다채널 고속 데이터시스템 구축

많은 기존의 고속 오실로스코프는 2~4개의 채널을 제공하며 독립형 박스형 계측기로 작동합니다. 이는 벤치탑 디버깅에 효과적인 솔루션이지만, 수십 또는 수백 개의 채널을 동시에 고속으로 샘플링해야 하는 빔포밍 및 의료 이미징과 같이 채널 수가 많은 어플리케이션을 위해 이러한 계측기를 확장하기 어려울 때가 많습니다.

채널 수가 많은 고속 DAQ 시스템은 채널 밀도를 극대화하고 여러 채널을 동기화하며 대량의 데이터를 처리해야 합니다. 채널 동기화를 단순화하고 콤팩트한 폼 팩터로 높은 처리량의 데이터 스트리밍을 지원하는 모듈형 플랫폼으로 훨씬 더 실용적으로 이러한 과제를 극복할 수 있습니다. 

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation)는 이러한 전통적인 과제를 해결하고 다양한 어플리케이션에서 신뢰성을 제공한 실적이 있으므로 채널 수가 많은 시스템을 만드는 데 이상적입니다. PXI 플랫폼은 버추얼 인스트루먼테이션의 개념을 기반으로 구축되는데, 이는 소프트웨어를 사용하여 인스트루먼트의 기능을 정의하며 기존의 고정 함수 인스트루먼트로 옵션을 제한하는 대신 요구사항에 정확히 적합한 측정 및 자동화 시스템을 만드는 데 도움이 됩니다.

 

1: 채널 밀도 최대화

수백 개의 채널이 있는 고성능 어플리케이션을 만들 때, 공간은 금방 문제가 됩니다. PXI 플랫폼은 소형 폼 팩터에서 측정 및 자동화 시스템을 위한 고성능, 저비용 배포 솔루션을 제공합니다. PXI 시스템은 컨트롤러, 섀시 그리고 오실로스코프, 디지털 멀티미터(DMM), 임의 파형 생성기와 같은 다양한 계측기로 구성됩니다.

기존의 박스형 계측기에는 2~4개 채널마다 전용 프로세서, 화면, 전원 공급 장치와 팬이 있습니다. PXI는 이렇게 중복되는 부품을 단일 섀시와 컨트롤러로 압축하여 모듈에는 아날로그 및 디지털 회로만 남겨둠으로써 채널 밀도를 극대화할 수 있습니다. 이 통합을 통해 절약된 공간은 모듈당 채널의 양을 최적화하므로 단일 4U 랙 공간에 최대 544개의 채널이 있는 시스템을 구축할 수 있습니다.

 

그림 1. PXI 플랫폼의 모듈식 접근 방식으로 다양한 고속 또는 고해상도 모듈을 사용하여 고밀도 수집 시스템을 생성할 수 있습니다.

 

 

테이블 1은 NI PXIe-5186과 같은 고대역폭, 고속 모듈부터 NI FlexRIO용 NI 5752 어댑터 모듈과 같은 채널 수가 매우 많은 모듈에 이르기까지 다양한 오실로스코프를 보여줍니다. NI PXIe-5170R 및 NI PXIe-5171R은 NI 오실로스코프 계측기의 고성능과 NI FlexRIO 어댑터 모듈의 사용자 프로그래밍 가능한 FPGA를 단일 8채널 PXI 모듈에 결합합니다. 

그림 2. NI PXIe-5171R은 단일 PXI 슬롯에서 8개의 고성능 채널을 제공합니다.

 

대역폭 및 분해능 요구 사항에 따라 어플리케이션에 최적의 채널 밀도를 제공하는 NI 오실로스코프 또는 디지타이저를 찾을 수 있습니다.

                                  

모듈	해상도	샘플 속도	대역폭	모듈당 채널 수	섀시당 채널 수
NI 5752	12	50 MS/s	14 MHz	32	544
NI PXIe-5171R	14	250 MS/s	250 MHz	8	136
NI PXIe-5170R	14	250 MS/s	100MHz	4/8	68/136
NI PXI-5105	12	60 MS/s	60 MHz	8	136
NI PXIe- 5160	10	2.5 GS/s	500 MHz	4	68
NI PXIe-5162	10	5 GS/s	1.5 GHz	4	68
NI 5772	12	1.6 GS/s	2 GHz	2	34
NI PXIe-5186	8	12.5 GS/s	5 GHz	2	10

테이블 1. NI 오실로스코프와 디지타이저는 어플리케이션에 최적의 채널 밀도를 제공합니다.

