AMAT 0100-00075
PXIExpress的技术优势
由于PXI标准采用了PCIe技术，PXI自动化测试系统提供了前所未有的高性能。在有些情况下，PXI仪器现在可以执行一些迄今一直无法完成的测量。
PXIExpress是由PXI扩展所得。新型PXIExpress机箱提供了支持PXI与PXIExpress模块协同工作于同一系统的混合兼容的插槽。所以，针对自动测试应用领域，PXI与PXIExpress系统均具有如下三大技术优势：
灵活的、软件定义的仪器系统
模块化仪器的集成
高数据吞吐量
利用软件定义方式实现仪器系统的灵活性，您可以为各种测量应用重新配置测试系统。对于针对某台设备需要进行多种协议的标准测量的RF/通信设备制造测试，这种灵活的测试方案显得尤为适用。
其次，通过将模块化仪器集成到同一个系统，您可以从超过1500种现有PXI仪器中选择合适的仪器。这些仪器包括测试与测量行业中最高性能的仪器：
18-位分辨率的高精度多功能数据采集卡
24位分辨率、500kS/s采样率数字化仪
具有pA级精度和1000V量程的快速7位
半数字万用表
高密度开关阵列，在单个3U插槽中具有512个交叉点
高达6.6GHz的RF信号分析与发生仪
高密度通道计数与同步，高达5000个动态通道
通过在同一系统中使用多种PXI模块化仪器，您可以通过单个测试系统测试多种混合信号设备。一个常见应用便是使用PXI系统实现混合信号半导体ASIC的表征。
最后，PXI与PXIExpress仪器均具有一条能实现从仪器到主机PC的高性能信息传输的数据总线。PXI仪器能够为总线上的所有设备提供高达132MB/s的共享带宽。PXIExpress仪器通过PCIe总线甚至能够达到更高的吞吐量。PCIe总线是一个点对点的高速串行总线，其每插槽带宽可以从250MB/s扩展至2GB/s。例如，一个x4（“乘4”）PXIExpress插槽为该插槽中的设备提供高达1GB/s专用带宽。此外，系统的总吞吐量随着您添加更多仪器至系统中相应增加。
您可以利用PXIExpress仪器的高数据吞吐量的特性，创建若干项新型应用。凭借总线的高吞吐量，您可以在高速数据流导入磁盘或数据流导出磁盘配置应用中，协同使用PXIExpress仪器与PXIExpressRAID硬盘驱动器。两个特殊的应用——信号情报与数字视频测试——的实现便是得益于这一功能。
软件定义的测量：RF与通信测试
利用虚拟仪器系统的方式，PCI或PCIe被用作从仪器到PC的数据总线。您可以结合定制算法或常见测量值（如上升时间或THD（总谐波失真）），对数据进行分析。利用软件定义测量，您可以重新配置仪器以执行各种任务。
一个需要使用软件定义测量的应用领域便是RF与通信制造测试。由于现在的无线设备使用多种通信协议，如802.11g、GSM、GPS和蓝牙等，无线设备测试的挑战性和测试成本均日趋上升。以往，您需要多台仪器以表征不同通信标准下的设备性能。糟糕的是，使用多台独立仪器的成本会非常之高。如今，使用这种软件定义的RF测试方案，可以使用相同的硬件设备、通过重新配置软件从而实现对多种通信协议的测试。因而，您可以用同一台仪器与不同的软件结合使用，实现不同的测试功能。一个面向无线标准测试的仪器复用的常见范例，便是蜂窝电话制造测试，如图2所示。
如图所示，单个PXI失量信号分析仪捕获对应不同通信标准的各种频率的RF信号。由于通信协议堆栈用软件实现，您可以将同一台仪器复用于每一个通信标准。因而，软件定义的测量方式缩减了测试成本与空间占用。
多仪器集成：混合信号ASIC的表征
对于混合信号测试，PXI的另一个技术优势便是，它提供了在同一个系统中紧密集成多个仪器的能力。这一能力提供了仪器间的精确同步和模拟与数字数据间的相关，并减少了仪器所占用的空间。这种实现仪器系统的混合信号方式使得多种测试应用获益匪浅。范例之一便是多通道混合信号专用集成电路ASIC，如数模转换器。
现代ASIC要求混合信号输入和输出以及各种信号需求。以往，这些设备的自动化测试需要多个台式仪器，这需要耗费相当的成本和物理空间。今天，PXI仪器系统提供了一种单平台解决方案，通过该方案，您可以在单个测试中集成多台仪器。
