PXI Express將PXI平臺推向新應用領(lǐng)域(圖)

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展)平臺基于成熟的PCI總線(xiàn)技術(shù),隨著(zhù)PCI發(fā)展到PCI-Express，PCI Express技術(shù)也被引入到PXI的標準中，2005年,PXISA官方組織推出了PXI Express的軟硬件標準，通過(guò)在背板使用PCI Express技術(shù)，PXI Express能夠將帶寬整整提高45倍，從原來(lái)PXI的132MB/s提高到6GB/s。除了PXI現有的定時(shí)和同步功能，PXI Express還提供了附加的定時(shí)和觸發(fā)總線(xiàn)，包括100MHz差分系統時(shí)鐘、差分信號，以及差分星形觸發(fā)等(見(jiàn)圖1)。通過(guò)使用差分時(shí)鐘和觸發(fā)，PXI Express系統增加了對儀器時(shí)鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時(shí)鐘信號。

圖1 在PXI平臺現有功能的基礎上，PXI Express提供了附加的定時(shí)和同步功能，實(shí)現了更高精度的測量

除了上面性能上的提升，PXI Express同時(shí)還保持了和原來(lái)PXI軟硬件上完全的兼容性。PCI Express的軟件兼容性使得PXI提供的標準軟件框架同樣適用于PXI Express。為了保證硬件的兼容性，PXI Express標準中定義了一種混合插槽，使得工程師能夠在同一個(gè)插槽中安裝PXI或者PXI Express的模塊。這些硬件和軟件上的兼容性，最大程度地保留了用戶(hù)在PXI系統和產(chǎn)品上現有的投資。

帶寬的提升、附加的定時(shí)及同步功能，以及與PXI軟硬件上完全的兼容性，這些性能的提升，使得PXI Express能夠進(jìn)入到更多以往被專(zhuān)用儀器所統制的一些應用領(lǐng)域。PXI Express標準的拓展,使得PXI平臺進(jìn)入到更多全新的應用領(lǐng)域。

圖2 基于PXI的數據流盤(pán)架構

視頻測試應用

PXI Express標準可以更好地保證機箱中的每一塊板卡都享有最小帶寬保障。例如，采用PXI標準，一個(gè)視頻卡很容易占用全部132MB的可用帶寬，使機箱中的其他板卡無(wú)法使用，而在PXI Express系統中，這種情況就不太可能發(fā)生。隨著(zhù)符合PXI Express標準的設備越來(lái)越多,PXI/PXI Express平臺會(huì )更適合視頻測試應用。比如,NI推出的PXIe-1065 18槽機箱能提供高達1GB/s每插槽的專(zhuān)用帶寬，并具有PXI和PXI Express的混合插槽，可以應用于通信情報、光譜測量、半導體芯片特性測量以及視頻測試應用等。

數據的實(shí)時(shí)流盤(pán)應用

數據流盤(pán)就是將采集的原始數據存儲，以便日后分析、調試以及存儲,這在一些高速測量中應用非常多,比如,視頻測試、多通道數據采集系統、RF/IF信號的記錄與回放、數字協(xié)議測試、連續的波形發(fā)生、碰撞測試等都是典型需要數據流盤(pán)的應用。在PXI Express出現之前,這些測量一般通過(guò)傳統的昂貴的臺式儀器來(lái)完成。傳統的臺式儀器雖然具有非常高的采樣率和帶寬，但由于板載內存容量的限制，其連續采集的時(shí)間和波形存儲的容量有限，通過(guò)GPIB(或者以太網(wǎng)、USB)傳回控制PC的往往也只是分析的結果，如果要傳遞原始的測量數據將耗費大量的測試時(shí)間(GPIB的帶寬約為1MB/s)。因此,用戶(hù)要想拿到原始的數據,進(jìn)行自定義的分析,必須付出昂貴的代價(jià)和時(shí)間成本。

如今，借助于PXI/PXI Express的高帶寬，用戶(hù)可以輕松的采集大量的原始數據、通過(guò)總線(xiàn)傳輸回控制器并實(shí)時(shí)地存儲在硬盤(pán)上，用于后續自定義的分析和數據備份。

