1         前言  

    從1998年中國計算機(jī)行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC成立，并將CompactPCI/PXI總線技術(shù)引入到國內(nèi)以來，短短的6年時間，中國CompactPCI/PXI技術(shù)取得了令人矚目的成績，研制和推廣應(yīng)用單位發(fā)展到數(shù)十家，應(yīng)用普及程度不斷提高，應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。作為一種能夠滿足不同行業(yè)需要的高性能、高可靠、高可用以及經(jīng)濟(jì)型工業(yè)計算機(jī)技術(shù)，CompactPCI/PXI正在越來越廣泛地被電信（Telecommunications）、數(shù)據(jù)通信（Data Communications）、計算機(jī)電話集成系統(tǒng)（Computer Telephony Integration）、工業(yè)自動化（Industrial Automation）、監(jiān)控和數(shù)采系統(tǒng)（SCADA）、測試和測量自動化（Test & Measurement Automation）、網(wǎng)絡(luò)互連（Networking Connectivity）、航空航天（Avionics & Aerospace）以及軍工和國防（Military & Defenses）等領(lǐng)域所關(guān)注和采用，成為了我國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新亮點。

    形勢喜人，但來之不易。幾年前，即使在2002年，中國計算機(jī)行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC在全國范圍內(nèi)進(jìn)行CompactPCI/PXI技術(shù)宣傳、普及、培訓(xùn)過程中，人們大多還只是出于對新技術(shù)的捕捉、跟蹤、了解、好奇甚至疑慮來參加研討會的，但隨之便被新技術(shù)的特殊魅力所強(qiáng)烈感染。到了2003年，今天可以告訴大家，CompactPCI/PXI技術(shù)在中國已經(jīng)開始大范圍生根、開花、結(jié)果，越來越多的企業(yè)已經(jīng)或者開始基于CompactPCI/PXI平臺研制新產(chǎn)品、改造老產(chǎn)品、承接或?qū)嵤?yīng)用項目，開始品嘗到了新技術(shù)所帶來的豐碩成果。

    然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以CompactPCI總線為代表的新一代工控機(jī)技術(shù)引起了業(yè)界越來越強(qiáng)烈的關(guān)注，迫切需要得到諸如“CompactPCI的關(guān)鍵技術(shù)以及未來發(fā)展方向是什么？CompactPCI、PICMG 2.16、AdvancedTCA之間的關(guān)系？它們產(chǎn)生的出發(fā)點和應(yīng)用范圍有什么不同？該如何進(jìn)行選擇？”等問題的答案，行業(yè)協(xié)會也有義務(wù)提供準(zhǔn)確的答案。

2         CompactPCI總線技術(shù)走向成熟和完善  

2.1   CompactPCI總線核心技術(shù)

    為了滿足日益提高的處理器速度對海量數(shù)據(jù)的快速傳輸和快速處理的要求，1992年，Intel公司定義了PCI總線作為局部總線，直接用于互連CPU與周邊器件，如與顯示控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器、內(nèi)存控制器等互連。為了研制和管理PCI標(biāo)準(zhǔn)，成立了PCI總線特別興趣組織（PCISIG），并先后推出了PCI Local Bus Specification Rev. 2.1、Rev. 2.2以及最新版本Rev. 2.3，PCI總線也由芯片級互連總線發(fā)展成了板級互連總線。PCI總線的32位/33MHz標(biāo)準(zhǔn)具有132MB/Second數(shù)據(jù)傳輸速度，其64位/66MHz的標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到528MB/Second，所以，相對ISA或VME總線每秒幾MB或幾十MB的傳輸速度而言，PCI是高速總線。為了將PCI總線應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，1994年成立了PCI工業(yè)計算機(jī)制造商協(xié)會（PICMG），主要動機(jī)就是為嵌入式計算機(jī)（如工業(yè)計算機(jī)，醫(yī)療設(shè)備，通信設(shè)備，交通設(shè)備以及軍事系統(tǒng)等）研制通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在PICMG在全球有三個分會，分別為PICMG China（即PICMG/PRC）、 PICMG Europe和 PICMG Japan。

    1997年8月，PICMG發(fā)布了第一個CompactPCI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.0 Rev. 1.0，CompactPCI Specification。1997年9月發(fā)布了PICMG 2.0 Rev. 2.1。1999年10月發(fā)布了PICMG 2.0 Revision 3.0。PICMG 2.0 R3.0是CompactPCI總線的核心標(biāo)準(zhǔn)，也是CompactPCI技術(shù)的精髓。它由三項領(lǐng)先技術(shù)綜合而成：

