时钟 / 星型触发,SYNC100,10MHz CLK / PXI Express系统控制器,PXI Express系统定时槽,PXI Express混合外设 x3 / 差分星型触发 / PXI触发总线(8TTL触发)

通过使用上述定时及触发总线,用户可以对要求应用高精度同步的系统进行开发。了解更多PXI定时及触发总线规范,可参考NI开发者园地文档:PXI规范指南。

要深入了解更多关于定时及同步概念的信息,可参考NI开发者园地指南分布式时钟同步及IEEE 1588精确定时协议介绍。

PXI控制器

多数PXI机箱的最左侧的一个槽位是一个系统控制器槽(槽1),用户可以根据自己应用的不同从几种控制器中选择最适合的系统控制器,包括用于桌面、工作站、服务器或笔记本电脑的远程控制器,以及了解安装Microsoft操作系统 (Windows Vista/XP)或实时操作系统(LabVIEW Real-Time)的高性能嵌入式控制器。两种类型的控制器选项为笔记本控制PXI或PC控制PXI。

PXI嵌入式控制器

由于嵌入式控制器不需要外部PC,因此能够在PXI机箱内提供一个完整的系统。嵌入式控制器具有标准的配置如集成CPU、硬盘、RAM、Ethernet、显卡、键盘/鼠标、串口、USB、及其它外设,并安装Microsoft Windows系统及所有设备驱动,在PXI及PXI Express上均可使用。用户还可选择操作系统,包括Windows Vista/XP或LabVIEW Real-Time。

PXI嵌入式控制器是由小型PXI封装的标准PC组件特制而成。例如,NI PXI-8108控制器内置2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400双核处理器,高达4 GB的DDR2 RAM,可选一般硬盘或大容量固态电子盘,并具有标准PC外设,如高速USB、Ethernet、串口、并口等。


图4. PXI-8108控制器内置2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400双核处理器嵌入式控制器

嵌入式控制器是便携式系统的理想选择,整个机箱就是整合了各种功能的“单箱式”系统,可以从一个地方移动到下一个地方。更多信息,可参考NI PXI 控制器资源网页。

笔记本控制PXI

用户可使用NI ExpressCard MXI及PCMCIA CardBus接口套件,通过笔记本电脑上的软件透明链接直接控制PXI系统。在导入过程中,笔记本将所有PXI系统的外设模块识别为PCI板卡,之后所有设备便可在笔记本上控制。笔记本控制PXI由安装在笔记本上的一块ExpressCard/PCMCIA CardBus卡及位于PXI系统的1槽的PXI/PXI Express模块组成,并由铜质电缆连接。


图5. 笔记本控制PXI

NI ExpressCard MXI接口套件提供一条由笔记本电脑至PXI机箱的110 MB/s 的PCI Express - PC桥路。PCMCIA CardBus接口套件具有由笔记本电脑至PXI机箱的一条50 MB/s PCI - PCI桥路。现在用户可以充分利用便携式PXI系统及笔记本控制PXI的优势。您可以选购任何与 NI ExpressCard MXI或PCMCIA CardBus兼容的笔记本来实现远程控制PXI系统。更多信息,请参考笔记本控制PXI资源页面。

PC控制PXI

工作站、或服务器计算机可以通过通过NI MXI-Express及MXI-4接口套件直接控制PXI系统。用户可通过PC上的软件及驱动透明链接控制PXI系统。在启动过程中,计算机将所有PXI系统的外设模块识别为PCI板,之后所有设备便可由控制器控制。PC控制PXI由计算机内置PCI/PCI Express板卡以及位于PXI系统的1槽的PXI/PXI Express module模块组成,并由铜质或光纤电缆连接。


图6a. 双端口MXI-Express板卡远程控制提供同时控制2台PXI机箱,总吞吐率达160 MB/s

MXI-Express接口套件提供了一条由PC至PXI机箱的110 MB/s 的PCI Express - PC桥路。使用双端口NI PXI-PCIe8362接口套件,用户可用一台PC同时控制2台PXI系统。通过MXI-Express接口,用户可以以星型拓扑创建多机箱PCI系统,使用3或7 m铜质电缆连接。该接口兼容x1、x4、x8、x16 PCI Express槽,所以可应用于各类桌面电脑。更多关于MXI-Express的信息,请参考MXI-Express串口用户手册。


图6b. MXI-4远程控制提供PXI及多机箱PXI系统的PC控制

MXI-4接口套件提供了一条由PC至PXI系统的78 MB/s的 PCI – PCI桥路。MXI-4接口套件及低成本铜质链接或光纤链接可提供更好的传输距离及电气隔离性。如图6b,用户可使用MXI-4创建多机箱PXI系统。通过MXI-4链接,用户能以菊花链或星型拓扑创建多机箱系统。更多关于多机箱配置拓扑结构的信息,请参考MXI-4串口用户手册。

