PXI+Express技术解析

获取更多权威电子书请登录技术一本通[年]获取更多权威电子书请登录概述PXIExpress仪器利用其所使用的快速PCI总线，为PXI平台新添了许多技术优势。该总线至多个仪器系统的数据吞吐量可以高达2GB/s，并支持那些曾经只能通过定制硬件实现的应用。获取更多权威电子书请登录目录一、PXIExpress的技术优势二、软件定义的测量：RF与通信测试三、多仪器集成：混合信号ASIC特征四、高数据吞吐量：数据流盘应用五、总结六、PXIExpress常见问题解答获取更多权威电子书请登录一、PXIExpress的技术优势PXI标准在不断发展，引进了快速PCI技术之后，使得PXI自动化测试系统拥有了前所未有的高性能。在有些情况下，它支持PXI仪器执行一些以前一直无法完成的测量。PXIExpress是PXI的拓展部分。新型PXIExpress机箱提供了混合兼容的插槽，使得PXI与PXIExpress模块可以协同工作于同一系统。故PXI与PXIExpress系统均具有面向自动化测试应用的三个关键技术优势。这些技术优势包括：•灵活的、软件定义的仪器•模块化仪器的集成•高数据吞吐量软件定义的仪器系统所具备的灵活性，使得用户可以为各种不同的测量重新配置测试系统。这对于RF/通信制造测试尤为重要，该领域常常需要对同一台设备针对多个协议标准进行特定测量。其次，将模块化仪器集成到同一系统，使得用户可以从超过1500种现有的PXI仪器中选择合适的仪器。这些仪器包括测试与测量行业中最高性能的仪器：获取更多权威电子书请登录•18-位高精度多功能数据采集•采样率为500kS/s，精度高达24位的高精度数字化仪•具有pA精度和1000V测量范围的快速7位半数字毫表•高密度开关，在单个3U插槽中具有512个交叉点•高达6.6GHz的RF信号分析与发生器•高密度通道数与同步（高达5000个动态通道）这种在同一系统中使用多个PXI仪器的能力使得单个测试系统可以用于测试多种混合信号设备。一个常见应用是PXI系统用于混合信号半导体ASIC特征。最后，PXI与PXIExpress仪器均具有一条用于仪器到主机PC传输信息的高性能数据总线。PXI仪器为总线上的所有设备提供高达132MB/s的共享带宽。PXIExpress仪器通过快速PCI总线甚至能够达到更高的吞吐量。快速PCI总线是一个点对点的高速串行总线，其每插槽带宽可以从250MB/s扩展至2GB/s。例如，一个x4PXIExpress插槽为该插槽中的设备提供高达1GB/s的专用带宽。此外，当更多仪器被添加至系统中时，系统的总吞吐量相应增加。获取更多权威电子书请登录图1快速PCI的吞吐量随所使用仪器的数目扩展。PXIExpress仪器吞吐量的提高，使得数项新的应用成为可能。凭借总线的高吞吐量，PXIExpress仪器与PXIExpressRAID硬盘驱动器协同使用，可以实现高速数据流导入数据流导出磁盘的配置。这个能力尤其适用于两个特殊应用磁盘或智能信号与数字视频测试。获取更多权威电子书请登录二、软件定义的测量：RF与通信测试按照虚拟仪器方式，PCI或快速PCI总线是作为从仪器到PC的数据总线。可以结合定制算法或常见测量值（如上升时间或THD（总谐波失真）），对数据进行分析。由于软件定义的测量可以通过支持重新配置仪器以实现各种任务，所以非常有价值。一个需要利用软件定义测量的应用领域便是RF与通信制造测试。由于现在的无线设备使用多个通信协议，如802.11g、GSM、GPS和蓝牙等，导致无线设备的测试挑战性和测试成本均急剧增加。以往，需要多个仪器以表征不同通信标准下的设备性能。然而使用多个独立仪器的成本非常高。今天，这种执行软件定义的RF测量的能力可以支持RF仪器的复用，以兼容多种协议的测试。因而，同一台仪器可以与多个不同特性的软件协同使用。用于无线标准兼容测试的仪器复用的一个常见范例，便是手机制造，如下图所示：获取更多权威电子书请登录图2多标准手机制造测试如图所示，单个PXI向量信号分析仪捕获对应不同通信标准的不同频率的RF信号。由于通信协议堆栈用软件实现，同一台仪器可以被复用于每一个通信标准。从而，软件定义的测量方式缩减了测试成本与空间占用。三、多仪器集成：混合信号ASIC特征对于混合信号测试，PXI的另一个技术优势是它提供了在同一个系统中紧密集成多个仪器的能力。这一能力提供了仪器间的精确同步和模拟与数字数据间的相关，并减少了仪器占用空间。这种仪器系统的混合信号方式使得各种测试应用获获取更多权威电子书请登录益匪浅。多通道混合信号ASIC，如数模转换器，便是一个范例。现代专用集成电路（ASIC）需要满足各种不同信号要求的混合信号输入和输出。按照传统方法，这些设备的自动化测试需要多个工作台仪器，这需要耗费相当大的成本和物理空间。今天，PXI仪器系统提供了一种在单个测试中可以集成多个仪器的单平台解决方案。例如，考虑表征一个4-通道、12-位、100MHz数模转换器所需的测试仪器。该ASIC需要超过48个同步数字I/O的通道、4个精确模拟输入通道和一个可编程的DC电源。使用PXI仪器系统，在同一个系统中集成多个PXI仪器可以解决这一测试难题。如下图所示，可以实现多个数字I/O模块的同步，以提供48个满足通道间时间偏移小于1ns的通道。