 PCI局部總線的電氣特性（ PCI Local Bus Specification, PCISIG ）。

工業(yè)級歐洲卡封裝結(jié)構(gòu)和規(guī)格（IEC 60297-3 and –4, Eurocard Specification; IEEE 1101.11, IEEE Standard for Additional Mechanical Specifications for Microcomputers Using IEEE 1101.1 Equipment Practice）。

 IEC 2mm高密度針孔連接器（IEC-61076-4-101, Specification for 2mm Connector Systems）。

    PICMG 2.0 Revision 3.0規(guī)定了背板上各插槽之間，系統(tǒng)槽與背板，I/O模板與背板之間嚴(yán)格的互連關(guān)系；定義了背板、模板和前后面板的結(jié)構(gòu)和尺寸；定義P1支持32位PCI操作，P1和P2支持64位PCI操作，P3、P4和P5留給用戶使用或作為總線擴(kuò)展用。規(guī)范還為33MHz和66MHz工作頻率的Clock信號分布，定義了嚴(yán)格的設(shè)計規(guī)則。規(guī)范還定義了系統(tǒng)管理總線，并為背板上每個插槽定義了唯一對應(yīng)的物理地址。CompactPCI系統(tǒng)由金屬外殼和前、后面板組成的整體導(dǎo)電以及ESD電路設(shè)計，使得CompactPCI具有電磁輻射屏蔽和靜電釋放能力，表現(xiàn)出良好的電磁兼容性。

2.2   CompactPCI總線熱插拔技術(shù)

    可維護(hù)性是嵌入式計算機(jī)非常重要的特性。此外，面向特定應(yīng)用的系統(tǒng)（如電信設(shè)備、電力保護(hù)設(shè)備、車載控制系統(tǒng)和軍事系統(tǒng)等）還需要熱插拔（Hot Swapping）功能和容錯（Fault Tolerance）設(shè)計。

    CompactPCI（以下簡稱CPCI）技術(shù)規(guī)范使得流行的PCI總線兼容架構(gòu)可以用歐洲卡規(guī)格實現(xiàn)。這種模塊化的CPCI模板可以靈活組合成適合各種不同工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的系統(tǒng)。為了提高CPCI系統(tǒng)的可維護(hù)性，需要在CPCI產(chǎn)品上增加熱插拔功能，使得CPCI模板可以在不需要關(guān)斷電源情況下，插入或拔出正在運行的系統(tǒng)，而不影響或破壞系統(tǒng)的正常工作，從而為高可用性（High Availability）設(shè)計奠定基礎(chǔ)。為此PICMG成立了熱插拔工作組，并于1998年8月發(fā)布了熱插拔標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.1 R1.0, CompactPCI Hot Swap Specification。隨后于2001年1月推出了修訂版本PICMG 2.1 R2.0。2002年5月發(fā)布了熱插拔基礎(chǔ)軟件規(guī)范PICMG 2.12 R2.0，Hot Swap Infrastructure Interface Specification。

    PICMG 2.1 R2.0標(biāo)準(zhǔn)定義了三種不同的熱插拔模型：

 基本熱插拔模型?；灸Ｐ鸵苍试S在系統(tǒng)運行過程中拔出或插入CPCI模板，但必須由訓(xùn)練有素的操作員通過人機(jī)接口向操作系統(tǒng)發(fā)出控制命令才能實現(xiàn)，軟件連接不能自動進(jìn)行。

 完全熱插拔模型。完全模式下的軟件連接是自動完成的，不需要人的干預(yù)。完全熱插拔模型應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)型工業(yè)計算機(jī)主要發(fā)展的目標(biāo)。

高可用性模型。高可用性要求系統(tǒng)始終處于運行狀態(tài)，幾乎沒有故障。

    為了控制拔出或插入模板的電氣和軟件連接過程，CPCI的連接器插針采用長、中、短三層結(jié)構(gòu)。長針為模板提供預(yù)充電電源，中針連接工作電源和CPCI信號，短針為BD_SEL#和IDSEL#信號，用于啟動板上電源控制并通知該系統(tǒng)模板所處的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定CPCI 熱插拔控制電路要設(shè)計在模板上，而不是在無源背板上，以縮短更換故障部件的時間。這導(dǎo)致了相同功能的CPCI模板將以兩種形式存在，一種是普通模板，一種是支持熱插拔的模板。實踐證明，CPCI熱插拔設(shè)計75%的工作量是軟件設(shè)計，而硬件設(shè)計只占25%。

