PXI Express將PXI平臺(tái)推向新應(yīng)用領(lǐng)域(圖)

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)平臺(tái)基于成熟的PCI總線技術(shù),隨著PCI發(fā)展到PCI-Express，PCI Express技術(shù)也被引入到PXI的標(biāo)準(zhǔn)中，2005年,PXISA官方組織推出了PXI Express的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)，通過在背板使用PCI Express技術(shù)，PXI Express能夠?qū)捳岣?5倍，從原來PXI的132MB/s提高到6GB/s。除了PXI現(xiàn)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，包括100MHz差分系統(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)，以及差分星形觸發(fā)等(見圖1)。通過使用差分時(shí)鐘和觸發(fā)，PXI Express系統(tǒng)增加了對(duì)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(hào)。

圖1 在PXI平臺(tái)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，PXI Express提供了附加的定時(shí)和同步功能，實(shí)現(xiàn)了更高精度的測(cè)量

除了上面性能上的提升，PXI Express同時(shí)還保持了和原來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(biāo)準(zhǔn)軟件框架同樣適用于PXI Express。為了保證硬件的兼容性，PXI Express標(biāo)準(zhǔn)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在PXI系統(tǒng)和產(chǎn)品上現(xiàn)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)入到更多以往被專用儀器所統(tǒng)制的一些應(yīng)用領(lǐng)域。PXI Express標(biāo)準(zhǔn)的拓展,使得PXI平臺(tái)進(jìn)入到更多全新的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 基于PXI的數(shù)據(jù)流盤架構(gòu)

視頻測(cè)試應(yīng)用

PXI Express標(biāo)準(zhǔn)可以更好地保證機(jī)箱中的每一塊板卡都享有最小帶寬保障。例如，采用PXI標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)視頻卡很容易占用全部132MB的可用帶寬，使機(jī)箱中的其他板卡無(wú)法使用，而在PXI Express系統(tǒng)中，這種情況就不太可能發(fā)生。隨著符合PXI Express標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備越來越多,PXI/PXI Express平臺(tái)會(huì)更適合視頻測(cè)試應(yīng)用。比如,NI推出的PXIe-1065 18槽機(jī)箱能提供高達(dá)1GB/s每插槽的專用帶寬，并具有PXI和PXI Express的混合插槽，可以應(yīng)用于通信情報(bào)、光譜測(cè)量、半導(dǎo)體芯片特性測(cè)量以及視頻測(cè)試應(yīng)用等。

數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流盤應(yīng)用

數(shù)據(jù)流盤就是將采集的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以便日后分析、調(diào)試以及存儲(chǔ),這在一些高速測(cè)量中應(yīng)用非常多,比如,視頻測(cè)試、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、RF/IF信號(hào)的記錄與回放、數(shù)字協(xié)議測(cè)試、連續(xù)的波形發(fā)生、碰撞測(cè)試等都是典型需要數(shù)據(jù)流盤的應(yīng)用。在PXI Express出現(xiàn)之前,這些測(cè)量一般通過傳統(tǒng)的昂貴的臺(tái)式儀器來完成。傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器雖然具有非常高的采樣率和帶寬，但由于板載內(nèi)存容量的限制，其連續(xù)采集的時(shí)間和波形存儲(chǔ)的容量有限，通過GPIB(或者以太網(wǎng)、USB)傳回控制PC的往往也只是分析的結(jié)果，如果要傳遞原始的測(cè)量數(shù)據(jù)將耗費(fèi)大量的測(cè)試時(shí)間(GPIB的帶寬約為1MB/s)。因此,用戶要想拿到原始的數(shù)據(jù),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，用戶可以輕松的采集大量的原始數(shù)據(jù)、通過總線傳輸回控制器并實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)在硬盤上，用于后續(xù)自定義的分析和數(shù)據(jù)備份。

