解决​高速、​多​通道​数​测量​系统​的​构​建​难题

概览

许多​传统​高速​示波器​具有 2 ~ 4 个​通道,​可​作为​独立​的​台式​仪器​运行。 虽然​这​不失为​桌面​调​试​的​有效​解决​方案,​但​这些​仪器​却​难以​扩展​来​满足​波束​赋​形​(Beamforming)​与​医疗​成像​等​高​通道​数​应用​的​需求,​这种​应用​需要​数​十​个​甚至​数百​个​通道​高速​同步​地​进行​采样。 高​通道​数​高速​数据​采集​系统​必须​将​通道​密度​最大​化、​同步​多个​通道,​并​处理​大量​数据。 ​ ​克服​这些​难题​的​一个​有效​方法​是​使用​模​块​化​平台;​除了​可​简化​通道​的​同步​之外,​还​可在​小巧​的​结构​中​提供​高​吞吐量​数据​流​盘​功能。 用于​仪器​的​PCI​扩展​(PCI eXtensions for Instrumentation,​PXI)​可​满足​传统​需求,​而且​长期​以来​一直​为​各种​应用​提供​高​可靠性,​非常​适用​于​构​建​多​通道​数​系统。 PXI​平台​就是​以​虚拟​仪器​这​一​概念​为​基础,​通过​软件​来​定义​仪器​的​功能,​可​构​建​完全​符合​用户​需求​的​测量​与​自动​化​的​系统,​而​不存在​传统​固定​功能​仪器​的​诸​多​限制。

内容

挑战​1: 最大​化​通道​密度

构​建​多​达​数百​个​通道​的​高性能​应用​之前,​第​一个​需要​考虑​的​问题​就是​空间。 PXI​平台​能够​在​小巧​的​外形​结构​中​提供​高性能、​低成本​的​部署​解决​方案,​以​满足​测量​与​自动​化​系统​的​需求。 PXI​系统​包含​1​个​控制器、​1​个​机​箱,​还有​如​示波器、​多功能​数字​电表​(DMM)​与​任意​波形​发生​器​等​多​款​仪器。

传统​的​台式​仪器​均​具有​专用​的​处理​器、​显示​器、​电源,​且​每 2 ~ 4 个​通道​就​配备​1​个​散热​电扇。 PXI​之所以​能够​最大​化​通道​数,​是​因为​它​把​这些​冗​余​的​组​件​集成​到​单​个​机​箱​与​控制器,​仅​于​模​块​上​留下​模拟​和​数字​电路。 而​省下​的​空间​则​可​最大​化​各个​模​块​的​通道​数,​让​用户​在​单​个​4U​机​架​空间​内​即可​构​建​多​达​544​个​通道。

 

图​1. 借助​PXI​平台​的​模​块​化​特性,​即可​使用​各种​高速​或​高​分辨​率​模​块,​构​建​高密度​的​采集​系统。

 

表​1​显示​了​从​高速​高​带​宽​模​块​(NI PXIe-5186)​到​高​通道​数​模​块​(用于​NI FlexRIO​的​NI 5752​适​配​器​模​块)​等​各种​示波器。 NI PXIe-5170R​与​NI PXIe-5171R​将​高性能​的​NI​示波器​和​NI FlexRIO​适​配​器​模​块​的​用户​可​编​程​FPGA​集成​到​一个​8​通道​PXI​模​块​中。

图 2. NI PXIe-5171R​在​单​个​PXI​插​槽​中​提供​8​个​高性能​通道。

 

您​可以​根据​带​宽​与​分辨​率​需求,​寻找​可​为​您​应用​提供​最​合适​通道​密度​的​NI​示波器。

                                  

模块 分辨率 采样率 带宽 每​模​块​通道数 每​机​箱​通道数
NI 5752 12 50 MS/s 14 MHz 32 544
NI PXIe-5171R 14 250 MS/s 250 MHz 8 136
NI PXIe-5170R 14 250 MS/s 100 MHz 4/8 68/136
NI PXI-5105 12 60 MS/s 60 MHz 8 136
NI PXIe-5160 10 2.5 GS/s 500 MHz 4 68
NI PXIe-5162 10 5 GS/s 1.5 GHz 4 68
NI 5772 12 1.6 GS/s 2 GHz 2 34
NI PXIe-5186 8 12.5 GS/s 5 GHz 2 10

 

表​1. NI​示波器​可​为​您​的​应用​提供​最​合适​的​通道​密度。

 

返回​顶部

挑战​2: 多​通道​同步

高​通道​数​系统​的​第二个​挑战​是​要​确保​各个​通道​之间​的​数据​同步。 如果​每​台​仪器​都​采用​不同​的​定​时​和​同步​引擎,​那么​多台​示波器​之间​的​通道​同步​就​会​变得​非常​困难。 即使​台式​示波器​可​支持​多个​仪器​的​同步,​不同​的​电缆​长度​与​类型​亦​会​导致​时钟​偏斜​延迟,​需要​一一​进行​校准。 此外,​随着​通道​数​的​增加,​台式​仪器​之间​的​触发​线路 (Trigger line)​和​采样​时钟​路​由​也​会​变得​越来越​复杂​和​繁​琐。

