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解决现代数字化仪的数据传输瓶颈 | Spectrum

High Speed PCIe Digitizer当前的技术瓶颈

对于大多数基于PC运行的数字化仪和数据采集系统来说,最常见的问题是由于模数转换器技术领先于PC总线技术而引起的。当高速、高分辨率的数字化仪产品将大量的模拟信号转为数字信号时,PC却无法对这些数据进行完整的读取和处理,这时就产生了瓶颈效应。譬如,基于USB的数字化仪通常采用高于100MS/s的采样率,而数据传输至PC的速度往往受总线限制而局限于每秒几兆字节(MS/s)。这种瓶颈效应导致数字化仪不得不暂停数据采集。在等待清空此前储存信息的同时,一些重要的事件往往容易被遗漏。而且,缓慢的传输速度限制了系统的整体测量和分析速度。因此,很多需要进行大量数据采集、储存和分析的应用往往将此问题视为重中之重。

解决方案

解决此类瓶颈的一个方法是将数据传送至板上现场可编程门列阵(FPGA),使终端用户可以处理数据并尝试减少需要通过总线向PC传输的数据总量。但是,当进行高速数据传输时,这种方法就变得相当昂贵了。因为它需要高成本的FPGA固件开发工具和专业的工程知识。开发高级FPGA固件难度较高,它依赖于一些算法的实现,而且固件的设计、调试及运行都需要花费大量的时间。通常只有大型项目才会给予如此巨大的投资。

德国Spectrum仪器为数字化仪用户提供了更为简便和高效的解决方案。该方法融合了最新的PC总线技术与工厂工程FPGA程序及一系列智能数据采集和传输模式。其结果能够帮助用户轻松的优化数据传输过程,进行更复杂的测量并分析在PC环境中运行的各种程序。一旦如此,诸如MathWorks公司的MATLAB,NI公司的LabVIEW或是德国Spectrum公司的SBench 6这些现成的软件工具都将被用以处理输入数据。这种方法减少了对定制化固件的需求,并因简化项目开发进程而显著降低工程造价。

图表1显示了一些数字化仪的接口和标准的数据传输速度,这些速度适用于延长的采集周期。如表所示,如果板上ADC的数字化维持在10-200MS/s的范围甚至更高,内嵌于USB或PCI这类较慢或老式的总线系统的数字化仪更容易遇到数据传输的瓶颈。如果使用多通道的数字化仪,问题会更加严重,因为数据的采集率将随通道的增加而加倍。

 

总线类型 标准的可持续数据传输速度
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
PXIe x4 Gen 1 < 700 MB/s
AXIe (PCIe based backplane) < 1.5 GB/s
PCIe x8 lane Gen2 < 3.4 GB/s

表1 显示常见数字化仪总线类型及其标准数据传输速度

真正的高速总线

当然,数据传输速度并不简单地依赖于数字化仪总线。它还会受到其它因素的影响,譬如PC、PC的设置以及用于控制传输处理的软件。图1显示了德国Spectrum公司的M4i.22xx和M4i.44xx系列数字化仪,它们在8位分辨率下的采样率高达5 GS/s、14位分辨率下达到500 MS/s或16位分辨率下达到250 MS/s。这些M4i系列卡片均具备搭配数字化仪的最新PC总线技术,PCIe x8通路二代接口能以高达3.4 GB/s的速度从板上存储器向PC传输数据。M4i系列板卡配有为Windows和LINUX提供的速度优化驱动以及总线主控装置,用以保持最快的吞吐率。

表格2显示了M4i系列数字化仪在不同PC主板和配置下运行的基准测试结果。当PCle有效载荷大小为256 Byte时效果达到最优。主板说明解释了如何进行插口电气连接,因为不是每个机械8通路插口都与所有通路连接在芯片组上。

 

主板型号 插口连接 有效载荷大小 测量传输速度
Supermicro X9SLR PCIe x8 Gen3 256 3375 MByte/s
Gigabyte H77-D3H PCIe x16 Gen3 256 3360 MByte/s
ASRock Z97 Extreme 4 PCIe x8 Gen3 128 3030 MByte
Asus Z8PE-D12X PCIe x8 Gen2 256 3288 MByte/s
Supermicro X9SLR PCIe x4 Gen3 (electrically) 256 1697 MByte/s

智能读取模式

除了快速的PCle总线,M4i数字化仪卡片也配有不同的采集模式。标准采集模式使用板上采集存储作为环形缓冲区,就像示波器一样。数据被写入数字化仪的环形存储器直至触发事件发生。触发产生后,后触发值被记录下来。前触发值和后触发值均会被囊括在记录数据中。

另一种采集模式是FIFO(先进先出式)。这是为数字化仪和外部主机之间进行连续数据传输而设计的一种流模式。对数据流的控制由驱动器基于中断请求自动完成。

标准模式与FIFO模式的主要区别在于,标准模式受限于M4i系列产品4GB板上存储器的使用率。FIFO模式旨在从总线向PC存储器或硬盘连续传输数据,进而运行更长的采集时间。完全内置的采集存储器使用起来就像一个缓冲区,可以提供可靠的数据流。要想使流达到最佳状态需要一个专用的RAID控制器,一束带有高吞吐量的SSD,一个优化驱动器,适当的系统,软件以及可以避免操作系统瓶颈的流软件。德国Spectrum公司能够提供一套完整的解决方案,如图2所示,容许几个TB的数据流连续向SSD阵列以大于 3 GB/s的速度传输。

低占空比测量的存储分段模式

Streaming System Solution标准模式和FIFO模式还能用于三种不同的多重记录法。无论模拟信号转化为数字信号的过程是集中式的还是连续的,都适用于多重记录法。多重记录可以更有效的使用板上采集存储器,特别是对低占空比测量的应用。低占空比应用包括那些短时事件,随后伴随长时间静态间隔。捕捉此类信号的最佳采集方法就是多重记录(分段)模式、门控模式和ABA(双时基)采集。这些模式都采用分割存储器的方式进行多重采集。这种双时基ABA模式降低了触发器之间的采样率,节省了存储空间,但也为触发器之间的空载时间提供了一个可视化的选项。如需了解更多关于采集和多重记录模式的信息,请参考“使用模块化数字化仪采集模式”,可通过此链接下载

板上分析

Firmware Options使用M4i系列数字化仪解决数据瓶颈的最后一个方法是使用板上处理和数据简化。M4i系列卡片的设计中含有FPGA,可以使用包括存储控制、触发模式、PCle总线控制和信号处理等一系列功能。图3显示了M4i系列数字化仪的方框图和基本结构。FPGA空间内部被预留出来,因此诸如信号平均、峰值检波以及统计功能等厂商开发固件可以在此运行。

板上信号处理可以减少按量级需要向PC传输的最终的数据总量。比如,在使用循环信号时,平均固件能够累积超过65,000个独立波形,每个波形可达128k点长。这种功能有效地减少了从所有独立波形向单个平均波形传输的数据。

同样,峰值检测固件可以定位信号中的最大和最小事件,将它们的值和对应的时间信息存储在一起。通过这种方法,先前含有数千甚至数百万数据点的波形可以减少到一组简单的,也许只有6到8个的基本数据集。

小结

随着ADC技术在现代数字化仪中的应用,实现了更快的采集速度、更高的分辨率,需要被采集、存储和传输到PC的数据量不断增加。将数据转移至PC进行查看、存储和分析需要具有合适总线(持续可比的数据传输速度)的数字转换设备、灵活的采集和传输模式、配置良好的PC和恰当的软件。在极端情况下,有必要减少数据时,可以使用FPGA技术。

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