例如，考虑表征一个4-通道、12-位、100MHz数模转换器所需的测试仪器。该ASIC需要超过48个同步数字I/O的通道、4个精确模拟输入通道和一个可编程的DC电源。利用PXI仪器系统，您可以通过在同一个系统中集成多个PXI仪器解决这一测试挑战。如图3所示，您可以实现多个数字I/O模块的同步，以确保48个通道满足通道间偏移小于1ns。此外，一个PXI高速数字化仪在100MS/s采样率时能提供14-位的精度。对于该测试系统，您仅需要一个数字化仪，以及一个低插入损耗的RF开关。最后，您可以使用一个PXI可编程电源供应，以提供从0V到6V的、120µV间隔变化的电压。图3表示了一个多通道DAC的参考架构。
例如，考虑表征一个4-通道、12-位、100MHz数模转换器所需的测试仪器。该ASIC需要超过48个同步数字I/O的通道、4个精确模拟输入通道和一个可编程的DC电源。利用PXI仪器系统，您可以通过在同一个系统中集成多个PXI仪器解决这一测试挑战。如图3所示，您可以实现多个数字I/O模块的同步，以确保48个通道满足通道间偏移小于1ns。此外，一个PXI高速数字化仪在100MS/s采样率时能提供14-位的精度。对于该测试系统，您仅需要一个数字化仪，以及一个低插入损耗的RF开关。最后，您可以使用一个PXI可编程电源供应，以提供从0V到6V的、120µV间隔变化的电压。图3表示了一个多通道DAC的参考架构。
利用仪器系统的模块化实现方式，您可以通过重新配置该系统或对其扩展以满足未来的测试需求。此外，通过与NILabVIEW编程环境的连接，您可以实现如THD、SFDR和SINAD等量的测量。在该系统中，您可以通过观察其在电源、电流等各种因素下的性能，得到被测设备的全面表征。
Applications高数据吞吐量：数据流导入磁盘应用
PXIExpres
s仪器系统的最大技术优势在于PCIe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，也使得使用现有商用硬件无法实现的新型应用得以实现。范例之一便是数据流导入磁盘，如信号情报和数字视频测试等。
传统的台式仪器，如任意波形发生器、逻辑分析仪和示波器等，使用板上有限的存储器作为存储波形数据的临时缓存。板上存储器昂贵而且可用空间有限。然后，这些仪器系统可以通过GPIB、LAN或USB接口将波形输入至PC或自PC输出波形。糟糕的是，这样的数据吞吐量仅仅是数兆字节每秒。对于数据流导入磁盘或数据流导入内存等应用，需要高得多的吞吐量。PXIExpress凭借其高吞吐量和低总线时延，提供了一个引人瞩目的解决方案。
幸运的是，您可以使用NILabVIEW的多线程编程模型，方便地优化数据流导入磁盘应用。由于LabVIEW动态地分配编程任务至多个线程，您可以通过将仪器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，如图5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LabVIEWFIFO队列）。您可以使用该队列结构，以实现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。该生产者-消费者循环结构为数据流导入磁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。
标定数据流导入磁盘应用
得益于PXIExpress仪器系统吞吐量的提高，您可以在数据流导入磁盘应用中实现更高的采样率和更多的通道数。为了标定数据流导入磁盘应用的准确吞吐量，使用如下等式：
吞吐量=采样率x字节/样本x通道数
例如，考虑一个数据流导入磁盘应用场景：NIPXIe-5122高速数字化仪的两个通道以100MS/s的最大采样率进行采样。注意，NIPXIe-5122是一个14-位的数字化仪。因而，每个采样值需要2字节存储空间或磁盘空间。NIPXIe-5122的最大吞吐量如下所示：
吞吐量=100MS/sx2字节/采样x2通道=400MB/s