    為了支持Hot Swap, PICMG 2.1 R2.0定義了三種獨立于硬件的硬件抽象層接口：Hot Swap System Driver、Hot Swap Service和High Availability Service，但對程序具體如何編制并沒有明確規(guī)定。值得注意的是，2003年初在美國拉斯維加斯舉行的摩托羅拉計算機(jī)事業(yè)部（MCG）年會上，很多著名軟件操作系統(tǒng)公司都展示了支持CPCI熱插拔標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，如Lynx的LynxOS、Microware的OS-9、Enea的OSE、Wind River的VxWorks、Integrated Systems的pSOS等。當(dāng)然，最引人注目的要數(shù)GoAhead的SelfReliant和 Jungo的Go-HotSwap軟件，因為它們是獨立于操作系統(tǒng)的。雖然如此，由于缺少Windows通用操作系統(tǒng)的支持，在一定程度上延緩了CPCI熱插拔技術(shù)的推廣速度。隨著微軟支持“熱插拔”的嵌入式Windows XP操作系統(tǒng)的推出，相信解決這個問題的日子不遠(yuǎn)了。

2.3   CompactPCI總線的冗余設(shè)計、故障切換和故障管理

    高可用性技術(shù)的目標(biāo)就是通過硬件和軟件設(shè)計，使系統(tǒng)的宕機(jī)時間（Downtime）為最小。今天，大多數(shù)電信設(shè)備供應(yīng)商都將高可用性作為一個主要的技術(shù)指標(biāo)。電信設(shè)備要求系統(tǒng)每年的連續(xù)運行時間為99.999%，即每年宕機(jī)時間不超過5分15秒鐘。根據(jù)可用性的計算公式 Availability = MTBF / ( MTBF + MTTR )，給出下表。

系統(tǒng)可用性示意表

    從技術(shù)的角度來看，PICMG發(fā)布的熱插拔規(guī)范只是“預(yù)警”機(jī)制，也就是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過一種方式通知操作員按照規(guī)定的程序，在不關(guān)機(jī)的條件下更換故障模板，使系統(tǒng)繼續(xù)運行。當(dāng)然，在一定時間內(nèi)，故障模板上的功能是不能工作的。但高可用性系統(tǒng)必須具有故障自動檢測、診斷和排除故障能力，保證系統(tǒng)所有功能都正常連續(xù)運行。這就需要冗余設(shè)計（Redundancy）、自動故障切換（Failover）以及進(jìn)行故障管理（Fault Management）。

    冗余設(shè)計的目的是為了消除單點故障（Single Point of Failure）。單點故障是指“由于系統(tǒng)中一個部件出現(xiàn)故障而將導(dǎo)致整個系統(tǒng)大部分失效或完全失效的故障”。這是高可用性系統(tǒng)所不允許的。冗余設(shè)計分為系統(tǒng)槽冗余、I/O冗余和整機(jī)冗余。

    系統(tǒng)槽冗余（Redundancy of System Slot, RSS），也稱為CPU板冗余。在傳統(tǒng)CPCI系統(tǒng)中，CPU板冗余主要有兩種方式，即主/主方式（Active/Active）和主/備方式（Active/Standby）。在主/主方式中，將系統(tǒng)分成2個獨立的段（Segment），每段一般6個插槽。每個CPU板管理一個段，兩個CPU同時工作。當(dāng)一個CPU板出現(xiàn)故障時，這個CPU板被隔離，由另一個CPU接管控制權(quán)來同時管理2個段，維持系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。在主/備方式（Active/Standby）中，在某一時間段，系統(tǒng)只有一個CPU工作。當(dāng)一個CPU出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)馬上切換到備份CPU板，由備份CPU板接管系統(tǒng)的控制權(quán)，故障CPU板被迅速隔離。備份CPU板是處于“熱備份”狀態(tài)，還是處于“冷備份”狀態(tài)，需視具體情況而定。當(dāng)然，冗余設(shè)計和多主系統(tǒng)設(shè)計是不能等同起來的，多主系統(tǒng)可以實現(xiàn)負(fù)載均衡，但CPCI的冗余設(shè)計一般還不能。在CPCI系統(tǒng)中，CPU板與段之間的連接和故障切換需要通過PCI-to-PCI橋或Switched PCI Fabric實現(xiàn)。

    I/O冗余（Peripheral Redundancy）。I/O模板的熱插拔功能可以縮短系統(tǒng)的MTTR，但卻不能防止系統(tǒng)出現(xiàn)宕機(jī)。為此，需要設(shè)計I/O冗余。I/O冗余一般采用主/備機(jī)制，當(dāng)主工作不正常時，在沒有人干預(yù)的情況下，自動切換到備份，由備份I/O板作為主I/O板，接替原主I/O板的工作。然后通知系統(tǒng)維護(hù)人員，更換故障I/O，將系統(tǒng)恢復(fù)到冗余狀態(tài)。