美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(National Instruments，簡(jiǎn)稱NI)在去年推出了一系列基于PXI Express規(guī)范的PXI設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)600MB/s的持續(xù)磁盤記錄和回放速度。這批PXI設(shè)備包括模塊化儀器、嵌入式控制器和RAID磁盤陣列，提供高達(dá)600MB/s的持續(xù)磁盤記錄和回放速度（如圖3所示）。通過數(shù)據(jù)流盤功能，工程師可以獲得更高的持續(xù)信號(hào)采集和生成速率，縮短測(cè)試時(shí)間。與之前昂貴的采用專用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流盤應(yīng)用相比，基于PXI的數(shù)據(jù)流盤可以大大節(jié)省成本。

圖3 能夠以600MB/s速率持續(xù)數(shù)據(jù)流盤的PXI設(shè)備

多通道的高速采集應(yīng)用

工業(yè)及軍工中有許多情況需要構(gòu)建大型的測(cè)試系統(tǒng)，比如，大橋的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、空間衛(wèi)星測(cè)試、風(fēng)洞測(cè)試等，這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是：需采集多個(gè)數(shù)據(jù)，且對(duì)采集速率和性能要求高；通道間需要同步、定時(shí)?？梢?，PXI/PXI Express在這些領(lǐng)域具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)：首先，模塊化基于PC的架構(gòu)可以提供靈活的擴(kuò)展功能，用于擴(kuò)展通道數(shù)；其次，PXI/PXI Express背板提供了高達(dá)6GB/s的帶寬，足以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅欢?，由于PXI Express協(xié)議采用的是100MHz差分信號(hào)而不是PXI標(biāo)準(zhǔn)的10MHz單端信號(hào)，這將提高機(jī)箱中板與板之間的信號(hào)傳遞速度，使得基于PXI Express的儀器觸發(fā)水平達(dá)到皮秒級(jí)，而且可以極大地改善同步功能，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)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，這給了用戶構(gòu)建自己測(cè)試系統(tǒng)更多的選擇。

圖4 基于PXI架構(gòu)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，任意機(jī)箱兩個(gè)通道間的同步精度<1ns

RF測(cè)試應(yīng)用

PXI向PXI Express的拓展,大大提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬,使PXI平臺(tái)的應(yīng)用從中、低頻段的高精度測(cè)量向高頻乃至RF發(fā)展。今天，射頻的應(yīng)用已十分普遍，未來無(wú)線裝置要支持各種空中接口和調(diào)制格式，要求測(cè)試設(shè)備必須具有高度的靈活性、可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的處理能力，而基于PXI/PXI Express的各種射頻測(cè)試模塊再配合相應(yīng)軟件，就可搭建成適應(yīng)不同測(cè)試要求的靈活的射頻測(cè)試平臺(tái)。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(hào)發(fā)生器以及NI PXI-5660矢量信號(hào)分析儀，即可構(gòu)建功能強(qiáng)大、多標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展的軟件無(wú)線電平臺(tái),該平臺(tái)擁有雙通道14位精度100MHz高速A/D模擬信號(hào)輸入通道、雙通道14位精度200MHz的D/A模擬信號(hào)輸出通道，并含有數(shù)字下變頻及數(shù)字上變頻模塊，能夠完成高速模擬信號(hào)的采集和處理，主要應(yīng)用于性能要求較高的雷達(dá)、視頻、軟件無(wú)線電、通信系統(tǒng)的信號(hào)處理等。隨著符合PXI Express標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備越來越多,基于PXI/PXI Express平臺(tái)的RF測(cè)試應(yīng)用也會(huì)越來越多。

總結(jié)

PXI Express基于PCI Express總線,隨著PCI Express標(biāo)準(zhǔn)從Gen1、Gen2向Gen3發(fā)展，以及Intel等眾多廠商的不斷投資,PXI Express設(shè)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(tái)向更多新應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。正如NI公司研發(fā)部高級(jí)副總裁Tim Dehne所言,PXI Express標(biāo)準(zhǔn)將支持高性能儀表、RF測(cè)試、機(jī)器視覺、監(jiān)視系統(tǒng)以及我們還沒想到的更多市場(chǎng)應(yīng)用。