为了精确表征一个真实系统的性能，使用一个PXIExpress双核嵌入式控制器，以及一个速率为650MB/s的PXIExpressx4RAID-0硬盘驱动器。对于该测试，所用的采集大小为40GB。在如下所示的测试结果中，使用了多个具有256MB板载存储的NIPXIe-5122数字化仪。表一根据所需通道的数目，描述了数据流导入磁盘应用的最大采样率。
作为数据流导入磁盘应用的另一种方案，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您的PXI控制器的板载内存中。这一方法不要求一个RAID硬盘驱动器配置，而且吞吐量也不受硬盘驱动器的磁盘写入速度限制。实际上，吞吐量受到PCIe总线带宽的限制，而采集数据大小则受限于可用PC存储器的空间大小。在一个典型的数据流导入磁盘应用中，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支持40MB/s的磁盘写入速度，所以您可以将数据存储在存储器中直至您将其写入磁盘。
在下列数据流导入存储器场景的标定中，使用了一个具有2GB板载存储空间的PXIExpress双核控制器。对于每通道100M采样点数的采集大小，该测试需要高达1.2GB的PC存储器以支持六个通道。这里，再次使用了多个具有256MB板载存储空间的NIPXIe-5122数字化仪，以获取最佳结果。其结果如表2所示。
这种将数据以数据流的形式导入磁盘的能力使得许多应用获益匪浅。在此，我们将详细讨论两个常见应用：1）信号情报/频谱监测和2）数字视频测试。
信号情报：中频数据流导入磁盘
现代军事侦察、卫星通信和频谱监测应用，需要长时间地将大量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、定制的硬件来实现。然而，您现在可以利用商业现成可用（COTS）的PXI和PXIExpress仪器系
统，开发面向信号情报的波形数据流导入磁盘应用。
为捕获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，并使用一个或多个混频器将RF信号转换到一个您可以通过高速数模转换器进行捕获的频率范围。利用NIPXIe-5122高速数字化仪的两个采样率为100MS/s的通道，您可以采集到两个IF信号，每个通道的带宽为50MHz。基于此，您可以采集总RF带宽为100MHz的信号。
对于信号情报应用，典型情况下，部分频谱以数据流的方式导入磁盘持续数分钟或甚至数个小时。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。一些实例中，也可以通过任意波形发生器反向生成所捕获的频谱数据，以模拟实际环境。
消费电子产品：数字视频测试
另一项需要长时间采集测试波形的应用便是数字视频测试。DVI标准支持LCD显示器和平板等离子显示器。新的技术需要更高的时钟速率，因此生成和采集移动DVI显示图形甚至需要更长的波形。
对于利用DVI输出精确测试现代机顶盒时，长时间生成或采集数字视频模式的能力变得非常关键。例如，测试当天的机顶盒的图像解压缩和解码算法，需要移动测试模式。由于像素偏移仅在移动图像上发生，您必须每次持续采集数字信号传输达数秒或甚至数分钟，以检测这些位误差。在图8中，您可以观察到像素偏移对数字图像的影响。
借助PXIExpress，您可以利用现成可用的RAID硬盘驱动器配置，持续采集DVI图像长达数分钟或者甚至数小时。例如，您可以配置NIPXIe-6537高速数字I/O模块，从而以高达200MB/s的速率持续数小时（2.5小时=1.8TB）实现数据流导入磁盘。因而，您可以利用现成可用的快速PXI仪器执行准确的数字视频像素偏移测试。
总结
利用PXI平台，您可以实现：
灵活的、软件定义的测量
模块化仪器的集成
高数据吞吐量