    故障管理。為了將系統(tǒng)的宕機(jī)時間降到最短，系統(tǒng)還必須有完善的故障管理機(jī)制。故障管理一般分為5個階段或過程：

故障檢測（Detection）；

故障診斷與定位（Diagnosis & Location）；

 故障隔離（Isolation）；

故障切換（Failover）；

故障排除（Repair or Replacing）。

    當(dāng)然，系統(tǒng)的高可用性硬件設(shè)計也只能保證硬件系統(tǒng)連續(xù)工作，但不能保證系統(tǒng)連續(xù)可用，還需要高可用性系統(tǒng)管理軟件的支持。高可用性系統(tǒng)管理軟件一般分三個層次：底層硬件驅(qū)動程序，由硬件供應(yīng)商提供；中間層是軟件中間件（middleware），對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測、實現(xiàn)硬件資源管理與切換，一般由第三方提供；最上層是系統(tǒng)應(yīng)用管理軟件，對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理，保證信息的正常流通和信息的完整性，一般由系統(tǒng)設(shè)備制造商針對特定應(yīng)用自行研制。

    需要指出的是，多處理器技術(shù)（Multi-Processors, MPS）也是冗余設(shè)計中經(jīng)常采用的技術(shù)之一，一般分為對稱多處理器（Symmetric Multi-Processor, SMP）系統(tǒng)以及非對稱多處理器（Asymmetric Multi-Processor, AMP）系統(tǒng)兩種。冗余設(shè)計也可以采用系統(tǒng)級冗余設(shè)計，如雙機(jī)冗余和三模冗余（Triple Modular Redundancy, TMR）等。

2.4   CompactPCI總線的電源冗余和風(fēng)扇冗余

    為了給CPCI系統(tǒng)提供一種可靠的、方便維護(hù)的供電方式，1999年，國際CompactPCI協(xié)會發(fā)布了電源接口標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.11 R1.0 CompactPCI Power Interface Specification。R1.0為CPCI系統(tǒng)定義了可拔插的、模塊化的電源電氣和機(jī)械接口，以及對CPCI平臺系統(tǒng)和電源管理最少的接口要求，為CPCI熱插拔和HA系統(tǒng)提供1+1冗余、N+1冗余和N+N冗余電源設(shè)計提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。冗余電源的設(shè)計的核心是均流（Current Sharing）或負(fù)載均衡（Load Balancing）設(shè)計、故障切換和熱插拔。

    為了給CPCI系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的制冷能力，高可用性CPCI系統(tǒng)要求風(fēng)扇冗余設(shè)計。風(fēng)扇冗余一般采用N+M方式（如N=2，M=4）和Active/Active機(jī)制工作，并可以熱插拔更換。任何一組都要有為系統(tǒng)提供足夠制冷的能力。

2.5   CompactPCI完善的系統(tǒng)管理架構(gòu)

    2000年2月，PICMG發(fā)布了具有重要意義的系統(tǒng)管理標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.9 R1.0，CompactPCI System Management Specification。標(biāo)準(zhǔn)為CPCI系統(tǒng)定義了基于IPMI接口規(guī)范的IPMB總線及其管理總線網(wǎng)絡(luò)?；閭浞莸膬蓚€專用的系統(tǒng)管理控制器模板（獨立于主CPU），實時采集和查詢系統(tǒng)所有部件的事件日志（Event Log），向系統(tǒng)管理員報告引起系統(tǒng)服務(wù)中斷的異常事件，以便及時采取預(yù)防措施，防止系統(tǒng)崩潰。系統(tǒng)所有部件（包括CPU模板、I/O模板、包交換模板、無源背板、故障切換電路、機(jī)箱、電源、冗余磁盤陣列、風(fēng)扇、網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)境條件等）的監(jiān)視和管理都統(tǒng)一由管理軟件和系統(tǒng)管理控制器通過IPMI接口和IPMB網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

2.6   脫穎而出的CompactPCI交換式以太網(wǎng)背板技術(shù)

