PXI Express儀器技術(shù)詳解(完整版)

PXI Express儀器利用其所使用的快速PCI總線，為PXI平臺(tái)新添了許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該總線至多個(gè)儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量可以高達(dá)2 GB/s，并支持那些曾經(jīng)只能通過(guò)定制硬件實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

PXI Express的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

PXI標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展，引進(jìn)了快速PCI技術(shù)之后，使得PXI自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)擁有了前所未有的高性能。在有些情況下，它支持PXI儀器執(zhí)行一些以前一直無(wú)法完成的測(cè)量。

PXI Express是PXI的拓展部分。新型PXI Express機(jī)箱提供了混合兼容的插槽，使得PXI與PXI Express模塊可以協(xié)同工作于同一系統(tǒng)。故PXI與PXI Express系統(tǒng)均具有面向自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：
* 靈活的、軟件定義的儀器
* 模塊化儀器的集成
* 高數(shù)據(jù)吞吐量

軟件定義的儀器系統(tǒng)所具備的靈活性，使得用戶可以為各種不同的測(cè)量重新配置測(cè)試系統(tǒng)。這對(duì)于RF/通信制造測(cè)試尤為重要，該領(lǐng)域常常需要對(duì)同一臺(tái)設(shè)備針對(duì)多個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行特定測(cè)量。其次，將模塊化儀器集成到同一系統(tǒng)，使得用戶可以從超過(guò)1500種現(xiàn)有的PXI儀器中選擇合適的儀器。這些儀器包括測(cè)試與測(cè)量行業(yè)中最高性能的儀器：
* 18-位高精度多功能數(shù)據(jù)采集
* 采樣率為500kS/s，精度高達(dá)24位的高精度數(shù)字化儀
* 具有pA精度和1000 V測(cè)量范圍的快速7位半數(shù)字毫表
* 高密度開(kāi)關(guān)，在單個(gè)3U插槽中具有512個(gè)交叉點(diǎn)
* 高達(dá)6.6 GHz的RF信號(hào)分析與發(fā)生器
* 高密度通道數(shù)與同步（高達(dá)5000個(gè)動(dòng)態(tài)通道）

這種在同一系統(tǒng)中使用多個(gè)PXI儀器的能力使得單個(gè)測(cè)試系統(tǒng)可以用于測(cè)試多種混合信號(hào)設(shè)備。一個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用是PXI系統(tǒng)用于混合信號(hào)半導(dǎo)體ASIC特征。

最后，PXI與PXI Express儀器均具有一條用于儀器到主機(jī)PC傳輸信息的高性能數(shù)據(jù)總線。PXI儀器為總線上的所有設(shè)備提供高達(dá)132 MB/s的共享帶寬。PXI Express儀器通過(guò)快速PCI總線甚至能夠達(dá)到更高的吞吐量?？焖貾CI總線是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速串行總線，其每插槽帶寬可以從250 MB/s擴(kuò)展至2 GB/s。例如，一個(gè)x4PXI Express插槽為該插槽中的設(shè)備提供高達(dá)1GB/s的專(zhuān)用帶寬。此外，當(dāng)更多儀器被添加至系統(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)的總吞吐量相應(yīng)增加。
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PXI Express儀器吞吐量的提高，使得數(shù)項(xiàng)新的應(yīng)用成為可能。憑借總線的高吞吐量，PXI Express儀器與PXI Express RAID硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器協(xié)同使用，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流導(dǎo)入磁盤(pán)或數(shù)據(jù)流導(dǎo)出磁盤(pán)的配置。這個(gè)能力尤其適用于兩個(gè)特殊應(yīng)用——智能信號(hào)與數(shù)字視頻測(cè)試。

軟件定義的測(cè)量：RF與通信測(cè)試

按照虛擬儀器方式，PCI或快速PCI總線是作為從儀器到PC的數(shù)據(jù)總線?？梢越Y(jié)合定制算法或常見(jiàn)測(cè)量值（如上升時(shí)間或THD（總諧波失真）），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于軟件定義的測(cè)量可以通過(guò)支持重新配置儀器以實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)，所以非常有價(jià)值。

一個(gè)需要利用軟件定義測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域便是RF與通信制造測(cè)試。由于現(xiàn)在的無(wú)線設(shè)備使用多個(gè)通信協(xié)議，如802.11g、GSM、GPS和藍(lán)牙等，導(dǎo)致無(wú)線設(shè)備的測(cè)試挑戰(zhàn)性和測(cè)試成本均急劇增加。以往，需要多個(gè)儀器以表征不同通信標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)備性能。然而使用多個(gè)獨(dú)立儀器的成本非常高。今天，這種執(zhí)行軟件定義的RF測(cè)量的能力可以支持RF儀器的復(fù)用，以兼容多種協(xié)議的測(cè)試。因而，同一臺(tái)儀器可以與多個(gè)不同特性的軟件協(xié)同使用。用于無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)兼容測(cè)試的儀器復(fù)用的一個(gè)常見(jiàn)范例，便是手機(jī)制造，如下圖所示：

