PXI Express仪器技术详解(完整版)

PXI Express仪器利用其所使用的快速PCI总线，为PXI平台新添了许多技术优势。该总线至多个仪器系统的数据吞吐量可以高达2 GB/s，并支持那些曾经只能通过定制硬件实现的应用。

PXI Express的技术优势

PXI标准在不断发展，引进了快速PCI技术之后，使得PXI自动化测试系统拥有了前所未有的高性能。在有些情况下，它支持PXI仪器执行一些以前一直无法完成的测量。

PXI Express是PXI的拓展部分。新型PXI Express机箱提供了混合兼容的插槽，使得PXI与PXI Express模块可以协同工作于同一系统。故PXI与PXI Express系统均具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：
* 灵活的、软件定义的仪器
* 模块化仪器的集成
* 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：
* 18-位高精度多功能数据采集
* 采样率为500kS/s，精度高达24位的高精度数字化仪
* 具有pA精度和1000 V测量范围的快速7位半数字毫表
* 高密度开关，在单个3U插槽中具有512个交叉点
* 高达6.6 GHz的RF信号分析与发生器
* 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。一个常见应用是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总线。PXI仪器为总线上的所有设备提供高达132 MB/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250 MB/s扩展至2 GB/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，系统的总吞吐量相应增加。
 

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 Express RAID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。

软件定义的测量：RF与通信测试

按照虚拟仪器方式，PCI或快速PCI总线是作为从仪器到PC的数据总线。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。由于软件定义的测量可以通过支持重新配置仪器以实现各种任务，所以非常有价值。

一个需要利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个通信协议，如802.11g、GSM、GPS和蓝牙等，导致无线设备的测试挑战性和测试成本均急剧增加。以往，需要多个仪器以表征不同通信标准下的设备性能。然而使用多个独立仪器的成本非常高。今天，这种执行软件定义的RF测量的能力可以支持RF仪器的复用，以兼容多种协议的测试。因而，同一台仪器可以与多个不同特性的软件协同使用。用于无线标准兼容测试的仪器复用的一个常见范例，便是手机制造，如下图所示：

如图所示，单个PXI向量信号分析仪捕获对应不同通信标准的不同频率的RF信号。由于通信协议堆栈用软件实现，同一台仪器可以被复用于每一个通信标准。从而，软件定义的测量方式缩减了测试成本与空间占用。

多仪器集成：混合信号ASIC特征

对于混合信号测试，PXI的另一个技术优势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，并减少了仪器占用空间。这种仪器系统的混合信号方式使得各种测试应用获益匪浅。多通道混合信号ASIC，如数模转换器，便是一个范例。

现代专用集成电路（ASIC）需要满足各种不同信号要求的混合信号输入和输出。按照传统方法，这些设备的自动化测试需要多个工作台仪器，这需要耗费相当大的成本和物理空间。今天，PXI仪器系统提供了一种在单个测试中可以集成多个仪器的单平台解决方案。

例如，考虑表征一个4-通道、12-位、100 MHz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。使用PXI仪器系统，在同一个系统中集成多个PXI仪器可以解决这一测试难题。如下图所示，可以实现多个数字I/O模块的同步，以提供48个满足通道间时间偏移小于1 ns的通道。此外，一个PXI高速数字化仪可以提供100 MS/s的采样率和14-位的精度。结合使用一个低插入损耗的RF开关之后，该测试系统仅需要一个数字化仪。最后，可以使用一个PXI可编程电源，以提供从0V到6V的、120?V精度的电压。一个多通道DAC的参考架构如下所示：

利用PXI模块化仪器，可以利用单个测试系统实现一个混合信号测试平台。测试一个4-通道DAC所需的系统如下所示：

以模块化方式构建的仪器系统可以被重新配置或扩展以满足未来的测试需求。此外，与LabVIEW编程环境的连接支持如THD、SFDR和SINAD等值的测量。在该系统中，通过观察其在电源、电流等各种因素改变时的性能表现，被测设备的特性可以被全面地刻画。

PXI Express仪器的最大技术优势在于快速PCI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，也使得迄今现成商用硬件无法支持的新型应用成为可能。范例之一便是智能信号和数字视频测试等应用的数据流盘场景。

传统的工作台仪器系统，如任意波形发射器、逻辑分析仪和示波器等，使用板载有限的存储器作为存储波形数据的临时缓存。板载存储器昂贵而且可用空间有限。此外，这些仪器可以通过GPIB、LAN或USB接口将波形输入至PC或自PC输出波形。糟糕的是，这样的数据吞吐量只有每秒几兆字节。对于数据流盘或者数据流导入内存的应用，需要高得多的吞吐量。PXI Express凭借其高吞吐量和低总线时延，提供了一个有说服力的解决方案。

幸运的是，LabVIEW的多线程编程模型使得数据流导盘应用可以被方便地优化。由于LabVIEW动态地分配编程任务至多个线程，我们可以通过将仪器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。推荐使用的编程方式为生产者-消费者循环结构，如下图所示。

在上例中，上面的循环（生产者）从一个高速数字化仪中采集数据，并将其传递至一个队列结构（一个LabVIEW FIFO）。该队列可用于LabVIEW中的多个while循环间的数据传递。下面的循环（消费者）自队列结构中读取数据并将其写入到磁盘。生产者/消费者循环结构为数据流盘应用提供了最佳的性能，因为在消费者循环将数据写入到磁盘的同时，生产者循环可以继续采集数据。

