在汽車電子、航空、航天以及工業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域中，整體測試系統(tǒng)通常所需要同時監(jiān)控的I/O非常龐大，如此龐大的測試點需要大量的數(shù)據(jù)采集卡進行同步。由于工業(yè)計算機插槽數(shù)量有限以及CompactPCI無法同步各個測試模塊，所以本系統(tǒng)選用 PXI Express平臺通過定時和同步時鐘卡利用觸發(fā)總線、星形觸發(fā)以及系統(tǒng)參考時鐘來實現(xiàn)高級的多設(shè)備同步。本文以帶有高精準度恒溫晶振的PS PXIe-3102定時和同步模塊為例，詳細講述如何進行路由關(guān)系配置完成兩個PXIe-9108機箱的同步。

1 多機箱原理

多機箱同步與多板卡同步類似，同樣需要保證各個機箱間的板卡都在同一個時鐘沿開始啟動采集，即共享同一個時鐘源和同步觸發(fā)信號，同時為了消除對時鐘源分頻后的相位差，也要共享同步脈沖信號。因此，在實現(xiàn)多機箱同步時，需要考慮的主要問題就是如何在多機箱間共享這三個信號：時鐘源、同步觸發(fā)、同步脈沖。

對于兩機箱同步，選擇其中一個機箱作為主機箱，同時分別在主從機箱的星型觸發(fā)槽中插入一塊時鐘卡，該時鐘卡可以路由時鐘信號和觸發(fā)信號。在此以泛華PS PXIe-3102定時和同步模塊舉例說明。

1.1 機箱間共享時鐘源

PS PXIe-3102本身自帶一個溫度補償晶振，相比背板參考時鐘可以提供更高精度的時鐘卡（PS PXIe-3102時鐘卡引腳圖如圖2所示）。因此可以將PS PXIe-3102的10MHz時鐘路由到兩個機箱中，替代機箱背板的參考時鐘，然后各個槽位的板卡都選用背板參考時鐘作為采樣時基。具體配置過程如下：

圖1 PS PXIe-9108兩機箱插卡示意圖

圖2 PS PXIe-9108引腳圖

圖3 PS PXIe-9108主機箱與從機箱中時鐘卡鏈接示意圖

（1）在主從機箱的星型觸發(fā)槽中各插入一塊PS PXIe-3102;

（2）將主機箱PS PXIe-3102的本地晶振（Oscillator）路由到背板10MHz輸入端（PXI_CLK10_In）上代替主機箱背板的10MHz參考時鐘源，軟件配置如圖4所示;

圖4 替換主機背板參考時鐘

（3）將主機箱中的背板參考時鐘源（PXI_CLK10）路由到3102的輸出端（CLKOut）。背板參考時鐘源的路由軟件配置如圖5所示;

圖5 路由背板參考時鐘

（4）如圖3所示，通過同軸線纜［1］連接主機箱中時鐘卡3102的時鐘輸出端CLKOut和從機箱中時鐘卡3102的時鐘輸入端;

（5）將從機箱中時鐘卡3102的時鐘輸入端（CLKIn）的信號路由至背板參考時鐘輸入（PXI_CLK10_In）來代替背板參考時鐘源。軟件配置如圖6所示。

圖6 替換從機箱背板參考時鐘

1.2 機箱間共享同步脈沖

共享同步脈沖的目的是為了消除板卡采樣時鐘之間的相位差。同步脈沖在每張板卡啟動時都會產(chǎn)生，為保證產(chǎn)生的同步脈沖有效，在多機箱同步中也需要考慮同步脈沖在機箱間的路由關(guān)系。

將主機箱中的動態(tài)信號采集卡作為主卡，將其產(chǎn)生的同步脈沖信號路由到背板的PXITrig線上，實現(xiàn)同機箱中同步脈沖信號的共享。同時，需要將此脈沖信號通過本機箱星型觸發(fā)槽中PS PXIe-3102的MFIO端口輸出路由到從機箱中（MFIO是用于靜態(tài)數(shù)字輸入、靜態(tài)數(shù)字輸出、AI/AO/DI/DO 或計數(shù)器/定時器所需的時鐘輸入及時鐘輸出的多功能數(shù)字I/O），具體配置過程如下：

（1）選擇主機箱中的任意一塊卡作為主卡，將其產(chǎn)生的同步脈沖信號路由到背板PXITrig0上（也可選擇PXITrig《0..7》中的其它觸發(fā)線），軟件配置如圖7所示;

圖7 路由同步脈沖信號至主機箱背板觸發(fā)總線

（2） 將此同步脈沖從PXITrig0上路由至主機箱3102的任一個MFIO端口上，此處以MFIO0為例，軟件配置過程如圖8所示;

圖8 路由同步脈沖信號至主機箱3102MFIO

3）如圖3所示，通過同軸線纜［2］，連接主機箱3102的MFIO0端和從機箱的MFIO0端;

（4）將同步脈沖由主機箱3102的MFIO0路由至從機箱背板的PXITrig0上（也可選擇PXITrig《0..7》中的其它觸發(fā)線），軟件配置過程如圖9所示;

圖9 路由同步脈沖信號至從機箱背板觸發(fā)總線

（5）為保證兩個機箱間同步脈沖的延遲最小化，需將主機箱路由出去的同步脈沖再路由回主機箱。首先，將同步脈沖通過主機箱3102的MFIO2路由出來;然后，通過同軸線纜連接MFIO2和MFIO3端口，如圖3所示，再將同步脈沖由MFIO3路由至主機箱的背板PXITrig《1..7》的一個觸發(fā)線上，供主機箱的板卡使用;

（6）根據(jù)實際的信號路由路徑，配置主機箱和從機箱中每個板卡的同步脈沖源輸入，軟件配置過程如圖10所示。

圖10 配置同步脈沖源

1.3 機箱間共享同步觸發(fā)