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如圖所示，單個(gè)PXI向量信號(hào)分析儀捕獲對(duì)應(yīng)不同通信標(biāo)準(zhǔn)的不同頻率的RF信號(hào)。由于通信協(xié)議堆棧用軟件實(shí)現(xiàn)，同一臺(tái)儀器可以被復(fù)用于每一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)。從而，軟件定義的測(cè)量方式縮減了測(cè)試成本與空間占用。

多儀器集成：混合信號(hào)ASIC特征

對(duì)于混合信號(hào)測(cè)試，PXI的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)是它提供了在同一個(gè)系統(tǒng)中緊密集成多個(gè)儀器的能力。這一能力提供了儀器間的精確同步和模擬與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)間的相關(guān)，并減少了儀器占用空間。這種儀器系統(tǒng)的混合信號(hào)方式使得各種測(cè)試應(yīng)用獲益匪淺。多通道混合信號(hào)ASIC，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器，便是一個(gè)范例。

現(xiàn)代專(zhuān)用集成電路（ASIC）需要滿足各種不同信號(hào)要求的混合信號(hào)輸入和輸出。按照傳統(tǒng)方法，這些設(shè)備的自動(dòng)化測(cè)試需要多個(gè)工作臺(tái)儀器，這需要耗費(fèi)相當(dāng)大的成本和物理空間。今天，PXI儀器系統(tǒng)提供了一種在單個(gè)測(cè)試中可以集成多個(gè)儀器的單平臺(tái)解決方案。

例如，考慮表征一個(gè)4-通道、12-位、100 MHz數(shù)模轉(zhuǎn)換器所需的測(cè)試儀器。該ASIC需要超過(guò)48個(gè)同步數(shù)字I/O的通道、4個(gè)精確模擬輸入通道和一個(gè)可編程的DC電源。使用PXI儀器系統(tǒng)，在同一個(gè)系統(tǒng)中集成多個(gè)PXI儀器可以解決這一測(cè)試難題。如下圖所示，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)字I/O模塊的同步，以提供48個(gè)滿足通道間時(shí)間偏移小于1 ns的通道。此外，一個(gè)PXI高速數(shù)字化儀可以提供100 MS/s的采樣率和14-位的精度。結(jié)合使用一個(gè)低插入損耗的RF開(kāi)關(guān)之后，該測(cè)試系統(tǒng)僅需要一個(gè)數(shù)字化儀。最后，可以使用一個(gè)PXI可編程電源，以提供從0V到6V的、120?V精度的電壓。一個(gè)多通道DAC的參考架構(gòu)如下所示：

利用PXI模塊化儀器，可以利用單個(gè)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)混合信號(hào)測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試一個(gè)4-通道DAC所需的系統(tǒng)如下所示：

以模塊化方式構(gòu)建的儀器系統(tǒng)可以被重新配置或擴(kuò)展以滿足未來(lái)的測(cè)試需求。此外，與LabVIEW編程環(huán)境的連接支持如THD、SFDR和SINAD等值的測(cè)量。在該系統(tǒng)中，通過(guò)觀察其在電源、電流等各種因素改變時(shí)的性能表現(xiàn)，被測(cè)設(shè)備的特性可以被全面地刻畫(huà)。

PXI Express儀器的最大技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于快速PCI總線的高數(shù)據(jù)吞吐量。這一優(yōu)勢(shì)不僅縮短了常見(jiàn)自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用的測(cè)試時(shí)間，也使得迄今現(xiàn)成商用硬件無(wú)法支持的新型應(yīng)用成為可能。范例之一便是智能信號(hào)和數(shù)字視頻測(cè)試等應(yīng)用的數(shù)據(jù)流盤(pán)場(chǎng)景。

傳統(tǒng)的工作臺(tái)儀器系統(tǒng)，如任意波形發(fā)射器、邏輯分析儀和示波器等，使用板載有限的存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存。板載存儲(chǔ)器昂貴而且可用空間有限。此外，這些儀器可以通過(guò)GPIB、LAN或USB接口將波形輸入至PC或自PC輸出波形。糟糕的是，這樣的數(shù)據(jù)吞吐量只有每秒幾兆字節(jié)。對(duì)于數(shù)據(jù)流盤(pán)或者數(shù)據(jù)流導(dǎo)入內(nèi)存的應(yīng)用，需要高得多的吞吐量。PXI Express憑借其高吞吐量和低總線時(shí)延，提供了一個(gè)有說(shuō)服力的解決方案。

