PXI-Express总线标准

PLXExpress总线标准1.PXI总线概述PXI（PCIextensionsforInstrumentation，面向仪器系统的PCI扩展）平台是基于成熟的PCI总线技术，随着PCI发展到PCI-Express，PCIExpress技术也被引入到PXI的标准中，2005年，PXISA官方组织推出了新一代基于高速差分信号和交换式结构的PXI-Express的软硬件标准。与PXI相比，PXI-Express具有以下几个方面的突出特点：1)数据吞吐量高：由于采用了高速串行差分信号和交换式结构（SwitchedFabrics），PXI-Express能够将传统并行总线的带宽提高约45倍，从原来PXI的132MB/s突发传输速率提高到6GB/s，突破了传统PXI总线传输速率的瓶颈；2)除了保持PXI现有的定时和同步功能，PXI-Express还提供了附加的定时和触发总线，包括：100MHz差分系统时钟、差分星形触发信号，以及槽间菊花链式差分信号等；3)通过使用差分时钟和触发信号，PXI-Express系统提高了对仪器时钟信号的抗噪声能力，确保可靠同步和触发。除了上述性能上的提升，PXI-Express同时还保持了和原来PXI软件上的完全兼容性。PCI-Express的软件兼容性使得PXI提供的标准软件框架同样适用于PXI-Express。传统的PXI总线仪器用户可以“无妨碍”地过渡到先进的PXI-Express总线仪器。2.PXI-Express总线的技术优势PXI-了混合兼容的插槽，使得PXI与PXI-Express模块可以协同工作于同一系统。故PXI与PXI-Express系统均有面向自动化测试应用的三个关键技术优势。这些技术优势包括：（1）灵活的、软件定义的仪器。（2）模块化仪器的集成。（3）高数据吞吐量。软件定义的仪器系统所具备的灵活性，使得用户可以为各种不同的测量重新配置测试系统。这对于RF/通信制造测试尤为重要，该领域常常需要对同一台设备针对多个协议标准进行特定测量。其次，将模块化仪器集成到同一系统，使得用户可以从超过1500种现有的PXI仪器中选择合适的仪器。这些仪器包括测试与测量行业中最高性能的仪器；1）18位高精度多功能数据采集。2)采样率为500ks/s，精度高达24位的高精度数字化仪器。3）具有PA精度和1000v测量范围的快速7位半数字毫表。4）高达6.6GHz的RF信号分析与发生器5)高密度通道数与同步（高达5000个动态通道）。这种在同一系统中使用多个PXI仪器的能力使得单个测试系统可以用于测试多种混合信号设备。一个常见应用时PXI系统用于混合信号半导体ASIC特征。最后，PXI与PXI-Express仪器均具有一条用于仪器到主机PC传输信息的高性能数据线。PXI仪器为总线上的所有设备提供高达132MB/s的共享带宽。PXI-Express仪器通过快速PCI总线甚至能够达到更高的吞吐量。快速PCI总线是一个点对点的高速串行总线，其每插槽带宽可以从250MB/s扩展到2GB/S。例如，一个x4PXI-Express插槽为该插槽中的设备提供高达1GB/s的专用带宽。此外当更多仪器被添加至系统中时，系统的吞吐量相应增加。图1快速PCI的吞吐量随所使用仪器的数目扩展PXI-Express仪器吞吐量的提高，使得数项新的应用成为可能。凭借总线的高吞吐量，PXI-Express仪器与PXI-ExpressRAID硬盘驱动器协同使用，可以实现高速数据流导入磁盘或数据流导出磁盘的配置。这个能力尤其适用于两个特殊应用——智能信号与数字视频测试。3．PXI平台和SCExpress同步概述作为新一代的PXI平台，PXI-Express的技术设计为测量I/O设备提供了更高级别的同步，并且同时保持了向后的兼容性。PXI-Express背板中的100MHz差分时钟能够让多个设备将其采样时钟同步到相同的参考时钟上。背板上的触发线路让机箱设备可以进行协同触发，并且使用相同的100MHz时钟边沿。