此外，一个PXI高速数字化仪可以提供100MS/s的采样率和14-位的精度。结合使用一个低插入损耗的RF开关之后，该测试系统仅需要一个数字化仪。最后，可以使用一个PXI可编程电源，以提供从0V到6V的、120μV精度的电压。一个多通道DAC的参考架构如下所示：获取更多权威电子书请登录图3.4-通道DAC的参考架构利用PXI模块化仪器，可以利用单个测试系统实现一个混合信号测试平台。测试一个4-道通DAC所需的系统如下图所示：获取更多权威电子书请登录图4混合信号PXI仪器系统以模块化方式构建的仪器系统可以被重新配置或扩展以满足未来的测试需求。此外，与LabVIEW编程环境的连接支持如THD、SFDR和SINAD等值的测量。在该系统中，通过观察其在电源、电流等各种因素改变时的性能表现，被测设备的特测性量可以在被全面地刻画。四、高数据吞吐量：数据流盘应用PXIExpress仪器的最大技术优势在于快速PCI总线的高数据吞吐量。这一优势不仅缩短了常见自动化测试应用的测试时间，也使得迄今现成商用硬件无法支获取更多权威电子书请登录持的新型应用成为可能。范例之一便是智能信号和数字视频测试等应用的数据流盘场景。传统的工作台仪器系统，如任意波形发射器、逻辑分析仪和示波器等，使用板载有限的存储器作为存储波形数据的临时缓存。板载存储器昂贵而且可用空间有限。此外，这些仪器可以通过GPIB、LAN或USB接口将波形输入至PC或自PC输出波形。糟糕的是，这样的数据吞吐量只有每秒几兆字节。对于数据流盘或者数据流导入内存的应用，需要高得多的吞吐量。PXIExpress凭借其高吞吐量和低总线时延，提供了一个有说服力的解决方案。幸运的是，LabVIEW的多线程编程模型使得数据流导盘应用可以被方便地优化。由于LabVIEW动态地分配编程任务至多个线程，我们可以通过将仪器I/O和文件I/O分解成两个独立的while循环，实现更高的吞吐量。推荐使用的编程方式为生产者-消费者循环结构，如下图所示。获取更多权威电子书请登录图5带有队列结构的生产者/消费者循环架构在上例中，上面的循环（生产者）从一个高速数字化仪中采集数据，并将其传递至一个队列结构（一个LabVIEWFIFO）。该队列可用于LabVIEW中的多个while循环间的数据传递。下面的循环（消费者）自队列结构中读取数据并将其写入到磁盘。生产者/消费者循环结构为数据流盘应用提供了最佳性能，因为在消费者循环将数据写入到磁盘的同时，生产者可以继续采集数据。标定数据流盘应用PXIExpress仪器吞吐量的提高，使得数据流盘应用中的更高采样率和通道数成获取更多权威电子书请登录为可能。为了标定数据流盘应用的准确吞吐量。我们可以使用下述等式：吞吐量=采样率x字节/采样x通道数例如，我们考虑这样一个数据流盘的应用场景：利用PXIe-5122高速数字化仪的两个通道、最大采样率为100MS/s。注意到PXIe-5122是一个14-位的数字化仪，因此每个采样值需要2字节存储空间或磁盘空间。PXIe-5122的最大吞吐量如下所示：吞吐量=100MS/sx2字节/采样x2通道=400MB/s为了精确表征一个真实系统的性能，我们使用了一个PXIExpress双核嵌入式控制器，以及一个速率为650MB/s的PXIExpressx4RAID-0硬盘驱动器。对于该测试，所用的采集大小为40GB。在如下所示的测试结果中，使用了多个具有256MB板上内存的PXIe-5122数字化仪。表一（如下所示）描述了根据所需通道的数目数据流盘应用的最大采样率。获取更多权威电子书请登录表1PXIe-5122高速数字化仪的数据流盘的标定速率作为数据流盘应用的一个变体，您也可以将来自一个高速数字化仪的数据以数据流的形式导入我们的PXI控制器的板上存储器。这一方法不要求一个RAID硬盘驱动器配置，吞吐量也不受硬盘的磁盘写入速度限制。实际上，吞吐量受快速PCI总线的带宽限制，而采集数据大小则受限于可用的PC存储器的空间大小。在一个典型的数据流盘应用中，PC存储器只是作为数据的临时缓存。由于一个典型的嵌入式控制器能够达到磁盘写入速度40MB/s的能力，所以数据可以先存储在存储器中然后再写入磁盘。在下列数据流导入存储器场景的标定中，使用了一个具有2GB板上存储空间的PXIExpress双核控制器。对于100百万采样每通道的采集大小，该测试需要高达1.2GB的PC存储器以支持六个通道。这里，再次使用了多个具有256MB板上存储空间的PXIe-5122数字化仪，以获取最佳结果。其结果如下面表2所获取更多权威电子书请登录示：表2PXIe-5122高速数字化仪的最大数据流导入存储器速率数据流盘和数据流导入存储器应用能够在PXI中达到如此之高的吞吐量的一个原因，便是利用了一个高带宽与低时延的数据总线——快速PCI。如果我们将该总线与其它标准数据总线相比较，我们将发现该总线提供了最高的吞吐量和最低的数据时延。获取更多权威电子书请登录图6常见仪器总线的带宽与时延比较这种将数据以流的形式导入磁盘的能力使得许多应用获益匪浅。这里我们将详细讨论的两个常见应用为：1）信号情报/频谱监测和2）数字视频测试。低的数据时延。五信号情报：中频数据流盘现代军事侦察、卫星通信和频谱监测应用需要长时间地将大部分数据