 

 

2: 여러 채널 동기화

채널 수가 많은 시스템의 두 번째 주요 과제는 각 채널의 데이터가 동기화되도록 하는 것입니다. 각 계측기에 자체 타이밍 및 동기화 엔진이 있는 경우 여러 오실로스코프 간에 채널을 동기화하기가 어렵습니다. 박스형 오실로스코프가 다중 계측기 동기화를 지원하더라도 케이블 길이나 유형의 차이에서 오는 클럭 스큐 지연을 교정해야 합니다. 또한, 박스 계측기 간에 트리거 라인과 샘플 클럭을 라우팅하는 것은 채널 수가 증가함에 따라 점점 더 복잡해집니다.

 

타이밍 및 동기화

PXI는 동기화 클록 및 트리거를 내부적으로 라우팅하는 통합 타이밍 및 동기화 아키텍처를 사용하여 기존의 많은 동기화 문제를 극복합니다. PXI 섀시는 전용 10MHz 시스템 참조 클럭, PXI 트리거 버스, 스타 트리거 버스, 슬롯 대 슬롯 로컬 버스를 통합하고 PXI Express 섀시는 100MHz 차동 시스템 클럭, 차동 신호 및 차동 스타 트리거를 추가하여 고급 타이밍 및 동기화 요구 사항을 해결합니다.

 

그림 3. PXI 타이밍 및 동기화 아키텍처를 사용하면 최소한의 클럭 스큐와 드리프트로 트리거 라인과 참조 클럭을 연결할 수 있습니다.

 

NI 오실로스코프 타이밍 및 동기화

PXI 플랫폼의 동기화 이점 외에도, NI는 이 프로세스를 더 단순화하는 다른 기능도 추가하여 PXI 오실로스코프를 설계했습니다. 단일 보드 채널 확장에서 다양한 샘플 속도로 수집하는 계측기의 다중 섀시 동기화에 이르기까지 NI PXI 오실로스코프는 동기화된 고속 DAQ를 위한 이상적인 하드웨어 및 소프트웨어 도구를 제공합니다.

NI는 프로그래밍 방식의 샘플 클럭 라우팅 및 트리거 공유와 같이 채널 수가 많은 어플리케이션 구축과 관련된 소프트웨어 작업을 단순화했습니다. NI LabVIEW와 같은 강력한 소프트웨어 도구를 사용하면 채널 확장을 통해 몇 개의 채널 또는 NI-TClk API를 통해 수백 개의 채널을 쉽게 동기화할 수 있습니다. 채널 확장은 단일 디지타이저 내에서 채널을 동기화하는 간단한 방법으로 그림 4와 같이 단일 리소스 문자열 내에서 수집 채널을 지정하는 방법입니다.

 

그림 4. 채널 확장을 통한 단일 보드 동기화

 

여러 계측기에서의 동기화를 위해 NI는 NI-TClk라는 특허 받은 동기화 방법을 개발했습니다.

이 방법은 다음과 같이 설계되었습니다.

• 10MHz 참조 클럭에 위상 고정되어 있음에도 불구하고 처음에는 정렬되어 있지 않을 수 있는 샘플 클럭을 정렬
• 동기화된 장치의 정확한 트리거 활성화

 

유연한 NI-TClk 기술은 다음 사용 사례에 적용할 수 있습니다.

• 샘플 클럭 또는 참조 클럭으로 고속 모듈식 계측기 동기화
• 단일 PXI 섀시에서 여러 PXI 섀시로 동기화를 확장하여 시스템 타이밍 모듈을 사용한 다 채널 수 시스템 처리
• 동종 및 이기종 동기화—내부 또는 외부 샘플 클럭을 사용하여 동일한 샘플 속도 또는 다른 샘플 속도로 실행되는 디바이스

 

NI-TClk API는 시스템을 하나의 다중 채널 오실로스코프로 보이게 하는 세 개의 LabVIEW 함수(VI)를 통해 트리거 설정 및 클록 동기화를 구성하도록 도와줌으로써 사용자 경험을 단순화합니다. 세 개의 LabVIEW VI는 외부 파라미터가 필요하지 않으며 단순히 계측기 세션 배열을 NI-TClk API에 전달하여 작동합니다. NI-TClk 아키텍처는 각 디바이스 간 최대 1ns의 스큐로 동기화된 디바이스를 제공할 수 있습니다. 일반적으로 측정되는 스큐는 200ps와 500ps 사이입니다. 각 장치에서 샘플 클럭을 수동으로 교정하면 디바이스 간 스큐를 30ps 미만으로 낮출 수 있습니다.