幸運(yùn)的是，LabVIEW的多線程編程模型使得數(shù)據(jù)流導(dǎo)盤(pán)應(yīng)用可以被方便地優(yōu)化。由于LabVIEW動(dòng)態(tài)地分配編程任務(wù)至多個(gè)線程，我們可以通過(guò)將儀器I/O和文件I/O分解成兩個(gè)獨(dú)立的while循環(huán)，實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。推薦使用的編程方式為生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

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在上例中，上面的循環(huán)（生產(chǎn)者）從一個(gè)高速數(shù)字化儀中采集數(shù)據(jù)，并將其傳遞至一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)（一個(gè)LabVIEW FIFO）。該隊(duì)列可用于LabVIEW中的多個(gè)while循環(huán)間的數(shù)據(jù)傳遞。下面的循環(huán)（消費(fèi)者）自隊(duì)列結(jié)構(gòu)中讀取數(shù)據(jù)并將其寫(xiě)入到磁盤(pán)。生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用提供了最佳的性能，因?yàn)樵谙M(fèi)者循環(huán)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到磁盤(pán)的同時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)可以繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

PXI Express儀器吞吐量的提高，使得數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用中的更高采樣率和通道數(shù)成為可能。為了標(biāo)定數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用的準(zhǔn)確吞吐量。我們可以使用下述等式：

吞吐量=采樣率x字節(jié)/采樣x通道數(shù)

例如，我們考慮這樣一個(gè)數(shù)據(jù)流盤(pán)的應(yīng)用場(chǎng)景：利用PXIe-5122高速數(shù)字化儀的兩個(gè)通道、最大采樣率為100 MS/s。注意到PXIe-5122是一個(gè)14-位的數(shù)字化儀，因此每個(gè)采樣值需要2字節(jié)存儲(chǔ)空間或磁盤(pán)空間。PXIe-5122的最大吞吐量如下所示：

吞吐量=100 MS/s x 2字節(jié)/采樣 x 2通道=400 MB/s

為了精確表征一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的性能，我們使用了一個(gè)PXI Express雙核嵌入式控制器，以及一個(gè)速率為650 MB/s的PXI Express x4 RAID-0硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于該測(cè)試，所用的采集大小為40 GB。在如下所示的測(cè)試結(jié)果中，使用了多個(gè)具有256 MB板上內(nèi)存的PXIe-5122數(shù)字化儀。表一（如下所示）描述了根據(jù)所需通道的數(shù)目數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用的最大采樣率。

作為數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用的一個(gè)變體，您也可以將來(lái)自一個(gè)高速數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式導(dǎo)入我們的PXI控制器的板上存儲(chǔ)器。這一方法不要求一個(gè)RAID硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器配置，吞吐量也不受硬盤(pán)的磁盤(pán)寫(xiě)入速度限制。實(shí)際上，吞吐量受快速PCI總線的帶寬限制，而采集數(shù)據(jù)大小則受限于可用的PC存儲(chǔ)器的空間大小。在一個(gè)典型的數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用中，PC存儲(chǔ)器只是作為數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存。由于一個(gè)典型的嵌入式控制器能夠達(dá)到磁盤(pán)寫(xiě)入速度40 MB/s的能力，所以數(shù)據(jù)可以先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中然后再寫(xiě)入磁盤(pán)。

在下列數(shù)據(jù)流導(dǎo)入存儲(chǔ)器場(chǎng)景的標(biāo)定中，使用了一個(gè)具有2 GB板上存儲(chǔ)空間的PXI Express雙核控制器。對(duì)于100百萬(wàn)采樣每通道的采集大小，該測(cè)試需要高達(dá)1.2 GB的PC存儲(chǔ)器以支持六個(gè)通道。這里，再次使用了多個(gè)具有256 MB板上存儲(chǔ)空間的PXIe-5122數(shù)字化儀，以獲取最佳結(jié)果。其結(jié)果如下面表2所示：

數(shù)據(jù)流盤(pán)和數(shù)據(jù)流導(dǎo)入存儲(chǔ)器應(yīng)用能夠在PXI中達(dá)到如此之高的吞吐量的一個(gè)原因，便是利用了一個(gè)高帶寬與低時(shí)延的數(shù)據(jù)總線——快速PCI。如果我們將該總線與其它標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線相比較，我們將發(fā)現(xiàn)該總線提供了最高的吞吐量和最低的數(shù)據(jù)時(shí)延。

這種將數(shù)據(jù)以流的形式導(dǎo)入磁盤(pán)的能力使得許多應(yīng)用獲益匪淺。這里我們將詳細(xì)討論的兩個(gè)常見(jiàn)應(yīng)用為：1）信號(hào)情報(bào)/頻譜監(jiān)測(cè)和2）數(shù)字視頻測(cè)試。