完成了采樣時鐘的同步，最后就需要機箱間的所有板卡共享同一個觸發(fā)信號來保證板卡間同步的開始采集。對于同步觸發(fā)信號，可以有兩種：外部接入的觸發(fā)信號以及主卡內(nèi)部產(chǎn)生的軟件觸發(fā)信號。

外部接入的觸發(fā)信號只能接到主卡上，由主卡來確認有效的觸發(fā)，然后路由給其它板卡作同步觸發(fā)。主卡內(nèi)部產(chǎn)生的軟件觸發(fā)，主卡不需要顯式的配置外部觸發(fā)信號，而是在開始后由主卡軟件自動產(chǎn)生觸發(fā)信號，然后將此信號路由至其它板卡實現(xiàn)同步觸發(fā)。共享同步觸發(fā)信號的具體配置過程如下：

（1）選擇一塊卡作為主卡，為了統(tǒng)一起見，選擇發(fā)出同步脈沖的主卡同時作為觸發(fā)的主卡，配置主卡的觸發(fā)源，如果沒有配置，則默認為主卡軟件觸發(fā);

（2）將主卡的開始觸發(fā)信號或者參考觸發(fā)信號（取決于實際的觸發(fā)模式，開始觸發(fā)或參考觸發(fā)）路由至背板PXITrig1上（PXITrig觸發(fā)線），軟件配置如圖11所示：

圖11 主卡路由觸發(fā)信號至主機箱背板

（3）通過PS PXIe-3102將主卡的觸發(fā)信號由機箱背板的PXITrig1上路由至MFIO1上，軟件配置如圖12所示：

圖12 路由觸發(fā)信號至主機箱3102MFIO1

（4）如圖3所示，通過同軸線纜［3］，連接主機箱3102的MFIO1端和從機箱3102的MFIO1端;

（5）在從機箱中通過3102將MFIO1端口的觸發(fā)信號路由至背板的PXITrig1上，以供機箱板卡作為觸發(fā)使用，軟件配置如圖13所示;

圖13 路由觸發(fā)信號至從機箱背板觸發(fā)總線

（6）除主卡以外，所有的板卡都選擇背板PXITrig1作為本卡的觸發(fā)源，軟件配置如圖14所示。

完成上述路由關(guān)系軟件配置以及硬件連接后，就可以進行兩機箱同步實驗了，圖15為兩機箱同步現(xiàn)場測試平臺圖片。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由兩個高性能的3U 8槽PS PXIe-9108機箱作為測試平臺，由高性能2.1GHz四核零槽控制器PS PXIe-3070作為控制器，定時及同步模塊選用帶有高精準度恒溫晶振的PS PXIe-3102，選用動態(tài)信號采集卡PS PXIe-3342作為信號采集卡，選用Agilent33522A信號源為采集卡提供同一信號。最后，為了實時計算兩機箱信號的同步精度選用了兩張PS PXI-3550反射內(nèi)存卡，將其中一個機箱上的采樣數(shù)據(jù)實時映射到另一機箱上進行同步運算。在同步采集過程中，應(yīng)特別注意先運行從卡的采集程序，等待主卡發(fā)送開始觸發(fā)信號，然后運行主卡采集程序。

3 數(shù)據(jù)分析

如圖16所示，主機箱以及從機箱的采集波形基本重合，計算兩張PS PXIe-3342動態(tài)信號采集卡的同步精度為86.0459ns。

4 結(jié)束語

介紹了兩機箱之間同步的方法后，現(xiàn)簡要介紹多機箱同步的實現(xiàn)方式。對于多機箱同步，方法和兩機箱同步相同，如果機箱比較多，可以選擇一個機箱專門用來放置路由時鐘和信號的時鐘卡（eg:PS PXIe-3102），同時，其它機箱的星型觸發(fā)槽中也需要分別插入一塊PS PXIe-3102，以完成多機箱間的同步。信號路由的過程和方法如下：

（1）在專門放置時鐘卡PS PXIe-3102的機箱中，將星型觸發(fā)槽中3102的高精度晶振路由至機箱背板代替機箱的背板參考時鐘，然后機箱中的所有3102都可以將背板的參考時鐘通過CLKOut端口路由出來給其它機箱使用;

（2）其它機箱中3102通過CLKIn端口將步驟（1）中路由出來的參考時鐘與本機箱的背板進行鎖相，從而實現(xiàn)多機箱之間共用了同一個參考時鐘源;

（3）選擇一個機箱中的采集卡作為主卡，將主卡產(chǎn)生的同步脈沖信號路由至本機箱背板的PXITrig的任一未被占用的觸發(fā)線，然后通過本機箱星型觸發(fā)槽中的3102將此同步脈沖信號通過MFIO的端口路由至專門放置時鐘卡的機箱中;

（4）通過專門放置時鐘卡機箱星型觸發(fā)槽中的3102將主卡發(fā)出的同步脈沖信號路由至本機箱背板的PXITrig的任一觸發(fā)線，然后所有的3102都可以通過此觸發(fā)線將此同步脈沖信號經(jīng)過3102的MFIO端口路由至其他所有的機箱中;

（5）為了保證主卡機箱中的同步脈沖與其它多個機箱間將同步脈沖信號的延遲最小化，可以通過專門放置時鐘卡機箱中的任一3102將此同步脈沖再路由回來至主卡機箱，此時保證此同步脈沖到達各個機箱間的導(dǎo)線長度相等就可以保證機箱收到的同步脈沖間延遲最小化;

（6）將主卡判斷出的有效觸發(fā)脈沖信號通過本機箱的3102路由至專門放置時鐘卡的機箱中，方法同路由同步脈沖方法相同。