图2在PXI平台现有功能的基础上，PXI-Express提供了附加的定时和同步功能，实现了更高精度的测量与过去的PXI机箱相同，利用一块定时和同步模块可以将一个PXI-Express机箱中的背板时钟以更高精度的时钟来代替，或者还可以用于同步多个PXI-Express机箱中的测量设备。如果应用需要多个机箱在长距离下同步，可以用GPS或IRIG-BPXI定时模块使用共同的时间信号同步多个机箱。美国国家仪器公司已经用一种创新的方法提高了DAQmx的驱动能力来配置多个SCExpress模块的同步。单一的SCExpress模块类型的整个底板可以被编程来完成多个设备任务。对于多个设备任务，你可以使用相同的DAQmx编码来测量你的应用，从一个通道到544个通道，你也可以使用一个单一的DAQmx任务来自动地通过多个不同测量类型的测量板来同步信道。图3获取多个不同测量类型模块的LabVIEW代码当使用这种方式编程，SCExpress模块使用PXIExpress底板的100MHz的差分时钟作为参考时钟和背板触发线来同步。如下表SCExpress模块展示了强大的同步性能。表1多个设备任务的同步性能4．软件定义的测量：RF与通信测试利用虚拟仪器系统的方式，PCI或PCIe被用作从仪器到PC的数据总线。您可以结合定制算法或常见测量值（如上升时间或THD（总谐波失真）），对数据进行分析。利用软件定义测量，您可以重新配置仪器以执行各种任务。一个需要使用软件定义测量的应用领域便是RF与通信制造测试。由于现在的无线设备使用多种通信协议，如802.11g、GSM、GPS和蓝牙等，无线设备测试的挑战性和测试成本均日趋上升。以往，您需要多台仪器以表征不同通信标准下的设备性能。糟糕的是，使用多台独立仪器的成本会非常之高。如今，使用这种软件定义的RF测试方案，可以使用相同的硬件设备、通过重新配置软件从而实现对多种通信协议的测试。因而，您可以用同一台仪器与不同的软件结合使用，实现不同的测试功能。一个面向无线标准测试的仪器复用的常见范例，便是蜂窝电话制造测试，如图4所示。图4涉及多个标准的蜂窝通信制造测试如图所示，单个PXI失量信号分析仪捕获对应不同通信标准的各种频率的RF信号。由于通信协议堆栈用软件实现，您可以将同一台仪器复用于每一个通信标准。因而，软件定义的测量方式缩减了测试成本与空间占用。5.多仪器集成：混合信号ASIC的表征对于混合信号测试，PXI的另一个技术优势便是，它提供了在同一个系统中紧密集成多个仪器的能力。这一能力提供了仪器间的精确同步和模拟与数字数据间的相关，并减少了仪器所占用的空间。这种实现仪器系统的混合信号方式使得多种测试应用获益匪浅。范例之一便是多通道混合信号专用集成电路ASIC，如数模转换器。现代ASIC要求混合信号输入和输出以及各种信号需求。以往，这些设备的自动化测试需要多个台式仪器，这需要耗费相当的成本和物理空间。今天，PXI仪器系统提供了一种单平台解决方案，通过该方案，您可以在单个测试中集成多台仪器。例如，考虑表征一个4-通道、12-位、100MHz数模转换器所需的测试仪器。该ASIC需要超过48个同步数字I/O的通道、4个精确模拟输入通道和一个可编程的DC电源。利用PXI仪器系统，您可以通过在同一个系统中集成多个PXI仪器解决这一测试挑战。如图3所示，您可以实现多个数字I/O模块的同步，以确保48个通道满足通道间偏移小于1ns。此外，一个PXI高速数字化仪在100MS/s采样率时能提供14-位的精度。对于该测试系统，您仅需要一个数字化仪，以及一个低插入损耗的RF开关。最后，您可以使用一个PXI可编程电源供应，以提供从0V到6V的、120µV间隔变化的电压。图5表示了一个多通道DAC的参考架构。图5通过DAC表征的参考框架利用PXI模块化仪器系统，您可以将一个混合信号测试平台集成至单个测试系统中。利用仪器系统的模块化实现方式，您可以通过重新配置该系统或对其扩展以满足未来的测试需求。