PXIExpress电子产品的技术优势.docx

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概述 PXI Express 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 2 GB/s，并支持那些曾经只能通过定制硬件实现的应用。目录一、 PXI Express 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、 PXI Express 常见问题解答一、 PXI Express 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。 PXI Express是PXI的拓展部分。新型PXI Express机箱提供了混合兼容的插槽，使得 PXI 与 PXI Express 模块可以协同工作于同一系统。故 PXI 与 PXI Express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： * 18-位高精度多功能数据采集 *采样率为500 kS/s，精度高达24位的高精度数字化仪 *具有pA精度和1000 V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6.6 GHz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 PXI Express 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132 MB/s 的共享带宽。 PXI Express 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 250 MB/s 扩展至 2 GB/s。例如，一个x4PXI Express 插槽为该插槽中的设备提供高达1 GB/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。图1 快速PCI 的吞吐量随所使用仪器的数目扩展。 PXI Express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，PXI Express仪器与PXI Express RAID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。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：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、100 MHz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1 ns 的通道。此外，一个PXI 高速数字化仪可以提供 100 MS/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：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：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 PXI Express 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。PXI Express 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。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LabVIEW FIFO）。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 PXI Express 仪器吞吐量的提高，使得数据流盘应用中为可能。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100 MS/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=100 MS/s x 2字节/采样 x 2 通道=400 MB/s 为了精确表征一个真实系统的性能，我们使用了一个 PXI Express 双核嵌入式控制器，以及一个速率为650 MB/s 的PXI Express x4 RAID-0 硬盘驱动器。对于该测试，所用的采集大小为40 GB。在如下所示的测试结果中，使用了多个具有256 MB 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。表1 PXIe-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40 MB/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2 GB 板上存储空间的 PXI Express 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1.2 GB 的PC存储器以支持六个通道。这里，再次使用了多个具有256 MB 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 所示：表2 PXIe-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。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以数据流的形式导入硬盘的能力。