凭借这些技术优势，PXI仪器系统使得各种应用获益匪浅，其中包括RF与通信测量、混合信号ASIC表征、信号情报和数字视频测试等。而且，虽然PXI平台业已提供了所有这些技术优势，但是PXIExpress通过利用PCIe总线大幅提高吞吐量，显著改进了该平台的性能。因而，您可以创建高精度的自动化测试系统，与以往系统相比，该系统不仅测试时间更短，而且测试能力也更为强大。
在大型旋转机械、桥梁、地下铁路、加工机床等领域，对振动信号进行采集和分析，可以实现危险预报、故障诊断、性能指标分析等多项功能。传统的便携式振动测量分析仪大多用单片机或RISCCPU作为核心处理器，一般是8位或16位的，内存只有几Kb，外部存储器的容量也只有1～2Mb，再加上CPU的主频不高，进行大量数据运算(如FFT等)，需要很长时间，图像显示基本上依靠黑白液晶屏，可以显示的内容少，因此对传统的便携式振动测试分析仪进行性能的改进很有必要。
本项目采用ARM9的S3C2410处理器，可以连续监测8个通道，提供转速、棒图、振动通频值、数据列表、时域波形、频谱图、伯德图等振动监测、分析图表。采用640×480的TFT彩色显示屏，界面美观，可以显示的内容丰富，采用64Mb内存，可以暂存长时间的采样数据、运算结果数据，采用64MbNANDFLASH，可以保存多组测量历史数据。体积小,22cm×18cm×10cm,携带方便,较以前产品，性能有了大幅度的提高。
硬件部分介绍
硬件主要由3部分组成，核心板、底板及信号输入接口板共3块电路板组成，下面分别介绍。
核心
板
核心板主要由S3C2410处理器、64MbNANDFLASH（K9F1208）、64Mb内存（2片HY57V561620）组成。底板的接口采用144引脚的内存插槽，引出了16位的数据总线、16位的地址总线、IIC接口、SPI接口、IIS接口、JTAG接口、USB接口、LCD接口、触摸屏接口等CPU的输入输出口线。
S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0.18μm制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、TouchScreen接口、IIC-BUS接口、IIS-BUS接口、2个USB主机、1个USB设备、SD主机和MMC接口、2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。每秒钟的运算能力为203×1.1MIPS，所以对FFT的计算非常的快。
电路原理图设计参考了三星公司提供的评估板的ORCAD格式的电路原理图。小经验：国内的硬件工程师普遍熟悉PROTEL软件，对ORCAD不是很熟悉，用PROTEL2004可以直接打开ORCAD格式的三星公司的S3C2410评估板的电路原理图，适当的修改就可以形成自己的需要的PROTEL格式的电路原理图，而且不容易出错，所以本核心板的原理图设计非常顺利。
PCB的设计由于S3C2410采用272引脚的BGA封装，所以电路板的制作采用了6层电路板，从顶层到底层依次为元件层、地、布线层1、布线层2、地、底层。布线间距最小为5mil，最小线宽5mil,过孔大小8/16mil，核心板全部采用手工布线完成。
底板的设计
底板主要由A/D电路、TFT彩色屏接口、网络接口电路、触摸屏接口电路组成，各部分的电路如下面所述。
A/D芯片与CPU的接口
A/D芯片采用AD7864，AD7864是一种高速、低功耗、可以4通道同时采样的A/D转换器。它的主要特性有：高速12位A/D转换器；同时采样4个输入通道，并具有4个采样、保持放大器；0.35μs采样保持获取时间，每一个通道转换时间1.65μs；可以通过软件或者硬件的方法选取用于采样的通道；单电源供电(+5V)；多个转换电压范围；具有高速并行接口，可以与处理器直接连接；低功耗，每通道功耗90mW；对于每一个模拟输入通道均有过压保护电路。AD78644通道同时工作时，最大采样率可以高达130kHz。用了2片AD7864，可以同时采样8路信号，同时监测8个通道。
通常的机械的转速的范围在100～30000转/分，即最高频率为500Hz，根据振动分析仪的采样需要，每个周期采128个点计算，采样频率不超过64kHz，这样的采样频率与S3C2410的CPU核心频率200MHz、外部数据总线频率的100MHz相比还是很低的。
