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解決現代數字化儀的數據傳輸瓶頸

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瀏覽：- 發布日期：2015-12-07 10:23:00【大中小】

當前的技術瓶頸

對于大多數基于PC運行的數字化儀和數據采集系統來說，常見的問題是由于模數轉換器技術領先于PC總線技術而引起的。當高速、高分辨率的數字化儀產品將大量的模擬信號轉為數字信號時，PC卻無法對這些數據進行完整的讀取和處理，這時就產生了瓶頸效應。譬如，基于USB的數字化儀通常采用高于100MS/s的采樣率，而數據傳輸至PC的速度往往受總線限制而局限于每秒幾兆字節(MS/s)。這種瓶頸效應導致數字化儀不得不暫停數據采集。在等待清空此前儲存信息的同時，一些重要的事件往往容易被遺漏。而且，緩慢的傳輸速度限制了系統的整體測量和分析速度。因此，很多需要進行大量數據采集、儲存和分析的應用往往將此問題視為重中之重。

解決方案

解決此類瓶頸的一個方法是將數據傳送至板上現場可編程門列陣(FPGA),使終端用戶可以處理數據并嘗試減少需要通過總線向PC傳輸的數據總量。但是，當進行高速數據傳輸時，這種方法就變得相當昂貴了。因為它需要高成本的FPGA固件開發工具和專業的工程知識。開發高級FPGA固件難度較高，它依賴于一些算法的實現，而且固件的設計、調試及運行都需要花費大量的時間。通常只有大型項目才會給予如此巨大的投資。

德國Spectrum儀器為數字化儀用戶提供了更為簡便和高效的解決方案。該方法融合了新的PC總線技術與工廠工程FPGA程序及一系列智能數據采集和傳輸模式。其結果能夠幫助用戶輕松的優化數據傳輸過程，進行更復雜的測量并分析在PC環境中運行的各種程序。一旦如此，諸如MathWorks公司的MATLAB，NI公司的LabVIEW或是德國Spectrum公司的SBench 6這些現成的軟件工具都將被用以處理輸入數據。這種方法減少了對定制化固件的需求，并因簡化項目開發進程而顯著降低工程造價。

圖表1顯示了一些數字化儀的接口和標準的數據傳輸速度，這些速度適用于延長的采集周期。如表所示，如果板上ADC的數字化維持在10-200MS/s的范圍甚至更高，內嵌于USB或PCI這類較慢或老式的總線系統的數字化儀更容易遇到數據傳輸的瓶頸。如果使用多通道的數字化儀，問題會更加嚴重，因為數據的采集率將隨通道的增加而加倍。

總線類型	標準的可持續數據傳輸速度
USB 2.0	<35 MB/s
Gbit Ethernet/LXI	<70 MB/s
PCI/PXI/cPCI	< 100 MB/s
PCI-X 66 MHz	< 240 MB/s
PCIe/PXIe x1 lane Gen1	< 170 MB/s
AXIe (PCIe based backplane)	< 1.5 GB/s
PCIe x8 lane Gen2	< 3.4 GB/s

表1 顯示常見數字化儀總線類型及其標準數據傳輸速度

真正的高速總線

當然，數據傳輸速度并不簡單地依賴于數字化儀總線。它還會受到其它因素的影響，譬如PC、PC的設置以及用于控制傳輸處理的軟件。圖1顯示了德國Spectrum公司的M4i.22xx和M4i.44xx系列數字化儀，它們在8位分辨率下的采樣率高達5 GS/s、14位分辨率下達到500 MS/s或16位分辨率下達到250 MS/s。這些M4i系列卡片均具備搭配數字化儀的新PC總線技術，PCIe x8通路二代接口能以高達3.4 GB/s的速度從板上存儲器向PC傳輸數據。M4i系列板卡配有為Windows和LINUX提供的速度優化驅動以及總線主控裝置，用以保持快的吞吐率。

圖1. 德國Spectrum公司的M4i.22xx和M4i.44xx系列數字化儀速度快且分辨率高，使用高速PCle x8通路二代接口能使傳輸速度達到3.4 GB/s