以往，这些应用只能借助构建和维护都十分昂贵的定制硬件实现。然而，信号情报应用中的波形数据流盘，现在可以通过商业现成可用（COTS）的PXI 和 PXI Express 仪器系统来实现。图7 通信系统测试中的数据流盘的配置为了捕获RF信号，我们使用一个高速数字化仪以采集来自下变频器的中频（IF）信号。该下变频器工作于RF频段，使用一个或多个混频器将RF信号转换到一个可以为高速数模转换器所捕获的频率范围。利用 PXIe-5122 高速数字化仪的两个采样率为 100 MS/s 的通道，您可以采集到两个 IF 信号，每个通道的带宽为50 MHz。这使得信号采集的总RF带宽为100 MHz。对于信号情报应用，部分频谱以数据流的方式导入磁盘的典型持续时间为数分钟或数小时。一旦保存，该数据便可以通过功率谱或时频谱进行后续软件处理。一些场合下，也可以通过任意波形发生器反向生成所捕获的频谱数据，以仿真实际环境。消费电子产品：数字视频测试另一项需要长时间采集或测试波形的应用便是数字视频测试。DVI标准支持LCD 显示器和平板等离子显示。因为新的技术需要更高时钟速率，所以生成和采集移动DVI 显示图样需要持续时间更长的波形。当使用 DVI 输出测试现代机顶盒时，长时间生成或采集数字视频图样对于准确的测试非常关键。例如，测试当今的机顶盒的图像解压缩和解码算法，需要动态测试图样。由于像素偏移仅发生在移动图像上，所以检测这些位误差要求一次数字信号传输的采集持续数秒甚至数分钟。在下图中，您可以观察出像素偏移对数字图像的影响。图8 传输错误导致像素偏移的发生借助PXI Express，可以利用现成可用的RAID硬盘驱动器配置，持续采集DVI 图像高达数分钟或者甚至数小时。例如，PXIe-6537 高速数字 I/O 模块通过配置，可以以高达200 MB/s的速率持续数小时（2.5 小时 = 1.8 TB）实现数据流盘。因而，工程师们可以利用现成可用的 PXI Express 仪器执行准确的数字视频像素偏移测试。五、总结 PXI Express 仪器系统赋予PXI 平台前所未有的强大功能。通过PXI 平台，客户能够实现： *灵活的、软件定义的测量 *模块化仪器的集成 *高数据吞吐量凭借这些技术优势，PXI 仪器系统使得各种应用获益匪浅，其中包括RF与通信测量、混合信号ASIC表征、信号情报和数字视频测试等。而且，虽然PXI 平台业已提供了所有这些技术，但是，PXI Express 通过利用快速PCI 总线大幅提高吞吐量，显著改进了该平台的性能。因而，客户能够创建高精确的自动化测试系统，与以往系统相比，该系统不仅测试时间更短，而且测试功能也更为强大。六、PXI Express 常见问题解答内容概要本文对一些有关 PXI Express 的常见问题进行了解答。读者必须对 PXI 平台有基本常识。一般问题 1、什么是 PXI Express? PXI Express技术是PXI平台的最新成员。PCI Express规格将PCI Express信号发送纳入PXI标准，从而将背板带宽提升了45倍，从132 MB/s提高到6 GB/s。 PXI Express还通过一个100 MHz的差分参考时钟和多个差分触发，增强了PXI 定时与同步的特性，同时还保持了后向兼容性。 2、PXI Express 的带宽与时延特性与其它总线相比有何优势? 带宽用来衡量数据在总线上传输的速率，它的常用单位为兆字节/秒，而时延则衡量数据在总线传输时的延迟。用户可以通过PXI Express实现最大6 GB/s的控制器－背板的带宽，这是测试与测量领域可以实现的最高带宽。此外，取决于系统规范，可以为每个外置插槽分配高达2 GB/s的专用带宽。PXI Express在所有主流商用测试与测量总线技术中的时延是最低也是最佳的，足以和基于PCI 的 PXI 相比拟，有时甚至更好。它的时延比外部总线(如 USB 或以太网)要好几个数量级。 3、PXI Express 是否取代了 PXI? 不。PXI Express只是PXI平台的一部分，而且国家仪器等公司还将继续投资开发基于 PCI 及 PCI Express 平台的产品。数据采集和运动控制等许多应用并不需要PXI Express的高带宽，因此，用户需要在PXI平台中选择最适合的规范。 PXI 系统已经被用于在大量应用中，而基于 PCI 信号的 PXI 系统将在未来的几年被大量布署。而且，由于NI的 PXI Express机箱既包含了PXI外置插槽，还带有PXI Express混合外置插槽，所以现有的 PXI外置模块和PXI Express 外置模块可用于同一个机箱和系统。另请参考：什么是PXI？兼容性 1、PXI Express 是否与 PXI 后兼容? 是的, PXI Express保持了与PXI外置模块的软硬件兼容性。 — 软件： PCI Express使用的操作系统和驱动程序模型与PCI的相同，因此基于PCI的系统(如 PXI)和基于PCI Express的系统(如PXI Express)可以在软件上完全兼容。这一软件兼容性是 PCI 特别兴趣小组(PCI-SIG)的功劳，它是一个由英特尔等公司组成的、致力于PCI与 PCI Express标准之开发和改进的小组。 — 硬件：PXI Express机箱带有混合外置插槽，能支持PXI Express外置模块和与混合插槽兼容的PXI外置模块，提供PCI 和PCI Express信号传输。 2、我是否可以继续使用为以往 PXI 系统编写的现有代码? 是的。您可以在PXI Express系统中使用为以往PXI系统编写的代码，因为PXI Express 与 PXI 在软件上是完全兼容的，包括操作系统(如 Windows XP 和 LinuxAE)、应用软件(如Microsoft Office和NI LabVIEW)和用户代码(如LabVIEW VI和C++项目)。 