激光高速采集系统方案

  系统规格：

  系统选用SP-Devices公司的ADQ412高速ADC采集PXIe卡：
  1、每块卡有4个独立可调节的12bitADC通道。
  2、每个通道采用SP-Devices公司具有核心技术的采集校正技术，如果采用1GSPS采样时，可以同时支持4通道采样；如果采用2GSPS采样时，可以同时支持2通道采样。
  3、每块板上标准配置1GB内存。
  4、具有4lane通信能力的PXIe结构，传输率400MB/s,3U/1solt。
  5、具有时钟和触发同步功能，并在同步时钟和同步触发控制下进行同步信号发生。
  6、丰富的用户自定义逻辑处理功能，开放的FPGA平台，可以方便的二次开发，如设计用户特定的触发采集功能已经数据的实时处理功能。
  7、具有良好的电磁屏蔽功能的PXIe机箱。 
 

  采集系统的框图如下： 

  板载有四块独立的1.8GSPS@12bitADC，如果我们采用1.8GSPS的采样，那么可以支持4个通道的信号输入；如果采用3.6GSPS采样，我们只能输入2个通道的数据。

  SPdevices公司提供的独到的解决方案，也是当今核心的ADC采集校正技术。我们知道，由于每个模拟器件以及ADC的参数都不一致，包括每个通道的gain，offset以及clockskew均不一样： 
 

  这就不能简单的将这几个通道通过相位延迟进行时间交错来进行采样，这样会带来信号的严重失真。当今世界上只有少数几家厂商能开发出这种高速的校正技术，SPdevice是目前在这方面做的好的厂商，其独有的ADX数字校正技术很好的解决了这个问题。 
 

  同时其带来ADC采集的非常高的技术指标：
 

  其中：
  1、输入阻抗为50欧姆，AC耦合。
  2、输入幅度大为800mVpp，如果外部输入信号过大，我们可以提供agilent公司的宽带衰减器进行衰减。

  关于多卡扩展同步采集

  ADQ412-PXIe系统具有多卡同步扩展能力，PXIe背板中具有统一的100MHz基准时钟。ADQ412可以设置成背板时钟同步模式，通过板载PLL，使每个模块同步在同频率同相的采集时钟下。同理，同步触发信号也是如此，同步如下图所示： 
 

  二次开发包SDK：

  二次开发包括以下几部分：
  1、基于FPGA的实时信号处理。SPdevices提供板载FPGA供用户进行二次开发，标准配置为XilinxVirtex6LX240TFPGA。
  2、ADCaptureLab应用软件，可以观察和保存波形，并进行FFT分析和硬件控制。 
 

  3、基于C/C++和Matlab的接口函数，SPdevices同时提供C/C++和Matlab的参考程序和例程。

  配套的机箱：
  于该PXIe配套的机箱为Agilent的AgilentM9018APXIe机箱
  具有18-slots,3U,8GB/s的传输速率。 
 

  系统总预算：50万人民币。

  关于为什么采用PXIE总线？

  本系统的硬件平台PXI是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）充分利用了当前普及的台式计算机高速标准结构——PCI。PXI规范是CompactPCI规范的扩展。CompactPCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供的机械整合性。因此，PXI产品具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合工业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件。PXI在CompactPCI的机械规范上强制增加了环境性能测试与主动冷却装置，以简化系统集成并确保不同厂商产品之间的互用性。此外，PXI还在高速PCI总线的基础上补充了测量与自动化系统专用的定时与触发特性。
 

  总的来说，PXI是一种坚固的模块化仪器平台，它提出了基于计算机的高性能标准化测量与自动化方案。以合理的价位提供比原有系统架构出色得多的性能。PXI用户自然地享有很多便利，如廉价、易用、灵活的PC技术；开放的工业标准以及与CompactPCI产品的完全互用性。

  PXI平台的标准是由PXI系统联盟维护管理的。该联盟（www.pxi.org）于1997年在NI公司的倡导下由超过60家致力于研究开发PXI的测试测量和自动化公司组成，

  一个决定测试系统流量的关键因素是测量设备与计算机之间的接口总线。尽管系统性能由于处理器速度与系统内存的增加而大幅提升，却依然受到与仪器与外部设备的通信因素限制。GPIB是常见的仪器接口总线，但其数据传输速率比VXI和PCI慢得多。基于VXI的测量系统具有高于GPIB的性能，但用户必须为之付出高昂的代价。相比之下，PCI是为新型处理器设计的，数据传输速率比GPIB和VXI高得多。 
 

  除了提高流量，PXI还能够与所有的主流操作系统兼容。PXI利用这一点将GPIB和VXI也集成到PXI系统。有了这样的开放性，不同厂商开发的PXI设备都可以在一个集成的系统上工作。CompactPCI模块使用的封装和PXI相同，而且也是建立在PCI总线上的；PXI较之增加了更为严格的环境测试，软件标准和一些额外的触发特性。这项严格的兼容性规定意味着当用户的应用不需要所有的模块都具有PXI专有的特性时，可以有更多的模块选择；这还意味着工程师可以将他们已经在使用的CompactPCI模块集成到PXI系统里。