    CPCI總線最初只是單一的總線標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)1997年PICMG將H.110 Telephony Bus增加到CPCI背板上時，激發(fā)了人們的創(chuàng)新靈感，去探索“將行業(yè)專業(yè)總線移植到CPCI背板上，使單一的PCI數(shù)據(jù)傳輸總線演變成控制總線”的可能。事實上，這一方面反映了“主流電信設(shè)備供應(yīng)商希望用CPCI架構(gòu)滿足一些高端應(yīng)用的要求”，另一方面也說明人們已經(jīng)開始尋求打破CPCI總線插槽數(shù)量限制和高速數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的手段。為此，PICMG協(xié)會成立了由Performance Technologies牽頭、50多家公司參加的PICMG 2.16工作組，目標(biāo)就是將交換式以太網(wǎng)機(jī)制（Switched Ethernet Fabric）增加到CPCI架構(gòu)中。經(jīng)過幾年卓有成效的工作，PICMG于2001年9月發(fā)布了以太網(wǎng)包交換背板標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.16, CompactPCI Packet Switching Backplane Specification。

    PICMG 2.16的發(fā)布說明了什么問題？首先，它代表了人們追求不斷提升信息交流速度的愿望，打破了并行總線對傳輸速度的物理限制。其次，它也預(yù)示著CPCI架構(gòu)的板級互連方式從一點對多點的并行總線步入到了點對點的串行總線互連時代。第三，它也表明人們在尋求提升系統(tǒng)性能的途徑時，傾向和選擇已經(jīng)成熟的交換機(jī)制（Switched Fabric）技術(shù)，如Switched Ethernet、Switched Starfabric以及Switched Infiniband技術(shù)等，而且有些已經(jīng)形成了產(chǎn)品。因為冗余設(shè)計簡單、故障容易隔離、更換方便，因此基于交換機(jī)制的架構(gòu)更適合設(shè)計高可用性系統(tǒng)。

    PICMG 2.16主要是面向電信應(yīng)用而設(shè)計的。PICMG 2.16使用雙冗余的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)交換板實現(xiàn)了節(jié)點間的點到點互連，消除了單點故障，可以提供大約40倍PCI總線的傳輸性能以及高度的可靠性和靈活性?；?span lang="EN-US">PICMG 2.16可以構(gòu)成刀片式服務(wù)器集群，電信設(shè)備商或服務(wù)商可以用來研制下一帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（NGN）產(chǎn)品，如 2.5G和3G無線設(shè)備、VoIP媒體網(wǎng)關(guān)、軟交換（SoftSwitch）設(shè)備、信令網(wǎng)關(guān)、IP DSLAM、語音/視頻/數(shù)據(jù)服務(wù)器以及呼叫中心服務(wù)器等。所有這些設(shè)備都需要高可用性、高密度、高可靠性和高數(shù)據(jù)吞吐量，這正是PICMG 2.16所具備的特征。

2.7   AdvancedTCA技術(shù)方興未艾

    寫到這里，人們不禁要問“融合了PICMG 2.16技術(shù)的CPCI架構(gòu)難道可以滿足未來數(shù)年之內(nèi)電信技術(shù)發(fā)展的所有需要嗎”？答案肯定是“不能”。首先，隨著寬帶技術(shù)的發(fā)展，需要可以切換每秒Terabits傳輸能力的處理平臺架構(gòu)相適應(yīng)。而目前使用的CPCI連接器不具備傳輸這么高速的低壓差分信號（LVDS）的能力。其次，目前CPCI模板的尺寸小，不能滿足日益增加的功能和容量設(shè)計的要求。第三，隨著處理器以及其它關(guān)鍵芯片性能的迅速提升，功耗也大幅度增加，目前CPCI的供電能力不能滿足要求。第四，目前CPCI插槽之間的0.8″間距已經(jīng)不能適應(yīng)系統(tǒng)散熱等功能的要求，如加大的散熱片、變高的內(nèi)存模塊以及制冷氣流流量的增大等。因此，市場迫切需要發(fā)明新的交換技術(shù)，以滿足日益增長的對具有每秒Terabits傳輸性能的開放式架構(gòu)平臺的需求。這就是新興的PICMG 3.x – AdvancedTCA技術(shù)。

    從PICMG 2.16到AdvancedTCA，Ethernet嵌入到Backplane上的技術(shù)在不斷地發(fā)展。與PICMG 2.16低成本的、冗余的、Gigabit以太網(wǎng)背板相比，AdvancedTCA以太網(wǎng)背板已經(jīng)超越了Gigabit，達(dá)到了數(shù)十Gigabit，而且還在繼續(xù)發(fā)展。