3、一个 PXI Express 机箱有哪些不同插槽? 一个PXI Express机箱包括： * 一个系统插槽，用于嵌入式或远程PXI Express控制器 * PXI外置插槽，用于PXI模块 * PXI Express 混合外置插槽，可用于 PXI Express 外置模块、32-位CompactPCI外置模块和混合兼容的PXI外置模块 * 一个系统定时插槽，可用于PXI Express 外置模块和PXI Express系统定时模块 4、什么是 PXI Express 混合插槽? PXI Express背板有PXI外置插槽和PXI Express混合外置插槽两种外置插槽。 PXI混合外置插槽可用于PXI Express外置模块、32-位CompactPCI板卡或混合插槽兼容的PXI模块。 5、什么是兼容混合插槽的 PXI 模块? 不带J2接头的NI PXI模块已经可兼容混合插槽，而对于带J2接头的NI模块，则必须替换该物理接头以兼容 PXI Express 混合外置插槽。如下图所示，J2 接头被卸除，并以尺寸稍小的eHM接头取而代之，得到的这个兼容混合插槽的模块就可以用于现有的PXI外置插槽中。对于这种修改的NI模块，除了背板接头被替换，其余的均保持不变。这种修改是利用了这个事实：在32-位PXI模块中， J2接头的下部除了用于局部总线，其它情况下基本不用。 6、现有的 PXI 设备会受到什么影响? 您现有的 PXI 外置模块既可以用于具有混合插槽的 PXI Express 机箱，也可以用于PXI机箱。PXI Express仅仅是在PXI基础上有所改进，而不是取而代之，所以NI等公司会继续开发和销售 PXI控制器、机箱和基于PCI的模块。若要在一个 NIPXI Express 机箱中使用现有的 PXI 外置模块，仅需将该模块插入到若干个可用的PXI外置插槽中的一个插槽。如果现有设备不具有J2接头，您也可以把该模块插入到一个混合插槽。如果具有J2接头的现有PXI模块多于可用PXI 插槽，您可以将剩余的PXI模块邮寄NI，仅需一些象征性的费用，NI可以将该模块转化为混合插槽兼容的。 7、能否把我的 NI PXI 模块寄给 NI让 NI 将之修改为兼容混合插槽? NI会将现有的NI PXI模块修改为可兼容混合插槽，仅收取象征性的费用，但在大多数情况下也没有这个必要。NI的PXI Express机箱同时包含PXI插槽和PXI Express混合插槽，因此，您可以在新背板上使用现有的（未经修改的）模块。对于寄给NI的 PXI模块，NI会卸除其J2接头并替换为尺寸稍小的eHM接头，以使之兼容混合插槽。请注意，并非所有现有模块均可以修改为兼容混合插槽，例如E系列PXI数据采集模块等传统产品。 8、NI 提供的 PXI 模块是否统一为混合插槽兼容式的? 是的。NI 已将尺寸稍小的 eHM 接头纳入到其大多数之前使用 J2 接头的 PXI 模块中。相应地，您可以将这些模块用于现有 PXI 外置插槽或 PXI Express 混合外置插槽。这里再次强调，不是所有现有模块都是混合插槽兼容式的，例如E 系列数据采集模块等早期产品就无法更换接头。技术问题 1、是否有一个基于 PCI Express 的与 CompactPCI 对等的规范? 是的。作为PXI Express基础的CompactPCI Express规范发布于2005年6月。该规范由PCI工业计算机制造者联盟（PICMG）所有并维护。 2、x1、x4 和 x16 分别代表什么意思？对于PCI Express，数据在传输端和接收端之间（称之为通道）是串行传送的，单向数据传输速率为250 MB/s。如果有多个通道，就可以组合成x1(乘1)、x2、 x4、x8、x12、x16和x32连接，以提高插槽可用的带宽。例如，一个x16的插槽具有4 GB/s的单向带宽(250 MB/s * 16)。虽然在PCI Express中，不同宽度的通道对应于不同物理尺寸的插槽，但PXI Express插槽与连接并不因连接通道宽度的不同而不同。 3、是否每个 PXI Express 插槽都必须拥有专用带宽? 这取决于机箱背板和控制器中 PCI Express 总线的应用。如果该插槽的 PCI Express通道直接与控制器的芯片组相连，那么该插槽就会拥有专用带宽。但如果控制器和/或背板共用一个 PCI Express 切换装置，以复用该连接输出至多个插槽，这些插槽就必须共享这一带宽。既可采用直连连接又可采用交换式连接的控制器和背板将会在将来出现。目前的第一款 8 槽 PXI Express 机箱和第一个 PXI Express嵌入式控制器，将为每个支持PXI Express的插槽提供专用（x1）的带宽。 4、局部总线会如何受到影响? PXI局部总线实现了每个PXI外置插槽及其相邻的PXI外置插槽间的菊花链式连接。除了单个的局部总线接口，在PXI Express混合插槽或PXI Express模块中并没有局部总线。局部总线早先使用的物理接口现在被一个用于 PCI Express 信号的连接器占用。然而，局部总线仍然可用于PXI Express机箱内的相邻PXI 插槽之间，当然也将继续在以后的基于PCI 的 PXI机箱中可用。 5、Express 和 PXI Express 有何关系? 有了MXI Express技术，您可以利用位于台式电脑的PCI Express插槽或笔记本电脑的ExpressCard插槽对PXI 或PXI Express机箱实现透明的远程控制。 MXI Express中的“Express”是指台式电脑/笔记本电脑上的接口，而不是该接口所连接的机箱。 Linux是Linux Torvalds在美国和其它国家的注册商标。感谢 NI 提供以上内容。

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