美國國家儀器有限公司(National Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)在去年推出了一系列基于PXI Express規范的PXI設備，可以實(shí)現高達600MB/s的持續磁盤(pán)記錄和回放速度。這批PXI設備包括模塊化儀器、嵌入式控制器和RAID磁盤(pán)陣列，提供高達600MB/s的持續磁盤(pán)記錄和回放速度（如圖3所示）。通過(guò)數據流盤(pán)功能，工程師可以獲得更高的持續信號采集和生成速率，縮短測試時(shí)間。與之前昂貴的采用專(zhuān)用系統的數據流盤(pán)應用相比，基于PXI的數據流盤(pán)可以大大節省成本。

圖3 能夠以600MB/s速率持續數據流盤(pán)的PXI設備

多通道的高速采集應用

工業(yè)及軍工中有許多情況需要構建大型的測試系統，比如，大橋的健康狀態(tài)監測、空間衛星測試、風(fēng)洞測試等，這些系統的共同特點(diǎn)是：需采集多個(gè)數據，且對采集速率和性能要求高；通道間需要同步、定時(shí)?？梢?jiàn)，PXI/PXI Express在這些領(lǐng)域具有絕對的優(yōu)勢：首先，模塊化基于PC的架構可以提供靈活的擴展功能，用于擴展通道數；其次，PXI/PXI Express背板提供了高達6GB/s的帶寬，足以滿(mǎn)足高速數據傳輸的需求；而且，由于PXI Express協(xié)議采用的是100MHz差分信號而不是PXI標準的10MHz單端信號，這將提高機箱中板與板之間的信號傳遞速度，使得基于PXI Express的儀器觸發(fā)水平達到皮秒級，而且可以極大地改善同步功能，從而實(shí)現更高精度的測量（如圖4所示）；最重要的一點(diǎn)是，市場(chǎng)上有豐富多樣的高性能模塊化儀器可供選擇，這給了用戶(hù)構建自己測試系統更多的選擇。

圖4 基于PXI架構的多通道數據采集系統，任意機箱兩個(gè)通道間的同步精度1ns

RF測試應用

PXI向PXI Express的拓展,大大提高數據傳輸帶寬,使PXI平臺的應用從中、低頻段的高精度測量向高頻乃至RF發(fā)展。今天，射頻的應用已十分普遍，未來(lái)無(wú)線(xiàn)裝置要支持各種空中接口和調制格式，要求測試設備必須具有高度的靈活性、可擴展性以及強大的處理能力，而基于PXI/PXI Express的各種射頻測試模塊再配合相應軟件，就可搭建成適應不同測試要求的靈活的射頻測試平臺。比如，利用NI 5640R IF RIO可重配置中頻處理模塊配合NI PXI-5671信號發(fā)生器以及NI PXI-5660矢量信號分析儀，即可構建功能強大、多標準、可擴展的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺,該平臺擁有雙通道14位精度100MHz高速A/D模擬信號輸入通道、雙通道14位精度200MHz的D/A模擬信號輸出通道，并含有數字下變頻及數字上變頻模塊，能夠完成高速模擬信號的采集和處理，主要應用于性能要求較高的雷達、視頻、軟件無(wú)線(xiàn)電、通信系統的信號處理等。隨著(zhù)符合PXI Express標準的設備越來(lái)越多,基于PXI/PXI Express平臺的RF測試應用也會(huì )越來(lái)越多。

總結

PXI Express基于PCI Express總線(xiàn),隨著(zhù)PCI Express標準從Gen1、Gen2向Gen3發(fā)展，以及Intel等眾多廠(chǎng)商的不斷投資,PXI Express設備的性能也必將因此獲益而得到不斷提升,再加上PXI聯(lián)盟成員的大力研發(fā)投入和市場(chǎng)推廣，這將促進(jìn)PXI/PXI Express平臺向更多新應用領(lǐng)域擴展。正如NI公司研發(fā)部高級副總裁Tim Dehne所言,PXI Express標準將支持高性能儀表、RF測試、機器視覺(jué)、監視系統以及我們還沒(méi)想到的更多市場(chǎng)應用。