PXI Express仪器吞吐量的提高，使得数据流盘应用中的更高采样率和通道数成为可能。为了标定数据流盘应用的准确吞吐量。我们可以使用下述等式：

吞吐量=采样率x字节/采样x通道数

例如，我们考虑这样一个数据流盘的应用场景：利用PXIe-5122高速数字化仪的两个通道、最大采样率为100 MS/s。注意到PXIe-5122是一个14-位的数字化仪，因此每个采样值需要2字节存储空间或磁盘空间。PXIe-5122的最大吞吐量如下所示：

吞吐量=100 MS/s x 2字节/采样 x 2通道=400 MB/s

为了精确表征一个真实系统的性能，我们使用了一个PXI Express双核嵌入式控制器，以及一个速率为650 MB/s的PXI Express x4 RAID-0硬盘驱动器。对于该测试，所用的采集大小为40 GB。在如下所示的测试结果中，使用了多个具有256 MB板上内存的PXIe-5122数字化仪。表一（如下所示）描述了根据所需通道的数目数据流盘应用的最大采样率。

作为数据流盘应用的一个变体，您也可以将来自一个高速数字化仪的数据以数据流的形式导入我们的PXI控制器的板上存储器。这一方法不要求一个RAID硬盘驱动器配置，吞吐量也不受硬盘的磁盘写入速度限制。实际上，吞吐量受快速PCI总线的带宽限制，而采集数据大小则受限于可用的PC存储器的空间大小。在一个典型的数据流盘应用中，PC存储器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达到磁盘写入速度40 MB/s的能力，所以数据可以先存储在存储器中然后再写入磁盘。

在下列数据流导入存储器场景的标定中，使用了一个具有2 GB板上存储空间的PXI Express双核控制器。对于100百万采样每通道的采集大小，该测试需要高达1.2 GB的PC存储器以支持六个通道。这里，再次使用了多个具有256 MB板上存储空间的PXIe-5122数字化仪，以获取最佳结果。其结果如下面表2所示：

数据流盘和数据流导入存储器应用能够在PXI中达到如此之高的吞吐量的一个原因，便是利用了一个高带宽与低时延的数据总线——快速PCI。如果我们将该总线与其它标准数据总线相比较，我们将发现该总线提供了最高的吞吐量和最低的数据时延。

这种将数据以流的形式导入磁盘的能力使得许多应用获益匪浅。这里我们将详细讨论的两个常见应用为：1）信号情报/频谱监测和2）数字视频测试。

信号情报：中频数据流盘

现代军事侦察、卫星通信和频谱监测应用需要长时间地将大部分数据以数据流的形式导入硬盘的能力。以往，这些应用只能借助构建和维护都十分昂贵的定制硬件实现。然而，信号情报应用中的波形数据流盘，现在可以通过商业现成可用（COTS）的PXI和PXI Express仪器系统来实现。

 
为了捕获RF信号，我们使用一个高速数字化仪以采集来自下变频器的中频（IF）信号。该下变频器工作于RF频段，使用一个或多个混频器将RF信号转换到一个可以为高速数模转换器所捕获的频率范围。利用PXIe-5122高速数字化仪的两个采样率为100 MS/s的通道，您可以采集到两个IF信号，每个通道的带宽为50 MHz。这使得信号采集的总RF带宽为100 MHz。

对于信号情报应用，部分频谱以数据流的方式导入磁盘的典型持续时间为数分钟或数小时。一旦保存，该数据便可以通过功率谱或时频谱进行后续软件处理。一些场合下，也可以通过任意波形发生器反向生成所捕获的频谱数据，以仿真实际环境。

消费电子产品：数字视频测试

另一项需要长时间采集或测试波形的应用便是数字视频测试。DVI标准支持LCD显示器和平板等离子显示。因为新的技术需要更高时钟速率，所以生成和采集移动DVI显示图样需要持续时间更长的波形。

当使用DVI输出测试现代机顶盒时，长时间生成或采集数字视频图样对于准确的测试非常关键。例如，测试当今的机顶盒的图像解压缩和解码算法，需要动态测试图样。由于像素偏移仅发生在移动图像上，所以检测这些位误差要求一次数字信号传输的采集持续数秒甚至数分钟。在下图中，您可以观察出像素偏移对数字图像的影响。

借助PXI Express，可以利用现成可用的RAID硬盘驱动器配置，持续采集DVI图像高达数分钟或者甚至数小时。例如，PXIe-6537高速数字I/O模块通过配置，可以以高达200 MB/s的速率持续数小时（2.5小时 = 1.8 TB）实现数据流盘。因而，工程师们可以利用现成可用的PXI Express仪器执行准确的数字视频像素偏移测试。

PXI Express仪器系统赋予PXI平台前所未有的强大功能。通过PXI平台，客户能够实现：
* 灵活的、软件定义的测量
* 模块化仪器的集成
* 高数据吞吐量

凭借这些技术优势，PXI仪器系统使得各种应用获益匪浅，其中包括RF与通信测量、混合信号ASIC表征、信号情报和数字视频测试等。而且，虽然PXI平台业已提供了所有这些技术，但是，PXI Express通过利用快速PCI总线大幅提高吞吐量，显著改进了该平台的性能。因而，客户能够创建高精确的自动化测试系统，与以往系统相比，该系统不仅测试时间更短，而且测试功能也更为强大。