R系列PXIe總線高性能技術(shù)用于自定義數(shù)字應(yīng)用

1. 概述

NI R系列多功能RIO設(shè)備具有用戶定義的板載處理功能，使系統(tǒng)定時(shí)及觸發(fā)具有高度的靈活性。 R系列硬件采用用戶可編程的FPGA來(lái)替代用于控制設(shè)備功能的固定式ASIC芯片，使得所有模擬和數(shù)字I/O通道均可針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行配置。 使用LabVIEW FPGA模塊，您無(wú)需深入了解硬件描述語(yǔ)言就可以通過(guò)LabVIEW控制硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制、數(shù)字通信協(xié)議、傳感器仿真和內(nèi)聯(lián)信號(hào)處理等功能。

LabVIEW RIO架構(gòu)

十多年來(lái)，工程師和科學(xué)家們已經(jīng)使用R系列設(shè)備和LabVIEW可重配置I/O架構(gòu)來(lái)增強(qiáng)基于PC的電子系統(tǒng)的功能，進(jìn)而獲得應(yīng)用所需要的性能、穩(wěn)定性和確定性。 這篇白皮書主要介紹了PXIe總線數(shù)字I/O類的R系列設(shè)備，這是R系列家族中最新的高性能技術(shù)，可用于自定義數(shù)字應(yīng)用。

2. Kintex-7 提升性能和功能
Xilinx公司的Kintex-7 FPGA擁有和前代高端FPGA相同的資源容量和性能，但是功耗僅為前代高端FPGA芯片的一半，非常適用于PXIe總線數(shù)字I/O類的R系列設(shè)備。 與前代數(shù)字I/O類R系列設(shè)備相比，功耗的大幅降低使得每個(gè)設(shè)備可以分配更多的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)資源。 隨著邏輯資源和DSP資源的增多，您可以借助使用愈加廣泛的信號(hào)處理技術(shù)和實(shí)時(shí)分析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的算法，解決日益增長(zhǎng)的I/O數(shù)據(jù)速率和當(dāng)今應(yīng)用復(fù)雜程度所帶來(lái)的問(wèn)題。 表格1比較了PXIe總線數(shù)字I/O類R系列設(shè)備所使用的FPGA和前代PXI總線R系列設(shè)備使用的FPGA。

表1.?PXI和PXIe總線R系列設(shè)備中的FPGA比較

3. 新特性

PXIe總線數(shù)字I/O類R系列設(shè)備具有一些優(yōu)于PXI總線R系列設(shè)備的新特性。 這些特性包括用戶可選擇的邏輯電平、更快的數(shù)字I/O速率、DRAM選項(xiàng)、更高的數(shù)據(jù)流盤能力以及外部時(shí)鐘輸入。

R系列設(shè)備使用一個(gè)可編程的FPGA來(lái)替代固定功能的ASIC芯片來(lái)控制設(shè)備的功能，所以您可以通過(guò)配置I/O來(lái)滿足特定應(yīng)用需求。 使用LabVIEW FPGA，單塊硬件就可以滿足最苛刻的要求，并且可以輕松重配置以滿足將來(lái)應(yīng)用的需求。 圖3的例子展示了如何使用LabVIEW FPGA編程實(shí)現(xiàn)在R系列設(shè)備的數(shù)字I/O線上連續(xù)讀寫數(shù)據(jù)。

使用R系列設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的DIO功能

可選的數(shù)字邏輯電平
R系列設(shè)備的靈活性使得諸如與自定義數(shù)字協(xié)議進(jìn)行通信等關(guān)鍵應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)成為可能。 例如，您可以把協(xié)議編解碼部分放到R系列設(shè)備的FPGA上從而減輕您的上位機(jī)CPU處理負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化上位機(jī)程序，使上位機(jī)程序直接使用數(shù)據(jù)進(jìn)行工作而不用接觸底層協(xié)議信號(hào)。 另一個(gè)例子是和某些設(shè)備進(jìn)行協(xié)議通信，這些設(shè)備需要在一個(gè)固定的時(shí)間范圍內(nèi)響應(yīng)特定的信號(hào)。 FPGA通過(guò)板載資源處理特定的數(shù)據(jù)而不用把數(shù)據(jù)在FPGA和CPU之間來(lái)回傳遞，F(xiàn)PGA降低了延時(shí)，使您有能力實(shí)現(xiàn)第二個(gè)例子中提到的需求。 然而，并非所有的待測(cè)設(shè)備（DUT）都有相同的通信邏輯電平。 可編程選擇數(shù)字邏輯電平的功能讓您在使用PXIe總線數(shù)字I/O類R系列設(shè)備的時(shí)候，能夠直接與DUT連接，可編程選擇的數(shù)字邏輯電平包括：3.3V，2.5V，1.8V，1.5V和1.2V。

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PXIe總線數(shù)字I/O類R系列設(shè)備提供可選擇的數(shù)字邏輯電平

更快的DIO速率
除了可選擇數(shù)字邏輯電平以外，PXIe數(shù)字I/O類R系列設(shè)備與前代設(shè)備相比還提供了更快的DIO速率。 這些新設(shè)備上的DIO支持的最高頻率可達(dá)80MHz。

