基于高帶寬的PXI Express平臺 實(shí)現高速數據記錄

圖三、配置為4-Link的凌華科技PXES-2780機箱示意圖

若將PXI Express系統槽位設置成2-Link x8， 則可得到更高的傳輸帶寬。凌華科技的PXES-2780機箱，其系統槽位可通過(guò)軟件設置成2-Link x8接口，其架構如下圖4。使用該架構，槽位8與槽位12可以提供x8的帶寬。

圖四、規劃成2-Link的凌華科技 PXES-2780機箱示意圖

使用者若能熟悉PXI Express機箱的規劃架構，將能使模塊化儀器在傳輸大量數據上獲得更佳的傳輸性能。

l 系統內存與操作系統(OS)

在PXI Express系統控制器上，若能配有大容量的系統內存，則可延長(cháng)數據記錄的時(shí)間。然而搭配不同的操作系統(Operating System)可能會(huì )有不同的內存上限。例如對于32位的操作系統，其內存尋址空間通常不能超過(guò)4GB，而對于64位操作系統而言，一般可達512GB或者1TB的內存尋址。因此使用者需根據自身的需求來(lái)選擇合適的操作系統，以支持所需的內存空間。

l 存儲裝置

要能穩定的執行大數據的讀寫(xiě)工作，選擇合適的存儲裝置極為重要。硬盤(pán)(HDD)是一種具有特別的機械裝置，內含有高速旋轉的磁盤(pán)以及具有磁性的讀寫(xiě)頭，來(lái)回于磁盤(pán)表面上，用以讀取磁盤(pán)內所存儲的數據單元。由此可知，讀或寫(xiě)的速度將會(huì )受限于讀寫(xiě)頭的移動(dòng)速度。為了增加讀寫(xiě)的速度，幾個(gè)硬盤(pán)通常會(huì )被組合起來(lái)成為一個(gè)虛擬的硬盤(pán)，這也是大家所熟知的RAID(Redundant Array of Independent Disks)，即磁盤(pán)陣列。另外最近越來(lái)越流行的固態(tài)磁盤(pán)則因為沒(méi)有讀寫(xiě)頭的機械移動(dòng)問(wèn)題，因此能提供較硬盤(pán)更好的讀寫(xiě)效率。若考慮到最佳的讀寫(xiě)性能的話(huà)，固態(tài)磁盤(pán)將會(huì )是最佳的選擇。

應用示例一、數據記錄至系統內存

材料結構測試的高速數據記錄

l 方案需求

某系統集成商想要開(kāi)發(fā)一套多通道材料震動(dòng)監控設備，并能夠實(shí)現從不同的傳感器同時(shí)進(jìn)行1MS/s~50MS/s采樣率的數據采集，同時(shí)將采集進(jìn)來(lái)的數據記錄到系統內存中，以直接進(jìn)行后續的處理，而不需要將數據記錄到磁盤(pán)上做存儲。另外該系統集成商希望每個(gè)采集通道能夠記錄至少5~10秒的時(shí)間。接下來(lái)我們會(huì )針對這些應用條件進(jìn)行評估，并討論使用PXI Express平臺實(shí)現這類(lèi)型應用時(shí)，不同的采樣率在設計上會(huì )遇到的瓶頸有哪些。

l 評估

下面是我們用來(lái)評估這個(gè)高速數據記錄系統會(huì )使用到的組件:

ü PXI Express機箱: 凌華科技PXES-2780，18槽PXI Express機箱

ü 數字化儀: 凌華科技PXIe-9848，高速8通道100 MS/s 14位PXI Express數字化儀

首先我們先考慮PXI Express機箱中只有單一數字化儀的狀況。下表是單一數字化儀在不同采樣率下，以不同采集時(shí)間所需要的內存評估表。

當只有一張PXIe-9848時(shí)，以100MS/s進(jìn)行8通道的采樣時(shí)，總數據帶寬為1.6GB/s。然而PXIe-9848其接口為PCIe x4且為Gen 1，因此若要進(jìn)行連續不斷的數據記錄時(shí)，其產(chǎn)生的數據量最好能低于1GB/s。若將采樣率降低至50MS/s，則PXIe-9848能產(chǎn)生800MB/s數據量。由于PXES-2780機箱采用PCIe Gen2規格，因此能夠負荷800MB/s的數據量。若要以50MS/s采樣率進(jìn)行10秒長(cháng)度的采樣，則進(jìn)一步的限制會(huì )落在系統內存大小上，以此狀況下，需要8GB系統內存。若系統內存無(wú)法分配出高達8GB的系統內存供數字化儀使用，則必須縮減采樣時(shí)間的長(cháng)度。

接下來(lái)，我們再來(lái)考慮多張卡片安裝于同一系統的狀況。若想要達到最多采樣通道，那么最多則可以把17張PXIe-9848數字化儀，安裝于機箱內，那么此時(shí)除了考慮PXI Express控制器的系統帶寬外，還要把PXI Express背板上的PCIe連接配置也考慮進(jìn)去。

我們觀(guān)察PXES-2780機箱的連接配置，如圖四所示，它上面的PCIe switch#1上游有兩個(gè)x4的連接通道，下游有三個(gè)x4連接通道，因此以平均來(lái)說(shuō)，每個(gè)下游通道可從上游通道分得約1.33GB/s的帶寬(4GB/s ÷ 3 ports)。PCIe switch#2也可用相同的計算方式來(lái)?yè)Q算其下游帶寬。至于PCIe switch#3與#4的下游通道約可分別分得222MB/s (1.33GB ÷ 6 ports)及190MB/s (1.33GB/s ÷ 7 ports)的帶寬。若每個(gè)數字化儀都使用同樣的采樣率，則帶寬瓶頸會(huì )出現在位于第10、13~18插槽的數字化儀上。

圖五、配置成PCIe x4 link的機箱帶寬預估示意圖

若我們根據第10、13~18槽的帶寬限制，來(lái)計算不同采樣時(shí)間長(cháng)度所需的系統內存，其結果如下表:

由上表評估結果可知，若以5MS/s采樣率進(jìn)行5秒鐘連續采樣，17張數字化儀共需系統內存達6.8GB大小。若采樣率達10MS/s，則記錄時(shí)間會(huì )縮減至2秒(需5.44GB內存)，若仍需要加長(cháng)記錄時(shí)間，則數字化儀上的板載內存將可延成某個(gè)程度的記錄時(shí)間。

應用示例二、數據記錄至磁盤(pán)

激光監控中高速光二極管的信號采集

l 方案需求

客戶(hù)的應用是有關(guān)激光信號監控，需要采集光二極管的信號且需為便攜式的設計。只需要采集一個(gè)通道，但采樣率需高達200MS/s。

l 解決方案

由于客戶(hù)需要高達200MS/s的單通道采樣率，因此以凌華PXIe-9842及便攜式的PXI Express機箱PXES-2590為應用組合，以此提供高達400MB/s的數據記錄速率。由于需要將數據記錄至磁盤(pán)，而PXI Express控制器上的磁盤(pán)裝置一般很難提供高達400MB/s的帶寬，即使使用SSD也很難，因此使用外部的RAID存儲裝置來(lái)進(jìn)行數據存取。我們使用的RAID模塊是PXI Express接口且具有4個(gè)SATA III界面的SSD。