通过PXI远程控制器,用户可使用桌面电脑或笔记本远程控制PXI系统, 从而以最小成本大最大化处理器性能。所有远程控制产品都是软件透明的,所以无需额外编程。用户可购买各种桌面电脑、工作站、或服务器电脑,并使用MXI-Express或铜质/光纤MXI-4串口链接远程控制PXI系统。更多信息,请参考PC控制PXI资源页面。

2. PXI外设模块

美国国家仪器公司提供超过200种不同的PXI模块,因为PXI是开放的工业标准,来自于70多个供应商提供的超过1,500种模块均为可用。

美国国家仪器公司提供各类PXI数据采集模块,可与各种动态结构传感器连接,如加速度计和麦克风。这些模块具有IEPE信号调理(可直接与加速度计连接)、24位分辨率、抗混叠滤波器、高达118 dB动态范围、高达204.8 kS/s同步采样通道。PXI与SCXI还可使用其它传感器类型的模块,如应变片、负载单元、LVDT、温度传感器等。

了解更多关于NI PXI模块的信息,请参考NI资源页面 PXI模块。美国国家仪器公司及第三方公司的可用模块目录表可见于以下PXI 页面。

3. SCXI

美国国家仪器SCXI是专用于高通道数应用的高性能信号调理及开关平台。无论是传感器测量、原始信号、电压电流生成、监测数字通道、或通过开关路由信号,SCXI都能提供一个单一的信号集成平台,满足用户所有信号调理和开关的需要。SCXI系统由多通道信号调理模块组成,模块安装于一台或多台坚固的机箱内。用户可有多种选择,包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、及开关模块,适用于各类应用。用于结构监测及测试的相关SCXI模块包括SCXI-1520 (8-ch通用应力规模块)、SCXI-1521 (24-ch 1/4桥应力规模块)、及SCXI-1540 (8-ch LVDT 输入模块)。

了解更多关于SCXI,请参考SCXI资源页面。

4. 软件架构

基于Windows的PXI系统开发操作与标准基于Windows的PC相同。此外,由于PXI背板使用工业标准的PCI总线,大多数情况下,与PXI模块通信的软件编程与PCI板一样。因此,在PC与PXI系统间移植软件时,用户无需重写已有的应用软件、案例代码、及编程技术。

PXI Express系统同时提供软件兼容性,帮助用户实现软件代码重用。因为PCI Express使用与PCI系统同样的驱动器及操作系统模型,类似的规范确保了用户的软件在基于PCI系统间具有完全兼容性。因此,供应商及用户均无需改变基于PCI Express系统的驱动或应用软件。


图7. 两种不同封装 – 同样的软件标准。与PXI模块(下)及PCI板(上)的通信具有软件一致性

作为基于Windows系统的另一种选择,用户可使用实时软件构架实现时间先决的应用,这类应用要求确定性循环率及无干预操作(不使用键盘、鼠标、及监测器)。实时操作系统能够确定任务优先级,确保最重要任务总是能及时得到处理。该特性使用户编程具有可预测的结果,并可消除抖动。更多使用LabVIEW Real-Time与PXI系统的信息,请访问ni.com/realtime。

PXI规范给出了PXI系统基于Microsoft Windows操作系统的软件构架。因此,控制器能够使用工业标准的编程接口,如NI LabVIEW、LabWindows™/CVI及Measurement Studio、Visual Basic、和Visual C/C++。PXI组件需要初始化文件,用于定义系统配置和系统功能。最后,为了配置并控制VXI、GPIB、串口及PXI仪器,PXI系统需要实现VISA机制,该机制广泛应用于仪器领域。

5. 总结

PXI的模块化应用结构定义了一个坚固的计算平台,充分利用了主流PC工业中先进技术的优势。通过使用标准PCI总线及PXI模块仪器系统,用户能够获益于丰富的现有软件及硬件组件。运行于PXI系统的软件及OS都是桌面电脑上常用的,对用户来说都不陌生。PXI系统中可添加坚固的工业封装,内含足够的I/O扩展槽,具备高级定时及触发能力,能够满足用户的各类需要。

更多结构健康监测资源,请访问结构健康级地震监测首页。

LabWindows标志的使用已获得Microsoft公司的许可,Windows是Microsoft公司在美国及其他国家的注册商标。

更多资源:

构建以PXI为核心的新一代测试系统

视频演示:PXI Express混合信号仪器演示

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