定​时​与​同步

PXI​通过​使用​集成​的​定​时​和​同步​架构​来​在​内部​路​由​同步​时钟​和​触发,​克服​了​许多​传统​的​同步​挑战。 PXI​机​箱​包含​专用​的​10 MHz​系统​参考​时钟、​PXI​触发​总​线、​星形​触发​总​线​和​槽​对​槽​本地​总​线,​而​PXI Express​机​箱​增加​了​一个​100 MHz​差分​系统​时钟、​差分​信号​和​差分​星形​触发,​以​满足​高级​定​时​和​同步​的​需要。

 

 

图​3. 借助​PXI​的​定​时​与​同步​架构,​即可​路​由​触发​器​线路​与​参考​时钟,​且​将​时钟​歪曲​(Skew)​与​漂移​(Drift)​降至​最低。

 

NI​示波器​的​定​时​与​同步

除了​PXI​平台​的​同步​优点​之外,​NI​的​PXI​示波器​也​纳入​可​进一步​简化​同步​的​其他​功能。 从​单​板​卡通​道​扩展​到​采样​率​各不相同​的​多​机​箱​仪器​同步,​NI PXI​示波器​提供​理想​的​硬件​与​软件​工具​来​实现​高速​数据​采集​同步。

针对​多​通道​数​应用,​NI​简化​了​相关​软件​任务,​如​通过​编​程​路​由​采样​时钟​并​共享​触发​器。 借助​强大​的​NI LabVIEW​软件​工具,​使用​通道​扩展​功能​即可​轻松​同步​多个​通道;​如果​是​同步​数百​个​通道,​也​可​通过​NI-​TClk API​轻松​实现。 通道​扩展​是​同步​一个​示波器​内​多个​通道​的​有效​方法,​只需要​在​一个​源​字符​串​内​指定​采集​通道​即可​实现​(如​图​4​所​示)。

 

图​4. 提供​通道​扩展​实现​板​卡​内​同步

 

为了​实现​多个​仪器​的​同步,​NI​开发​了​一项​获得​专利​的​同步​技术NI-​TClk,​具有​以下​功能:

  • 尽管​锁​相​到​10 MHz​参考​时钟,​但​也​可​对​齐​最初​可能​不需要​对​齐​的​采样​时钟
  • 实现​同步​设备​的​精准​触发

 

灵活​的​NI-​TClk​技术​适用​于​下列​情形:

  • 通过​单一​采样​时钟​或​参考​时钟,​即可​同步​高速​模​块​化​仪器
  • 使用​一个​系统​定​时​模​块​即可​从​PXI​机​箱​内的​同步​扩展​到​多​PXI​机​箱​同步,​满足​高​通道​数​系统​的​需求
  • 同​构​和​异​构​同步 —​设备​使用​内部​或​外部​采样​时钟,​可在​相同​或​不同​的​采样​率​下​运行

 

NI-​TClk API​只需​三​个​LabVIEW​函数​(即​VI),​即可​帮助​用户​配置​触发​与​时钟​同步,​让​系统​看起来​就像​1​台​多​通道​示波器,​从而​简化​了​用户​体验。 3​个​LabVIEW VI​不需​外部​参数,​只需​将​一​组​仪器​会话​输入​到​NI-​TClk API​即可​实现。 NI-​TCLK​架构​可以​实现​最高​1 ns​偏斜​的​设备​间​同步。 而​一般​观察​到​的​偏斜​通常​在​200 ps ~ 500 ps​之间。 手​动​校准​每​台​设备​上​的​采样​时钟​可​将​设备​之间​的​失真​率​降低​至​30 ps。

 

图​5.NI-​TClk API​可​同步​多个​仪器​的​通道

 

高级​主题: 同步​多个​PXI​机​箱​中的​PXI​示波器

如果​所需​的​通道​数​或​时钟​精确​度​超出​PXI​机​箱​既有​的​设计,​PXI​平台​还​可​通过​多​机​箱​同步​和​精确​的​定​时​与​同步​模​块​来​满足​您​的​需求,​而且​参考​时钟​的​精确​度​高达​50 ppb (parts per billion),​台式​示波器​常见​的​精确​度​仅​为​100 ppm(parts per million)。 如果​同步​机​箱​之间​所需​的​距离​太长,​电缆​无法​稳定​传输​时钟​和​触发​信号,​就​需要​使用​基于​时间​的​同步​架构。 采用​NI PXI​定​时​和​同步​解决​方案,​您​可以​利用​IEEE 1588、​GPS​和​IRIG-​B​等​绝对​时间​参考​协议​来​实现​长​距离​的​同步。

 

