Nové NI FlexRIO FPGA moduly na PXI Express

Řešení náročných požadavků při automatizovaném testování

Společnost National Instruments vyvinula NI LabVIEW FPGA a technologii rekonfigurovatelných vstupů a výstupů (RIO) pro nejnáročnější aplikace v oblasti embedded řídicích systémů a vysoce výkonných testovacích systémů.

Od prvního představení produktů RIO na konferenci NIWeek v roce 1997 uvedla společnost NI celou řadu zařízení využívající technologii RIO, včetně NI řady R, CompactRIO a mezifrekvenčních vysílačů a přijímačů RIO na PXI Express. Ačkoliv byla technologie RIO primárně používána v řídicích aplikacích, pokroky v oblasti programovatelných hradlových polí (FPGA) spolu s vývojem LabVIEW FPGA také vylepšují automatizované testovací systémy, neboť podstatně zvyšují jejich propustnost, umožňují nové typy testování a snižují náklady. Nejnovější FPGA moduly NI FlexRIO posouvají možnosti ještě dále díky výkonnějším FPGA, větší paměti na deskách, vylepšené synchronizaci a větší datové propustnosti.

FPGA v aplikacích pro automatizované testování

Nyní můžete využít výhody otevřených, uživatelsky programovatelných hradlových polí (FPGA) pro zvýšení výkonu stávajících aplikací v oblasti automatizovaného testování nebo pro řešení zcela nových aplikačních oblastí. Klíčovou aplikační oblastí testovací technologie FPGA jsou testovací systémy s uzavřenou smyčkou. V těchto aplikacích musí automatizovaný testovací systém dodávat testovanému zařízení zpětnou vazbu v reálném čase, často kvůli emulaci reálných provozních podmínek. Toho může systém dosáhnout jedině s využitím extrémně nízké latence přístroje na bázi FPGA. Jedním příkladem tohoto typu testování je testování čipů RFID, při kterém musí testovací systém emulovat čtečku RFID a rozhraní s čipem v pouhých 25 μs. Další novou aplikační oblastí pro FPGA je implementace automatizovaných testovacích systémů, které mají extrémně vysoké nároky z hlediska zpracování dat, přesahující možnosti nejnovějších vícejádrových procesorů. Širokopásmový spektrální analyzátor reálného času trvale provádí rychlou Fourierovu transformaci (FFT) na měřených datech, jak je vidět na obrázku 1, a pouze FPGA s rozšířenými možnostmi zpracování signálů má dostatečnou propustnost pro splnění těchto požadavků na uživatelsky definované analýzy.

Obr. 1 Širokopásmový spektrální analyzátor pracující v reálném čase je výkonným nástrojem, který může vzniknout díky výkonným obvodům FPGA.

FPGA můžete také použít k vylepšení stávajících aplikací. Automatické testery pracující s různými protokoly vyžadují implementaci digitálních protokolů na čipu FPGA kvůli abstrakci komunikace s testovaným zařízením. Tyto aplikace nahrazují tradiční logické analyzátory a generátory vzorů, které jsou složité na programování, a představují tak jednodušší metodu pro tvorbu funkčních testovacích rutin. V neposlední řadě mohou být stávající softwarové automatizované testovací systémy, používající modulární instrumentaci, doplněny o obvod FPGA, který bude ovládat testovací hardware a zvýší tak propustnost systému. V tomto případě může FPGA zajišťovat hardwarově časované spouštění dalších přístrojů, detekovat vlastní spouštěcí události nebo dokonce deterministicky řídit testované zařízení. Tyto čtyři obecné třídy – testování s uzavřenou smyčkou, vylepšené zpracování dat, testování s využitím protokolů a řízení testovacího systému – ukazují několik z mnoha různých způsobů, kterými mohou obvody FPGA vylepšit testovací aplikace a rozšířit možnosti testování.