  1)系统的物理特性

  PXI是一个模块化的平台。系统的物理主机是一个拥有18个槽位（更有多种槽位可供选择以适合不同用户的需要）的机箱和二个拥有5个槽位机箱。机箱的槽（Slot1）是控制器槽。嵌入式控制器是专为PXI机箱空间设计的具有工业级特性的计算机。机箱中的其它槽位被称为外部设备槽，用于插置功能模块，就像计算机里的PCI槽一样。

  PXI模块的支架和台式计算机的PCI槽有所不同，模块被上下两侧的导轨和“针－孔”式的接插端牢牢的固定住。事实上，PXI采纳了CompactPCI首先启用的高级“针－孔”式接插端结构。这种由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission）定义的高密度（2mm间距）阻抗匹配接插端（IEC-1076）提供了在所有情况下可以达到的的佳电气性能。这些接插端已经被广泛采纳于各种高性能的应用，尤其是航空航天，军事和通信领域。

  在尺寸上，本系统的3U的PXI机箱比绝大多数的台式或工业计算机平台更加紧凑。机箱的设计考虑了系统集成的需要，使之能够很方便地固定到机柜上。PXI机箱外形小巧，也已成为便携或野外应用的理想选择。后，PXI模块化、前插式的结构给维护和升级带来的极大的便利。如果系统中的一个模块需要修理，工程师可以将其取出，而不影响其它任何模块。模块化减少的的停机时间降低了系统寿命内的维护成本。

  2)系统的机械特性

  PXI机箱和设备是为承受工业和野外环境而设计的；模块也都具有牢固的接插端，可以抵抗撞击与振动。为了保护电路，机箱内设计有额外的冷却装置。此外，设备都是从机箱的前面拆卸，维护与升级非常方便。

  PXI规范要求所有的设备都通过环境测试。厂家建议进行湿度、撞击和振动测试。这些测试可以帮助工程师掌握更多的信息，在构建系统选择符合标准的设备。PXI机箱内的模块导轨就是坚固性的力证。上下两侧的导轨可以牢牢地固定PXI模块。这种安装方式减轻了背板上的承受力，也使模块免受撞击和振动。模块的面板可以用螺丝固定到机箱上，进一步防止松动。在工业计算机中，板卡通常是以夹在接口部分两侧的插槽及卡沿和机箱的连接来固定的。仅仅两个接触点，其中之一还是背板，使板卡极有可能在恶劣的环境下抖动移位。后，PXI机箱通常在背板上只有很少的电路，这样当任何电路需要更换的时候，维护都非常简单。

  PXI规范对冷却具有严格的要求。PXI必须带有强迫冷却装置，产生特定方向的气流，均匀冷却所有模块。而大多数工业计算机使用的冷却装置仅由一到两个风扇构成，通常无法均匀冷却主板与外设板卡。均衡的冷却可以延长模块或板卡的使用寿命，从而降低系统寿命内的平均维护成本。后，所有的PXI设备都经过测试，清楚标明工作和存放时的正常温度。因此，用户可以对所开发的系统更加了解，并知道是否需要增加额外手段，保证系统在适当的环境下工作。

  由于PXI系统的模块化，升级单个组件很容易。比方说，某用户希望升级到更快的处理器，他可以拆下控制器进行更换。因为所有的设备都支持标准软件，所以只要在新的控制器里装上软件和驱动程序，然后插回机箱内就可以了。这些变化对使用者来说几乎是透明的。

  3)系统的电气特性

  PXI的背板提供了一些专为测试和测量工程设计的独到特性。专用的系统时钟用于模块间的同步；8条独立的触发线可以精确同步两个或多个模块；槽与槽之间的局部总线可以节省PCI总线的带宽；后，可选用的星形触发特性适用于极高精度的触发。尤其值得一提的是，星形触发的信号偏斜小于1纳秒，而从星形触发槽到外设槽之间的时延也不超过5纳秒。相比之下，触发线、时钟和局部总线在台式计算机、工业计算机和CompactPCI的机箱里都是没有的。集成化、可扩展的系统通过使用诸如MXI-2和MXI-3这样的远程控制接口技术，PXI系统能够轻易地与已有的测试与测量系统相集成。利用这些接口，工程师既可以享有PXI结构的优点，同时又避免了更换整个系统带来的的高额支出。一个PXI系统通过MXI-2连接VXI机箱，就像在VXI背板上直接插了一个VXI嵌入式控制器一样。工程师可以由PXI控制器设置所有的系统设备并与之通信，从而将一个已有的VXI系统合并到一个新的PXI系统中。工程师们可以根据需要逐步的将他们的VXI系统升级到PXI。

  PXIExpress技术是PXI平台新引进的技术。将PCIExpress集成入PXI标准，从而将背板带宽提升了45倍，从132MB/s提高到6GB/s。并通过一个100MHz的差分参考时钟和多个差分触发，增强了PXI定时与同步的特性。PXIExpress在保持后向兼容性的同时，将这些特性引入PXI。
  PXIExpress仪器采用PCIe总线技术，为PXI平台新添了许多技术优势。该总线至多个仪器系统的数据吞吐量可以高达2GB/s，从而可用于那些曾经只能通过定制硬件才可能实现的应用。

  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

  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。