 

그림 5. 여러 계측기에서의 채널 동기화를 위한 NI-TClk API

 

고급 주제: 여러 PXI 섀시에서 PXI 오실로스코프 동기화하기

PXI 섀시가 기본적으로 제공하는 것보다 더 많은 채널이나 더 높은 클럭 정확도가 필요한 경우 플랫폼은 박스 오실로스코프에서 일반적인 100ppm 정확도와 비교하여 50ppb 정확도가 가능한 참조 클럭이 있는 다중 섀시 동기화 및 정밀 타이밍 및 동기화 모듈을 허용합니다. 동기화된 섀시 사이에 필요한 거리가 케이블이 클럭 및 트리거 신호를 안정적으로 전송하기에 너무 먼 경우 시간 기반 동기화 아키텍처를 사용할 수 있습니다. NI PXI 타이밍 및 동기화 솔루션을 사용하면 IEEE 1588, GPS 및 IRIG-B와 같은 절대 시간 참조 프로토콜을 활용하여 장거리 동기화를 달성할 수 있습니다.

 

3. 대량의 데이터 처리

고속 DAQ의 주요 병목 현상 중 하나는 전통적으로 데이터 저장과 호스트로의 버스 처리량이었습니다. 계측기 샘플링 속도가 증가함에 따라 GPIB 인터페이스의 스트리밍 한계가 디지타이저의 성능을 크게 저하합니다. 시스템 처리량과 내장 메모리는 수십 또는 수백 개의 채널에서 데이터를 수집하고 동일한 호스트에서 처리할 때 필요하기 때문에 채널 수가 많은 어플리케이션에 특히 중요합니다.

예를 들어, 5GS/s에서 8비트 데이터를 수집하는 디지타이저는 초당 5GB의 데이터를 생성할 수 있습니다. 이 방대한 양의 데이터로 인해 시스템의 오실로스코프는 데이터를 호스트로 다시 스트리밍하기 위해 고대역폭 버스와 함께 대용량의 내장 메모리를 통합해야 합니다.

그림 6은 다양한 버스 간의 성능 비교를 보여줍니다. 고대역폭 PXI Express 버스 아키텍처를 사용하여, 초고성능 오실로스코프를 지원할 수 있을 만큼 충분히 높은 속도로 데이터를 하드 디스크로 또는 하드 디스크에서 스트리밍할 수 있습니다.

 

그림 6. 자동화 테스트에 사용되는 일반적 버스의 대역폭 및 대기 시간 비교

 

호스트로 스트리밍

PXI 어플리케이션의 스트리밍 성능은 시스템 섀시, 컨트롤러 및 계측기의 처리 속도를 기반으로 합니다. 전체 시스템 처리량을 극대화하려면 스트리밍 구조의 각 연결을 살펴보는 것이 중요합니다. 최신 PXI Express 기술을 사용한 NI 섀시 및 컨트롤러의 시스템 대역폭은 최대 12.8GB/s를 지원할 수 있으며, 이는 GPIB의 8MB/s 처리 속도에 비해 크게 개선된 것입니다. 버스, 프로세서 및 메모리 기술이 빠르게 발전함에 따라 PXI 플랫폼은 최첨단 테스트 시스템을 유지할 수 있는 유연성을 제공합니다.

 

그림 7. NI PXIe-1085 섀시 및 NI PXIe-8135 임베디드 컨트롤러의 시스템 처리 속도

 

내장 메모리

고성능 버스를 사용하더라도 많은 어플리케이션은 데이터를 임시로 저장하고 고속 오실로스코프의 최대 샘플링 속도를 유지하기 위해 여전히 대용량 내장 메모리가 필요합니다. 대용량 내장 메모리를 사용하면 디지타이저는 최대 속도로 샘플링하고 데이터를 로컬에 저장한 다음 수집이 완료되면 데이터를 호스트 컴퓨터로 전송할 수 있습니다.

내장 메모리가 큰 오실로스코프는 더 오랜 기간 동안 최대 샘플링 속도를 유지할 수 있으므로 수집 시간 창이 늘어납니다. NI PXIe-5162, 5GS/s 오실로스코프와 같은 NI PXI Express 오실로스코프에는 채널당 1GB의 사용 가능한 메모리가 있어 최대 샘플 속도로 실행할 때 수집 시간을 최적화합니다.

 

RAID를 통한 고급 스트리밍

PXI 플랫폼은 데이터 스트리밍을 위한 비용 효율적인 솔루션을 제공할 뿐만 아니라 여러 테스트 설정 간에 데이터를 쉽게 이동하거나 RAID(Redundant Array of Inexpensive Disks)로 PXI 시스템 컨트롤러의 저장 용량을 보완할 수 있는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. RAID는 여러 하드 드라이브에 걸쳐 데이터를 분할하거나 복제하는 대용량 스토리지 체계를 나타내는 일반적인 용어이며 채널 수가 많은 어플리케이션에 필요한 대역폭과 스토리지를 제공할 수 있습니다. NI는 외부 RAID 하드 드라이브 케이스와 제어용 섀시 내 PXI 모듈을 기반으로 하는 여러 데이터 스토리지 옵션을 제공합니다.

그림 8. NI HDD-8265는 사용 가능한 24TB의 스토리지로 최대 750MB/s를 스트리밍할 수 있습니다.