应用示例一、数据记录至系统内存
材料结构测试的高速数据记录
方案需求
某系统集成商想要开发一套多通道材料震动监控设备,并能够实现从不同的传感器同时进行1MS/s~50MS/s采样率的数据采集,同时将采集进来的数据记录到系统内存中,以直接进行后续的处理,而不需要将数据记录到磁盘上做存储。另外该系统集成商希望每个采集通道能够记录至少5~10秒的时间。接下来我们会针对这些应用条件进行评估,并讨论使用PXI Express平台实现这类型应用时,不同的采样率在设计上会遇到的瓶颈有哪些。
评估
下面是我们用来评估这个高速数据记录系统会使用到的组件:
PXI Express机箱: 凌华科技PXES-2780,18槽PXI Express机箱
数字化仪: 凌华科技PXIe-9848,高速8通道100 MS/s 14位PXI Express数字化仪
首先我们先考虑PXI Express机箱中只有单一数字化仪的状况。下表是单一数字化仪在不同采样率下,以不同采集时间所需要的内存评估表。
当只有一张PXIe-9848时,以100MS/s进行8通道的采样时,总数据带宽为1.6GB/s。然而PXIe-9848其接口为PCIe x4且为Gen 1,因此若要进行连续不断的数据记录时,其产生的数据量最好能低于1GB/s。若将采样率降低至50MS/s,则PXIe-9848能产生800MB/s数据量。由于PXES-2780机箱采用PCIe Gen2规格,因此能够负荷800MB/s的数据量。若要以50MS/s采样率进行10秒长度的采样,则进一步的限制会落在系统内存大小上,以此状况下,需要8GB系统内存。若系统内存无法分配出高达8GB的系统内存供数字化仪使用,则必须缩减采样时间的长度。
接下来,我们再来考虑多张卡片安装于同一系统的状况。若想要达到最多采样通道,那么最多则可以把17张PXIe-9848数字化仪,安装于机箱内,那么此时除了考虑PXI Express控制器的系统带宽外,还要把PXI Express背板上的PCIe连接配置也考虑进去。
我们观察PXES-2780机箱的连接配置,如图四所示,它上面的PCIe switch#1上游有两个x4的连接通道,下游有三个x4连接通道,因此以平均来说,每个下游通道可从上游通道分得约1.33GB/s的带宽(4GB/s ÷ 3 ports)。PCIe switch#2也可用相同的计算方式来换算其下游带宽。至于PCIe switch#3与#4的下游通道约可分别分得222MB/s (1.33GB ÷ 6 ports)及190MB/s (1.33GB/s ÷ 7 ports)的带宽。若每个数字化仪都使用同样的采样率,则带宽瓶颈会出现在位于第10、13~18插槽的数字化仪上。
若我们根据第10、13~18槽的带宽限制,来计算不同采样时间长度所需的系统内存,其结果如下表:
由上表评估结果可知,若以5MS/s采样率进行5秒钟连续采样,17张数字化仪共需系统内存达6.8GB大小。若采样率达10MS/s,则记录时间会缩减至2秒(需5.44GB内存),若仍需要加长记录时间,则数字化仪上的板载内存将可延成某个程度的记录时间。