2.8   CompactPCI總線與PICMG 2.16、AdvancedTCA的關(guān)系

    在今后5-10年，CompactPCI總線與PICMG 2.16、AdvancedTCA在相互補(bǔ)充中共存。CompactPCI總線主要面向工業(yè)自動化應(yīng)用，將逐漸取代VME和IPC，牢牢占據(jù)基礎(chǔ)自動化和過程自動化層。而PICMG 2.16和AdvancedTCA將主要針對電信應(yīng)用，畢竟那是個具有1000億美元的大市場。作為已經(jīng)量產(chǎn)并投入運行的PICMG 2.16產(chǎn)品，憑借其高可用性、低成本將主要占據(jù)用量比較大的電信邊緣設(shè)備市場。而剛剛發(fā)布的、在2004年以后才可能投入運行的AdvancedTCA將主要占據(jù)價位高、用量小的電信核心設(shè)備市場，與PICMG 2.16形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

3         PXI與虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展勢頭迅猛 

3.1虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展

    電子測量儀器的發(fā)展大致經(jīng)歷了四代產(chǎn)品：第一代模擬儀器；第二代數(shù)字化儀器；第三代智能儀器；第四代虛擬儀器。在現(xiàn)代電子測量領(lǐng)域中，虛擬儀器無疑是現(xiàn)在和將來自動測試技術(shù)發(fā)展的主要方向。區(qū)別于傳統(tǒng)臺式的、用電路實現(xiàn)的、功能固定的模擬儀器，虛擬儀器（Virtual Instruments）基于軟件技術(shù)設(shè)計，通過計算機(jī)提供的強(qiáng)大圖形環(huán)境和功能擴(kuò)展能力，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測量和分析以及測量結(jié)果顯示等功能。它利用工業(yè)計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，配上相應(yīng)的儀器驅(qū)動軟件，使計算機(jī)成為一臺具有高度測試自動化能力、功能強(qiáng)大的“儀器”。虛擬儀器能通過修改軟件和重新配置，實現(xiàn)不同的測量功能。虛擬儀器今后的發(fā)展趨勢主要有三個方面：首先，虛擬儀器將增加更多的功能，同時在采樣速度和分辨率上也會有很大提高；其次，控制、處理和通信能力將進(jìn)一步增強(qiáng)，如數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)處理、FPGA編程能力以及提高數(shù)據(jù)分析性能；第三，虛擬儀器將突破傳統(tǒng)上只提供測試功能的應(yīng)用局限，向設(shè)計、仿真、測量、控制、生產(chǎn)的連續(xù)過程擴(kuò)展。  

    從技術(shù)發(fā)展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術(shù)路線：一條是向高速、高精度、大型自動測試設(shè)備（ATE）方向發(fā)展，即GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997）的發(fā)展路線。另一條是向高性能、低成本、普及型系統(tǒng)方向發(fā)展，即PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB/FireWare方式（1999）的技術(shù)路線。  

3.2 PXI技術(shù)特點和發(fā)展方向

    PXI的技術(shù)特點主要有兩個：首先是基于CPCI，并兼容CPCI；其次是面向測試和測量應(yīng)用設(shè)計。PXI的規(guī)格也有兩種：3U和6U。3U的PXI主要應(yīng)用方向?qū)⑹墙M成便攜或小型的測試、SCADA、監(jiān)視與控制以及工業(yè)自動化系統(tǒng)。6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型ATE應(yīng)用發(fā)展。

    PXI和VXI將在既競爭又互補(bǔ)中共存很長一段時間，最終PXI將取代VXI，成為主流工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試平臺。同時PXI將向工業(yè)自動化領(lǐng)域擴(kuò)展，與CPCI形成優(yōu)勢互補(bǔ)，與CPCI共同奠定未來工業(yè)自動化技術(shù)的基礎(chǔ)。

4         中國CompactPCI/PXI產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢喜人

     雖然近幾年受全球信息產(chǎn)業(yè)蕭條的影響，測試和測量（Test and Measurement）領(lǐng)域也處于低迷時期，但PXI卻異軍突起，成為該領(lǐng)域繼GPIB（IEEE488）之后成長最快的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。無論是生產(chǎn)廠家的數(shù)量、產(chǎn)品的種類和數(shù)量，還是系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)量都得到了大幅度增長，越來越多的項目轉(zhuǎn)向PXI解決方案。包括應(yīng)用于測量的CPCI模板在內(nèi)，現(xiàn)在可用于PXI系統(tǒng)集成的模板已經(jīng)超過1000種，產(chǎn)品相當(dāng)豐富。產(chǎn)品的性能也得到了顯著的提升，如數(shù)據(jù)采樣速度已經(jīng)達(dá)到2GHz，測量精度提升到了7位數(shù)字，射頻測量帶寬也達(dá)到了3GHz。而且PXI的性能（如測量速度和精度等）還在不斷地提高?？梢灶A(yù)計在不久的將來，PXI可能超過甚至取代傳統(tǒng)盒式測量儀器，占據(jù)中、低頻段的高精度測量設(shè)備市場的主要份額。