Nové FPGA a adaptérové moduly NI FlexRIO na PXI Express

Aby vyhověla požadavkům automatizovaných testovacích aplikací, představila společnost NI nedávno tři nové FPGA moduly NI FlexRIO na PXI Express spolu s několika novými adaptérovými moduly NI FlexRIO, které představují flexibilní vstupy a výstupy pro FPGA. Moduly NI PXIe-7961R, NI PXIe-7962R a NI PXIe-7965R na PXI Express obsahují vysoce výkonné obvody FPGA Xilinx Virtex-5 SXT se zaměřením na DSP a až 512 MB paměti DRAM na desce, jak je podrobně uvedeno v tabulce 1. Můžete je používat jako samostatné koprocesory, které převezmou část výpočtů z procesoru figurujícího jako hostitel pro FPGA. Nebo je použít s adaptérovým modulem NI FlexRIO, který obsahuje vysoce výkonné analogové či digitální vstupy a výstupy, a vytvořit tak přístroj na bázi FPGA.

Tabulka 1 Nové moduly NI FlexRIO na PXI Express nabízejí výběr z více variant paměti, DSP slices a obvodů FPGA

Společnost NI zvolila FPGA obvody Xilinx SXT kvůli tomu, že obsahují až 640 DSP slice, které můžete použít k implementaci digitálních filtrů, vlastního zpracování signálů a FFT – tedy prvky, které se běžně vyskytují v přístrojích na bázi FPGA s analogovými vstupy a výstupy. Paměť DRAM na desce doplňuje kapacitu FPGA pro zpracování dat tím, že zdvojnásobuje šířku pásma a ve srovnání se stávajícími FPGA moduly NI PXI-795xR je kapacita čtyřnásobná. Propustnost paměti DRAM je až 3,2 GB/s, což je potřeba při zpracovávání velkých objemů dat s nejvýkonnějšími adaptérovými moduly.

Kromě toho, že jde o první FPGA moduly NI FlexRIO pro sběrnici PXI Express, obsahují zařízení NI PXIe-796xR také ASIC obvod NI-STC3, který umožňuje přímý přenos dat (známý také jako peer-to-peer přenos) mezi FPGA moduly či mezi digitizéry na PXI Express a FPGA moduly. Díky této mocné funkci není potřeba posílat data zpět na hostitelský procesor a můžete vytvářet přístroje na bázi FPGA s vysoce výkonnými digitizéry NI. Když použijete digitizér NI PXIe-5122, můžete přenášet data z obou kanálů do FPGA NI FlexRIO na PXI Express plnou vzorkovací rychlostí 100 MS/s, neboli celkovou rychlostí 400 MB/s. Také můžete přenášet data z mezifrekvenčního (IF) digitizéru NI PXIe-5622 nebo z vektorového signálového analyzátoru NI PXIe-5663 rychlostí až 75 MS/s, neboli celkovou rychlostí 300 MB/s. Pro aplikace s největší výpočetní náročností můžete svůj algoritmus rozdělit mezi několik FPGA obvodů s peer-to-peer přenosem dat od jednoho k druhému rychleji než 800 MB/s, případně v obou směrech přes 700 MB/s na směr a dosáhnout tak celkové propustnosti modulu vyšší než 1,4 GB/s.

Tabulka 2 Existuje několik nových a chystaných adaptérových modulů pro NI FlexRIO od National Instruments a partnerů z aliance NI Alliance Partners.

Společnost National Instruments a partneři z NI Alliance Partners pokračují ve vývoji adaptérových modulů NI FlexRIO, které jsou uvedeny v tabulce 2, aby vytvořili přístroje na bázi FPGA obsahující FPGA moduly NI FlexRIO. Například nový modul přijímače a vysílače v základním pásmu NI 5781 obsahuje dva kanály pro 14bitový 100 MS/s analogový vstup a dva 16bitové kanály na 100 MS/s jakožto analogové výstupy. Tento modul je určen pro vytváření FPGA rozhraní k VF modulům typu upconverter a downconverter a obsahuje vstupy a výstupy pro řídicí aplikace s ultra vysokými rychlostmi.

S novými vysoce výkonnými FPGA a adaptérovými moduly NI FlexRIO můžete implementovat systémy na bázi FPGA pro rychlé a efektivní testování dnešních komplexních zařízení.

O autorovi

Ryan Verret pracuje ve společnosti National Instruments jako produktový manažer pro signálové generátory a testovací produkty obsahující FPGA. Získal bakalářské i magisterské vzdělání v elektrotechnice na Rice University.