返回​顶部

挑战​3.​处理​大量​数据

高速​DAQ​常见​的​瓶颈​之一​是​数据​储存​和​传输​回​主机​的​总​线​吞吐量。 随着​仪器​采样​率​不断​提高,​GPIB​接口​的​数据​传输​限制​会​大幅​降低​了​示波器​性能。 对​多​通道​数​的​应用​而言,​系统​吞吐量​与​板​载​内存​至​关​重要,​因为​这​两​个​参数​决定​应用​是否​能够​采集​数​十​个​甚至​上百​个​通道​的​数据,​并​在​相同​的​主机​上​处理​所有​数据。 举例来说,​示波器​若​以​5 GS/​s​采集​8​位​数据,​则​每秒​即可​生成​5 GB​的​数据。 鉴于​这么​庞大​的​数据​量,​示波器​必须​具有​大​容量​板​载​内存​以及​高​带​宽​总​线,​才能​将​数据​传输​回​主机。

图​6​则为​多​款​总​线​之间​的​性能​比较。 利用​高​带​宽​PXI Express​总​线​架构,​数据​能够​以​足够​高​的​速率​进行​流​盘,​以​支持​高​端​仪器。

 

图​6.​自动​化​测试​常见​的​总​线​带​宽​与​延迟​比较

 

流​盘​到​主机

PXI​应用​的​数据​流​盘​性能​取决​于​仪器、​控制器、​系统​机​箱​的​吞吐量。 评估​流​盘​架构​的​每​个​链​路​对于​获得​最大​整体​系统​吞吐量​至​关​重要。 在​最新​的​PXI Express​技术​中,​NI​机​箱​与​控制器​可​支持​最高​12.8 GB/​s​的​系统​吞吐量,​远远​超出​GPIB​的​8 MB/​s​吞吐量。 随着​总​线、​处理​器、​内存​技术​的​飞​速​进步,​PXI​平台​可​为​您​提供​所需​的​灵活​性​来​维持​最新​的​测试​系统。

 

图​7. NI PXIe-1085​机​箱​与​NI PXIe-8135​嵌入式​控制器​的​系统​吞吐量

 

板​载​内存

许多​应用​即使​搭配​高性能​总​线,​仍​需要​大​容量​板​载​内存​才能​暂​储​数据,​以便​跟上​高速​示波器​的​完整​采样​率。 有了​大​容量​板​载​内存,​示波器​就​可以​以​最高​速率​进行​采样、​本地​储存​数据,​并​在​采集​完成后​将​数据​传输​至​主机​中。 此外,​具有​大​容量​板​载​内存​的​示波器​将​能够​更​长​时间​地​以​最高​速率​进行​采样,​从而​增长​采集​时间。​NI PXI Express​示波器,​比如​NI PXIe-5162 5 GS/​s​示波器​的​每​个​通道​配备​1 GB​内存,​能够​延长​最大​采样​率​下​的​采集​时间。

 

通过​RAID​实现​高级​流盘

PXI​平台​提供​了​经济​实惠​的​解决​方案,​不仅​适合​数据​流​盘,​还能够​轻松​在​多个​测试​设备​之间​移动​数据​或​通过​廉价​磁盘​冗​余​阵​列​(RAID)​增大​PXI​系统​控制器​的​存储​容量。 RAID​是“大​容量​储存”方案​的​一个​常见​用语,​可​拆​分​或​复制​多个​硬盘​的​数据,​并​为​高​通道​数​应用​提供​所需​的​带​宽​与​储存​功能。 NI​提供​多种​基于​外接​RAID​硬盘​外壳​的​数据​存储​选​件,​以及​用于​控制​的​可​插入​机​箱​型​(in-​chassis)PXI​模​块。

图​8. NI HDD-8265​具有​24 TB​储存​空间,​流​盘​速度​高达​750 MB/​s。

 

返回​顶部

应用

为了​优​化​无​创​癌症​检测​方法,​日本​北里​大学​(Kitasato University)​的​基础​科学​中心​开发​了​一个​基于​光学​相干​断层​成像​术​(Optical coherence tomography,​OCT)​的​模​块​化​系统。 为了​达到​此​目标,​研究​人员​利用​一项​获得​专利​的​光源​技术,​以及​256​个​同步​采样​的​高速​采集​通道。 基于​其​同步​功能、​小巧​的​体积​和​模​块​化​特性,​他们​选用​了​PXI​平台​以及​32​个​NI PXI-5105​示波器 (60 MS/​s、​8 通道)。 PXI​平台​除了​可​实现​高​通道​数​采集​之外,​还​可​从​128​个​通道​扩展​到​256​个​通道​甚至​更多。 最后​结果​非常​成功:​北里​大学​成功​开发​了​全球​最快​的​OCT​系统,​并​达到​其​早期​检测​癌症​的​目标。

 

了解​更多​关于​新一代​医疗​成像​的​先进​癌症​研究

 

返回​顶部

了解​更多

深入​了解​高速​示波器​板​载​内存​的​优点

查看​更多​关于​定​时​与​同步​的​深入​讲解​资源

选择​数据​流​盘​架构​要注意​的​重要​事项

返回​顶部