    在中國，臺灣企業(yè)的PXI產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展比較快，處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。其中影響最大的是凌華科技集團(tuán)的PXI產(chǎn)品。據(jù)來訪的美國業(yè)界人士介紹，凌華的PXI產(chǎn)品在美國的影響力甚至超過了國家儀器公司（National Instruments），令我感到非常驚訝。內(nèi)地PXI技術(shù)研究和產(chǎn)品研制起步較晚，目前還沒有推出具有核心技術(shù)的、有影響力的產(chǎn)品。雖然少數(shù)企業(yè)也研制一些數(shù)采或儀器模板，還只能與臺灣和國外產(chǎn)品配套使用。國外產(chǎn)品主要來自美國國家儀器有限公司。我國軍方已經(jīng)將CPCI/PXI同時列入主要采購產(chǎn)品，測試和測量自動化領(lǐng)域也將PXI作為主要發(fā)展目標(biāo)，所以內(nèi)地企業(yè)與臺灣企業(yè)密切合作，共同推進(jìn)中國PXI技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)勢在必行。

    與PXI相比，CPCI產(chǎn)品在內(nèi)地的發(fā)展很快，有自主產(chǎn)品的廠家已經(jīng)發(fā)展到數(shù)十家，產(chǎn)品面廣。CompactPCI領(lǐng)導(dǎo)廠商臺灣凌華科技為工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)提供了從CPU主板、機(jī)箱、電源到I/O的全系列完整解決方案。此外，還有臺灣研華、臺灣大眾、臺灣麥肯、臺灣致茂、北京康拓科技集團(tuán)研發(fā)中心、中國船舶重工集團(tuán)第七零九所、七一六所、中國航天科工集團(tuán)七零六所、航天西安七七一所、電子部上海32所等廠商，可以研制和生產(chǎn)具有核心技術(shù)的系統(tǒng)平臺產(chǎn)品。內(nèi)地的其它廠家，如北京新松佳和、興夏機(jī)電、深圳研祥、深圳艾雷斯、上海鼎鈦克、北京理工大學(xué)、北京寰龍科技、北京瑞賽科技、北京世紀(jì)興元、北京旋極信息技術(shù)、北京中科泛華、陜西海泰、四川縱橫儀器公司、北京方天長久等，主要提供各具特色的配套I/O產(chǎn)品。在電信產(chǎn)業(yè)方面，CompactPCI/PICMG 2.16產(chǎn)品供應(yīng)商主要來自臺灣凌華、臺灣研華、東進(jìn)技術(shù)、杭州三匯、北京林克海德、上海倍生電子科技、杭州邁可行、泰信科技、新太科技、炎黃新星等。電信巨頭華為、中興、大唐等公司也基于CompactPCI/PICMG 2.16標(biāo)準(zhǔn)自主研制了一系列新產(chǎn)品，并開始打入國際市場。市場上還有Intel、Ziatech、Motorola Computer Group、Kontron、NMS、Force以及Performance Technologies等國外廠家的產(chǎn)品。但總的來看，中國自主研制的CompactPCI產(chǎn)品在市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。

5         中國CompactPCI/PXI技術(shù)的應(yīng)用氣氛活躍

     近幾年，無論是工業(yè)自動化領(lǐng)域、測試和測量自動化領(lǐng)域還是電信等其它領(lǐng)域，人們對標(biāo)準(zhǔn)化、開放性和面向未來的技術(shù)孜孜不倦的追求，有力地驅(qū)動著CompactPCI/PXI技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。與此同時，CompactPCI/PXI技術(shù)也逐漸被內(nèi)地市場所接納和認(rèn)同，應(yīng)用氣氛十分活躍，應(yīng)用效果明顯。