因此采用AD7864的A/D转换结束信号BUSY的下降沿中断CPU，然后由S3C2410直接读取A/D转换后的数据到内存中去。没有采用外部RAM缓存A/D转换后的数据或用FIFO来对数据进行缓存，然后再由CPU读取缓存里数据的方法。电路的实际测试结果是采样频率小于100kHz时，完全可以正确无误的读取到采样后的数据，大大的简化了A/D采样部分的电路设计及节省了电路成本。
其中AIN1-AIN8是模拟信号的输入，DATA0-DATA11是S3C2410的数据总线的低12位，EINT0接S3C2410的外部中断线的0号线，nOE是S3C2410的读使能信号，AD7864的片选直接接S3C2410的NGCS1、NGCS2，对AD7864进行读操作用BANK1、BANK2的首地址，即008000000，010000000。CONV_START是采样频率信号，可以是外部的同步采样信号，每周期采128个点，也可以是内部PWM电路产生的内部非同步采样信号。
显示屏接口电路
S3C2410自带LCD驱动器，所以显示接口的设计比较简单，使用的TFT显示屏为台湾元太的PD064VT4屏，PD064VT4屏是一款640×480的高亮TFT彩屏，其亮度为400Cd/m2，非常适合工业场合的应用，信号接口：并行18位RGB，每种颜色用6位信号表示。
S3C2410的LCD驱动器接口是24位的RGB接口，其输出
信号为VD0-VD7、VD8-VD15、VD16-VD24，每种颜色用8位数字信号表示；PD064VT4TFT屏的接口是18位的RGB接口，每种颜色用6为数字信号表示，即R0-R5、G0-G5、B0-B5。连接时VD2-VD7和B0-B5相连，VD10-VD15和G0-G5相连，VD18-VD23和R0-R5相连。VD0、VD1、VD8、VD9、VD16、VD17不使用。
触摸屏接口电路
本振动测试分析仪的人机接口界面采用了电阻式触摸屏，加上采用了640×480的高亮TFT彩色液晶屏，使得人机界面很友善，操作非常方便。S3C2410自带了触摸屏的接口电路，触摸屏接口的设计比较简单。触摸屏接口电路如图3，其中YU、YL、XR、XL表示4线电阻式触摸屏的的4个接口信号。
触摸屏接口电路
图3触摸屏接口电路
信号输入接口板
信号输入接口板可以接涡流传感器或磁电传感器，每个通道根据接入的传感器类型不同，处理电路有所区别，电路主要由低通、高通滤波电路，有效值转换电路等组成，输出交流的波形信号或直流信号（间隙电压或振动烈度），信号输入接口板还包括一个锁相环电路，使AD7864的采样频率是转速的128倍，即每个周期采样128点。
IO1-IO7是S3C2410的8个IO口线，主要用来对信号输入接口板的输出信号进行选择，首先控制是按照涡流传感器处理还是按照磁电传感器处理，然后控制是输出交流的波形信号还是输出直流信号（间隙电压或振动烈度）。
Ch01-ch08是信号输入接口板输出给AD7864去进行采样的交流或直流信号。KPH信号是转速信号，送到S3C2410的定时器去测量转速。CLK的频率是KPH频率的128倍，也即外部同步采样频率信号，通过信号输入接口板上的一个锁相环电路产生，COUT是由S3C2410的定时器对输入的CLK信号进行128分频产生，是反馈给锁相环电路的相位比较信号。
软件设计
考虑到软件只需要用单任务就可以完成所有的功能，没有必要使用嵌入式实时操作系统，另外考虑到商用嵌入式实时操作系统（如VxWORKS）的价格较贵，开源的嵌入式操作系统如Linux对开发人员的要求较高，另外也不是硬实时的操作系统，所以没有采用嵌入式实时操作系统。
本振动测试分析仪采用了640×480的TFT真彩屏，为了达到比较好的显示效果，首先编写好基本的画图函数（画点、线、圆、弧线、椭圆、矩形、填充），然后在此基础上编写了显示图片、简单窗口、下拉式菜单的函数。由于仪表的显示界面还是相对比较简单，并不需要做成像Windows视窗那样的复杂界面，所以界面显示效果还是很漂亮的，达到了预期的要求。