表格2顯示了M4i系列數字化儀在不同PC主板和配置下運行的基準測試結果。當PCle有效載荷大小為256 Byte時效果達到優。主板說明解釋了如何進行插口電氣連接，因為不是每個機械8通路插口都與所有通路連接在芯片組上。

除了快速的PCle總線，M4i數字化儀卡片也配有不同的采集模式。標準采集模式使用板上采集存儲作為環形緩沖區，就像示波器一樣。數據被寫入數字化儀的環形存儲器直至觸發事件發生。觸發產生后，后觸發值被記錄下來。前觸發值和后觸發值均會被囊括在記錄數據中。

智能讀取模式

另一種采集模式是FIFO(先進先出式)。這是為數字化儀和外部主機之間進行連續數據傳輸而設計的一種流模式。對數據流的控制由驅動器基于中斷請求自動完成。

標準模式與FIFO模式的主要區別在于，標準模式受限于M4i系列產品4GB板上存儲器的使用率。FIFO模式旨在從總線向PC存儲器或硬盤連續傳輸數據，進而運行更長的采集時間。完全內置的采集存儲器使用起來就像一個緩沖區，可以提供可靠的數據流。要想使流達到佳狀態需要一個專用的RAID控制器，一束帶有高吞吐量的SSD，一個優化驅動器，適當的系統，軟件以及可以避免操作系統瓶頸的流軟件。德國Spectrum公司能夠提供一套完整的解決方案，如圖2所示，容許幾個TB的數據流連續向SSD陣列以大于 3 GB/s的速度傳輸。

容許幾個TB的數據流連續向SSD陣列以大于 3 GB/s的速度傳輸。

圖2. Spectrum的流系統SPcB8-E6可以包括多達6個Spectrum卡片，存儲量高達3GB/s至8TB且擁有多個流選項

低占空比測量的存儲分段模式

標準模式和FIFO模式還能用于三種不同的多重記錄法。無論模擬信號轉化為數字信號的過程是集中式的還是連續的，都適用于多重記錄法。多重記錄可以更有效的使用板上采集存儲器，特別是對低占空比測量的應用。低占空比應用包括那些短時事件，隨后伴隨長時間靜態間隔。捕捉此類信號的佳采集方法就是多重記錄（分段）模式、門控模式和ABA（雙時基）采集。這些模式都采用分割存儲器的方式進行多重采集。這種雙時基ABA模式降低了觸發器之間的采樣率，節省了存儲空間，但也為觸發器之間的空載時間提供了一個可視化的選項。

板上分析

使用M4i系列數字化儀解決數據瓶頸的后一個方法是使用板上處理和數據簡化。M4i系列卡片的設計中含有FPGA，可以使用包括存儲控制、觸發模式、PCle總線控制和信號處理等一系列功能。圖3顯示了M4i系列數字化儀的方框圖和基本結構。FPGA空間內部被預留出來，因此諸如信號平均、峰值檢波以及統計功能等廠商開發固件可以在此運行。

板上信號處理可以減少按量級需要向PC傳輸的終的數據總量。比如，在使用循環信號時，平均固件能夠累積超過65,000個獨立波形，每個波形可達128k點長。這種功能有效地減少了從所有獨立波形向單個平均波形傳輸的數據。

圖3. M4i數字化儀系列產品顯示了FPGA的信號處理路徑

同樣，峰值檢測固件可以定位信號中的大和小事件，將它們的值和對應的時間信息存儲在一起。通過這種方法，先前含有數千甚至數百萬數據點的波形可以減少到一組簡單的，也許只有6到8個的基本數據集。

小結

隨著ADC技術在現代數字化儀中的應用，實現了更快的采集速度、更高的分辨率，需要被采集、存儲和傳輸到PC的數據量不斷增加。將數據轉移至PC進行查看、存儲和分析需要具有合適總線（持續可比的數據傳輸速度）的數字轉換設備、靈活的采集和傳輸模式、配置良好的PC和恰當的軟件。在極端情況下，有必要減少數據時，可以使用FPGA技術。

解決現代數字化儀的數據傳輸瓶頸

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