當前的技術(shù)瓶頸
對于大多數(shù)基于PC運行的數(shù)字化儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，常見的問題是由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)領(lǐng)先于PC總線技術(shù)而引起的。當高速,、高分辨率的數(shù)字化儀產(chǎn)品將大量的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號時,，PC卻無法對這些數(shù)據(jù)進行完整的讀取和處理，這時就產(chǎn)生了瓶頸效應。譬如,，基于USB的數(shù)字化儀通常采用高于100MS/s的采樣率,，而數(shù)據(jù)傳輸至PC的速度往往受總線限制而局限于每秒幾兆字節(jié)(MS/s)。這種瓶頸效應導致數(shù)字化儀不得不暫停數(shù)據(jù)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(tǒng)的整體測量和分析速度,。因此，很多需要進行大量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送至板上現(xiàn)場可編程門列陣(FPGA),使終端用戶可以處理數(shù)據(jù)并嘗試減少需要通過總線向PC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量。但是,，當進行高速數(shù)據(jù)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(fā)工具和專業(yè)的工程知識,。開發(fā)高級FPGA固件難度較高,，它依賴于一些算法的實現(xiàn)，而且固件的設計,、調(diào)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(shù)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(shù)與工廠工程FPGA程序及一系列智能數(shù)據(jù)采集和傳輸模式,。其結(jié)果能夠幫助用戶輕松的優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸過程，進行更復雜的測量并分析在PC環(huán)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SBench6這些現(xiàn)成的軟件工具都將被用以處理輸入數(shù)據(jù),。這種方法減少了對定制化固件的需求,，并因簡化項目開發(fā)進程而顯著降低工程造價。
圖表1顯示了一些數(shù)字化儀的接口和標準的數(shù)據(jù)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(shù)字化維持在10-200MS/s的范圍甚至更高,，內(nèi)嵌于USB或PCI這類較慢或老式的總線系統(tǒng)的數(shù)字化儀更容易遇到數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i,。如果使用多通道的數(shù)字化儀，問題會更加嚴重,，因為數(shù)據(jù)的采集率將隨通道的增加而加倍,。
表1顯示常見數(shù)字化儀總線類型及其標準數(shù)據(jù)傳輸速度
真正的高速總線
當然,，數(shù)據(jù)傳輸速度并不簡單地依賴于數(shù)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(shù)字化儀,，它們在8位分辨率下的采樣率高達5GS/s,、14位分辨率下達到500MS/s或16位分辨率下達到250MS/s。這些M4i系列卡片均具備搭配數(shù)字化儀的新PC總線技術(shù),，PCIex8通路二代接口能以高達3.4GB/s的速度從板上存儲器向PC傳輸數(shù)據(jù),。M4i系列板卡配有為Windows和LINUX提供的速度優(yōu)化驅(qū)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(shù)字化儀速度快且分辨率高,，使用高速PClex8通路二代接口能使傳輸速度達到3.4GB/s
表格2顯示了M4i系列數(shù)字化儀在不同PC主板和配置下運行的基準測試結(jié)果。當PCle有效載荷大小為256Byte時效果達到優(yōu),。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(shù)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(huán)形緩沖區(qū)，就像示波器一樣,。數(shù)據(jù)被寫入數(shù)字化儀的環(huán)形存儲器直至觸發(fā)事件發(fā)生,。觸發(fā)產(chǎn)生后，后觸發(fā)值被記錄下來,。前觸發(fā)值和后觸發(fā)值均會被囊括在記錄數(shù)據(jù)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(shù)字化儀和外部主機之間進行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸而設計的一種流模式,。對數(shù)據(jù)流的控制由驅(qū)動器基于中斷請求自動完成,。
標準模式與FIFO模式的主要區(qū)別在于，標準模式受限于M4i系列產(chǎn)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(xù)傳輸數(shù)據(jù)，進而運行更長的采集時間,。完全內(nèi)置的采集存儲器使用起來就像一個緩沖區(qū),，可以提供可靠的數(shù)據(jù)流。要想使流達到佳狀態(tài)需要一個專用的RAID控制器,，一束帶有高吞吐量的SSD,，一個優(yōu)化驅(qū)動器，適當?shù)南到y(tǒng),，軟件以及可以避免操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)流連續(xù)向SSD陣列以大于3GB/s的速度傳輸,。
容許幾個TB的數(shù)據(jù)流連續(xù)向SSD陣列以大于3GB/s的速度傳輸,。
圖2.Spectrum的流系統(tǒng)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(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程是集中式的還是連續(xù)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(tài)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(fā)器之間的采樣率,，節(jié)省了存儲空間，但也為觸發(fā)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(shù)字化儀解決數(shù)據(jù)瓶頸的后一個方法是使用板上處理和數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)字化儀的方框圖和基本結(jié)構(gòu),。FPGA空間內(nèi)部被預留出來,，因此諸如信號平均、峰值檢波以及統(tǒng)計功能等廠商開發(fā)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?shù)慕K的數(shù)據(jù)總量,。比如，在使用循環(huán)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?shù)臄?shù)據(jù),。
圖3.M4i數(shù)字化儀系列產(chǎn)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(shù)千甚至數(shù)百萬數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集,。
小結(jié)
隨著ADC技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字化儀中的應用,，實現(xiàn)了更快的采集速度,、更高的分辨率，需要被采集,、存儲和傳輸?shù)絇C的數(shù)據(jù)量不斷增加,。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至PC進行查看、存儲和分析需要具有合適總線（持續(xù)可比的數(shù)據(jù)傳輸速度）的數(shù)字轉(zhuǎn)換設備,、靈活的采集和傳輸模式,、配置良好的PC和恰當?shù)能浖Ｔ跇O端情況下,，有必要減少數(shù)據(jù)時,，可以使用FPGA技術(shù)。
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