    在工業(yè)自動化領(lǐng)域，CompactPCI/PXI應(yīng)用的成績顯著。唐山大學(xué)基于CompactPCI/PXI技術(shù)研制的鍋爐供熱自動控制系統(tǒng)，成功地應(yīng)用在唐山市熱力總公司供熱項目上，開發(fā)周期短，系統(tǒng)運行可靠。陜西海泰電子研制的多通道瞬態(tài)信號測試系統(tǒng)，檢測器件電起爆/點火瞬態(tài)響應(yīng)特性，解決了石油行業(yè)中火工品器件的參數(shù)測試問題。上海寶鋼采用CompactPCI/PXI研制的軋機(jī)震動紋自動監(jiān)測、診斷系統(tǒng)，應(yīng)用于軋鋼廠冷軋平整機(jī)組，為指導(dǎo)現(xiàn)場操作、進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制以及設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)手段。清華大學(xué)利用基于CompactPCI/PXI技術(shù)建設(shè)的實驗室熱工水利學(xué)測控平臺，研制成功了先進(jìn)的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，完成了海水淡化等重要課題研究。天津大學(xué)采用CompactPCI/PXI研制的原油管道泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，成功應(yīng)用于勝利油田和華東輸油管理局的集輸管線和長輸管線，取得了很好的效果。北京航空航天大學(xué)應(yīng)用CompactPCI/PXI技術(shù)成功完成了航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)管道聲模態(tài)及非定常特性測量的數(shù)據(jù)采集和分析課題。中國科學(xué)院上海所采用CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功的實驗衛(wèi)星的信號分析系統(tǒng)和整星測試系統(tǒng)已經(jīng)投入運行。清華大學(xué)基于CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功了數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)，用于中國的核電站建設(shè)。鐵科院基于CompactPCI/PXI技術(shù)研制成功的列車調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)得到應(yīng)用。西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鑒國外先進(jìn)ATE技術(shù)基礎(chǔ)上，采用CompactPCI/PXI研制成功了航空機(jī)載電子設(shè)備全自動綜合測試系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)通訊、導(dǎo)航、儀表和機(jī)載計算機(jī)的維修測試過程。中國空間技術(shù)研究院采用CompactPCI/PXI研制了一系列星載計算機(jī)及其測控系統(tǒng)的地面測試設(shè)備，完成新技術(shù)改造任務(wù)。

    CompactPCI/PICMG 2.16產(chǎn)品在電信領(lǐng)域的應(yīng)用，目前還主要集中在電信增值業(yè)務(wù)這一塊，比如新一代聲訊平臺和虛擬運營等。華為、中興和大唐已經(jīng)采用CompactPCI/PICMG 2.16技術(shù)研制了一系列新產(chǎn)品，并得到了廣泛應(yīng)用。北京林克海德公司采用CompactPCI/PICMG 2.16，自主開發(fā)了個性化回鈴音業(yè)務(wù)，并在山東聯(lián)通、河南聯(lián)通得到了應(yīng)用。東進(jìn)技術(shù)基于CompactPCI/PICMG 2.16研制的數(shù)字中繼語音卡產(chǎn)品，已在很多地區(qū)得到了應(yīng)用。杭州三匯公司基于CompactPCI研制的語音卡產(chǎn)品，也在電信、金融等行業(yè)得到了應(yīng)用。偉橋計算機(jī)股份有限公司正在與凌華科技合作，研制基于CompactPCI/PICMG 2.16技術(shù)的VoIP網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，進(jìn)軍CTI市場。杭州邁可行基于CompactPCI/PICMG 2.16研制的MPS2000業(yè)務(wù)交換平臺，已經(jīng)在上海電信等得到了應(yīng)用。

6         結(jié)論

     從1997年全球不足2000萬美元的小行業(yè)，發(fā)展到2002年20億美元的產(chǎn)業(yè)，預(yù)計在2003年將達(dá)到32億美元，短短幾年，CompactPCI走過了一個不平凡的發(fā)展歷程。從研制、到生產(chǎn)、到銷售、到應(yīng)用、到服務(wù)，CompactPCI已經(jīng)在國內(nèi)形成了完整的運行體系，并保持著良好的發(fā)展勢頭，有效地推動著工業(yè)自動化、測量自動化和信息化產(chǎn)業(yè)朝著面向未來的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展。

    國家非常重視CompactPCI技術(shù)在內(nèi)地的發(fā)展，在“九五”和“十五”計劃中都將CompactPCI技術(shù)作為了優(yōu)先發(fā)展項目。從2001年開始實施的一系列工業(yè)自動化重大專項也將“以工業(yè)控制計算機(jī)為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)”產(chǎn)業(yè)化列入了第一批支持項目，并明確指出“研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化CompactPCI系統(tǒng)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”是該項目的重點任務(wù)。今后，中國計算機(jī)行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC愿與各界同仁一道，為不斷提升我國CompactPCI/PXI技術(shù)研制水平和應(yīng)用水平，促進(jìn)CompactPCI/PXI技術(shù)的普及、交流和發(fā)展，為早日實現(xiàn)國產(chǎn)CompactPCI/PXI產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化而繼續(xù)努力！