此外，通过与NILabVIEW编程环境的连接，您可以实现如THD、SFDR和SINAD等量的测量。在该系统中，您可以通过观察其在电源、电流等各种因素下的性能，得到被测设备的全面表征。6.Applications高数据吞吐量：数据流导入磁盘应用PXIExpress仪器系统的最大技术优势在于PCIe总线的高数据吞吐量。这一优势不仅缩短了常见自动化测试应用的测试时间，也使得使用现有商用硬件无法实现的新型应用得以实现。范例之一便是数据流导入磁盘，如信号情报和数字视频测试等。传统的台式仪器，如任意波形发生器、逻辑分析仪和示波器等，使用板上有限的存储器作为存储波形数据的临时缓存。板上存储器昂贵而且可用空间有限。然后，这些仪器系统可以通过GPIB、LAN或USB接口将波形输入至PC或自PC输出波形。糟糕的是，这样的数据吞吐量仅仅是数兆字节每秒。对于数据流导入磁盘或数据流导入内存等应用，需要高得多的吞吐量。PXIExpress凭借其高吞吐量和低总线时延，提供了一个引人瞩目的解决方案。幸运的是，您可以使用NILabVIEW的多线程编程模型，方便地优化数据流导入磁盘应用。由于LabVIEW动态地分配编程任务至多个线程，您可以通过将仪器I/O和文件I/O分解成两个独立的while循环，实现更高的吞吐量。标定数据流导入磁盘应用得益于PXIExpress仪器系统吞吐量的提高，您可以在数据流导入磁盘应用中实现更高的采样率和更多的通道数。为了标定数据流导入磁盘应用的准确吞吐量，使用如下等式：吞吐量=采样率x字节/样本x通道数例如，考虑一个数据流导入磁盘应用场景：NIPXIe-5122高速数字化仪的两个通道以100MS/s的最大采样率进行采样。注意，NIPXIe-5122是一个14-位的数字化仪。因而，每个采样值需要2字节存储空间或磁盘空间。NIPXIe-5122的最大吞吐量如下所示：吞吐量=100MS/sx2字节/采样x2通道=400MB/s为了精确表征一个真实系统的性能，使用一个PXIExpress双核嵌入式控制器，以及一个速率为650MB/s的PXIExpressx4RAID-0硬盘驱动器。对于该测试，所用的采集大小为40GB。在如下所示的测试结果中，使用了多个具有256MB板载存储的NIPXIe-5122数字化仪。表2根据所需通道的数目，描述了数据流导入磁盘应用的最大采样率。表2NIPXIe-5122高速数字化仪的数据流导入磁盘的标定速率作为数据流导入磁盘应用的另一方案，您可以将来自一个告诉数字化仪的数据以数据流的形式导入您的PXI控制器的板载内存中。这一方法不要求一个PAID硬盘驱动器配置，而且吞吐量也不受硬盘驱动器的磁盘写入速度限制，实际上，吞吐量收到PCIe总线带宽的限制，而采集数据大小则受限于可用PC存储器的空间大小。在一个典型的数据流导入磁盘应用中，PC村粗气只是作为数据的临时缓存。由于一个典型的嵌入式控制器能够支持40MB/s的磁盘写入速度，所以您可以将数据存储在存储器中将其写入磁盘。在下列数据流导入存储器场景的标定中，使用了一个具有2GB板载存储空间的PXIExpress双核控制器。对于每通道100M采样点数的采集大小，该测试需要高达1.2GB的PC存储器以支持六个通道。这里再次使用了多个具有256MB板载存储空间的NIPXIe-5122数字化仪，以获取最佳结果。其结果如表3示。表3NIPXIe-5122高速数字化仪的最大数据流导入存储器速率数据流导入磁盘和数据流导入内存的应用之所以能够在PXI中达到如此之高的吞吐量，其原因之一便是采用了一个高带宽低延时的数据总线—PCIe。如果将该总线和其他标准数据总线相比较，将发现该总线提供了最高的吞吐量和最低的数据时延。图6常见仪器总线的带宽与时延比较关于SCExpress系列：SCExpress是一个结合集成信号调理的PXIExpress数据采集模块家族。这些模块提供更高的精度、强大的数据处理能力和紧密同步，用来构建可扩展的传感器测量和信