表2.?PXI和PXIe數(shù)字I/O類R系列設(shè)備的最大DIO頻率和需要的附件

為了支持更高的速率，NI設(shè)計(jì)了新的線纜和接線盒附件。 PXIe數(shù)字I/O類R系列設(shè)備使用SHC68-C68-RDIO2線纜和SCB-68 HSDIO接線盒替代前代設(shè)備使用的SHC68-68-RDIO線纜和SCB-68A接線盒。

PXIe數(shù)字I/O類R系列設(shè)備使用高性能附件支持對(duì)高性能信號(hào)的訪問(wèn)

這些附件在FPGA和DUT之間提供阻抗匹配連接，這允許R系列設(shè)備運(yùn)行在更高的速率上，同時(shí)還具有高度的信號(hào)完整性。

DRAM
許多高性能儀器使用DRAM作為本地存儲(chǔ)。 PXIe數(shù)字I/O類R系列設(shè)備提供DRAM資源，這樣您可以完全自由地把這種形式的本地存儲(chǔ)資源整合到您自己的應(yīng)用中。 典型的DRAM用途包括為基于記錄的采集/生成應(yīng)用提供簡(jiǎn)單的本地存儲(chǔ)，以及為通道仿真實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)延時(shí)鏈等。

表3.?PXIe R系列DRAM選項(xiàng)

數(shù)據(jù)流盤
許多應(yīng)用需要把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方流盤到另一個(gè)地方。 這種數(shù)據(jù)流盤可以是在主機(jī)CPU和單個(gè)硬件模塊之間，也可以是從一個(gè)模塊到另一個(gè)模塊而根本不經(jīng)過(guò)主機(jī)。 第一種主機(jī)和R系列設(shè)備上的FPGA之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)流盤通過(guò)一個(gè)DMA FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)，DMA FIFO允許FPGA像使用自己的資源一樣使用主機(jī)的RAM來(lái)在FPGA之間傳輸數(shù)據(jù)。 前代的R系列設(shè)備具有3個(gè)DMA FIFO，這3個(gè)DMA FIFO在單方向上可以獨(dú)立使用。 使用PXIe-782x R系列新家族成員，您可以訪問(wèn)16個(gè)獨(dú)立的DMA通道，這16個(gè)通道您可以用于傳輸數(shù)據(jù)，傳輸方向可以是從終端到主機(jī)也可以是從主機(jī)到終端。

第二種流盤是完全不經(jīng)過(guò)主機(jī)的模塊到模塊的方式。 這一過(guò)程就是大家熟悉的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）數(shù)據(jù)流盤。 NI P2P數(shù)據(jù)流盤技術(shù)使用PCIe總線，允許多個(gè)儀器之間直接點(diǎn)到點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，不用經(jīng)過(guò)主機(jī)處理器或者內(nèi)存。 該技術(shù)使得一個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備之間可以共享信息而不會(huì)加重其他系統(tǒng)資源的負(fù)擔(dān)。 除了PXIe總線的數(shù)字I/O類R系列設(shè)備，PXIe總線的FlexRIO模塊也支持NI P2P技術(shù)，PXIe總線的數(shù)字化儀、矢量信號(hào)分析儀、矢量信號(hào)發(fā)生器和任意波形發(fā)生器也都支持NI P2P技術(shù)。 打算了解更多關(guān)于P2P數(shù)據(jù)流盤的信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流介紹。

外部時(shí)鐘
當(dāng)使用前代R系列設(shè)備編程時(shí)，您得使用40MHz時(shí)基或者從時(shí)基衍生出一個(gè)時(shí)鐘來(lái)。 時(shí)基為硬件中的數(shù)字信號(hào)，可用作FPGA應(yīng)用的時(shí)鐘。 衍生時(shí)鐘是由時(shí)基創(chuàng)建而來(lái)的一個(gè)時(shí)鐘，您同樣可以使用衍生時(shí)鐘作為FPGA應(yīng)用的時(shí)鐘。 時(shí)基和衍生時(shí)鐘有助于您指定單周期定時(shí)循環(huán)的執(zhí)行速率。 然而，當(dāng)您在LabVIEW項(xiàng)目中創(chuàng)建一個(gè)衍生時(shí)鐘時(shí)，LabVIEW會(huì)找一個(gè)FPGA實(shí)際支持且與目標(biāo)頻率最接近的頻率作為衍生時(shí)鐘的頻率，這樣的頻率也許不能滿足您的特定應(yīng)用的需求。 在PXIe總線的數(shù)字I/O類R系列設(shè)備中，您可以把多達(dá)4個(gè)外部的穩(wěn)定時(shí)鐘源導(dǎo)入到LabVIEW中，并以這些指定的時(shí)鐘速率驅(qū)動(dòng)您的DIO，這4個(gè)外部時(shí)鐘源每個(gè)支持的最高頻率可達(dá)80MHz。

PXIe總線的數(shù)字I/O類R系列設(shè)備使您可以導(dǎo)入最高80MHz的外部參考時(shí)鐘

4. 其他資源

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