PXI Express技术详解(完整版)

高数据吞吐量：数据流盘应用

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。

标定数据流盘应用

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。

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