信號(hào)情報(bào)：中頻數(shù)據(jù)流盤(pán)

現(xiàn)代軍事偵察、衛(wèi)星通信和頻譜監(jiān)測(cè)應(yīng)用需要長(zhǎng)時(shí)間地將大部分?jǐn)?shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式導(dǎo)入硬盤(pán)的能力。以往，這些應(yīng)用只能借助構(gòu)建和維護(hù)都十分昂貴的定制硬件實(shí)現(xiàn)。然而，信號(hào)情報(bào)應(yīng)用中的波形數(shù)據(jù)流盤(pán)，現(xiàn)在可以通過(guò)商業(yè)現(xiàn)成可用（COTS）的PXI和PXI Express儀器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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為了捕獲RF信號(hào)，我們使用一個(gè)高速數(shù)字化儀以采集來(lái)自下變頻器的中頻（IF）信號(hào)。該下變頻器工作于RF頻段，使用一個(gè)或多個(gè)混頻器將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換到一個(gè)可以為高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器所捕獲的頻率范圍。利用PXIe-5122高速數(shù)字化儀的兩個(gè)采樣率為100 MS/s的通道，您可以采集到兩個(gè)IF信號(hào)，每個(gè)通道的帶寬為50 MHz。這使得信號(hào)采集的總RF帶寬為100 MHz。

對(duì)于信號(hào)情報(bào)應(yīng)用，部分頻譜以數(shù)據(jù)流的方式導(dǎo)入磁盤(pán)的典型持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)。一旦保存，該數(shù)據(jù)便可以通過(guò)功率譜或時(shí)頻譜進(jìn)行后續(xù)軟件處理。一些場(chǎng)合下，也可以通過(guò)任意波形發(fā)生器反向生成所捕獲的頻譜數(shù)據(jù)，以仿真實(shí)際環(huán)境。

消費(fèi)電子產(chǎn)品：數(shù)字視頻測(cè)試

另一項(xiàng)需要長(zhǎng)時(shí)間采集或測(cè)試波形的應(yīng)用便是數(shù)字視頻測(cè)試。DVI標(biāo)準(zhǔn)支持LCD顯示器和平板等離子顯示。因?yàn)樾碌募夹g(shù)需要更高時(shí)鐘速率，所以生成和采集移動(dòng)DVI顯示圖樣需要持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的波形。

當(dāng)使用DVI輸出測(cè)試現(xiàn)代機(jī)頂盒時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間生成或采集數(shù)字視頻圖樣對(duì)于準(zhǔn)確的測(cè)試非常關(guān)鍵。例如，測(cè)試當(dāng)今的機(jī)頂盒的圖像解壓縮和解碼算法，需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)試圖樣。由于像素偏移僅發(fā)生在移動(dòng)圖像上，所以檢測(cè)這些位誤差要求一次數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)牟杉掷m(xù)數(shù)秒甚至數(shù)分鐘。在下圖中，您可以觀察出像素偏移對(duì)數(shù)字圖像的影響。

借助PXI Express，可以利用現(xiàn)成可用的RAID硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器配置，持續(xù)采集DVI圖像高達(dá)數(shù)分鐘或者甚至數(shù)小時(shí)。例如，PXIe-6537高速數(shù)字I/O模塊通過(guò)配置，可以以高達(dá)200 MB/s的速率持續(xù)數(shù)小時(shí)（2.5小時(shí) = 1.8 TB）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流盤(pán)。因而，工程師們可以利用現(xiàn)成可用的PXI Express儀器執(zhí)行準(zhǔn)確的數(shù)字視頻像素偏移測(cè)試。

PXI Express儀器系統(tǒng)賦予PXI平臺(tái)前所未有的強(qiáng)大功能。通過(guò)PXI平臺(tái)，客戶能夠?qū)崿F(xiàn)：
* 靈活的、軟件定義的測(cè)量
* 模塊化儀器的集成
* 高數(shù)據(jù)吞吐量

憑借這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，PXI儀器系統(tǒng)使得各種應(yīng)用獲益匪淺，其中包括RF與通信測(cè)量、混合信號(hào)ASIC表征、信號(hào)情報(bào)和數(shù)字視頻測(cè)試等。而且，雖然PXI平臺(tái)業(yè)已提供了所有這些技術(shù)，但是，PXI Express通過(guò)利用快速PCI總線大幅提高吞吐量，顯著改進(jìn)了該平臺(tái)的性能。因而，客戶能夠創(chuàng)建高精確的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，與以往系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不僅測(cè)試時(shí)間更短，而且測(cè)試功能也更為強(qiáng)大。