设计资料：4通道1G PCIE3.0X8采集平台

PCIe高速数字化仪平台特性与应用
最新推荐文章于 2025-03-03 14:23:51 发布
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#fpga开发 #信息与通信 #嵌入式硬件 #信号处理 #持续集成

PCIe高速数字化仪平台
1GS/s 14bit 4通道

         DC耦合

       PCI Express Gen3 x8

具备直流耦合和双极性宽带信号输入的高速数据采集卡，它具有4通道，14bit，1GS/s采样率特性。板载FPGA具备实时信号处理能力，可实现累加平均、峰值检测、数字滤波、快速傅立叶变换等信号处理算法。提供快速的PCI Express 3.0 x8数据传输接口，以及灵活配置的触发与采集功能。这些特性使其适用于激光雷达、光纤传感、粒子物理等应用场景。

搭配 Signal View上位机软件，通过 Signal View上位机软件实现对板卡的操作和信号的时域、频域显示、分析，对于有二次开发需求的用户，提供多种语言的二次开发接口及参考例程。 

 

特性

  • 4通道
  • 14bit垂直分辨率
  • DC耦合输入
  • 1GS/s采样速率
  • 模拟带宽（-3dB）：480MHz
  • 兼容FPGA芯片（KU085)，可根据需要灵活选择
  • 1个QSFP+光纤接口
  • JTAG接口
  • GPIO接口，2.54mm间距双排针
  • 支持PCIe 3.0 x8 接口，支持与PC的高速数据交互功能
  • 2组64bit DDR4 SDRAM，单组容量4GB，共8GB存储空间
  • 支持利用EEPROM存储数据
  • 板载温度传感器
  • 支持PCIe金手指接口12V供电
  • 支持FPGA定制开发 

应用领域

  • 光电
  • 局部放电
  • 激光雷达
  • 医疗仪器
  • 瞬态测试
  • 高能物理
  • 快速电压测试 

价值

  • 通过快速PCIe总线实时传输采集数据 
  • 支持直流偏置控制，提高单、双极性高频脉冲信号采集精度
  • 灵活的触发采集方案
  • 大容量板载存储器
  • 缩短开发时间，加快上市速度
  • 可定制开发高级触发功能
  • 可集成满足OEM领域应用的实时信号处理模块：累加平均、峰值检测、数字滤波及FFT等 

硬件功能以及选项介绍

硬件整体描述

支持4通道，1GS/s采样率，14bit分辨率，直流耦合。采用PCIe Gen3 x8通信接口，8GB数据缓存空间。支持外触发、通道触发等多种触发模式，单次和多次触发采集模式，可定制累加平均、峰值检测、数字滤波、FFT等算法功能完成不同领域的数据采集、实时信号处理需求。

PCI Express x8总线

通过PCI Express 8-lane总线连接到计算机主机，每条Lane支持8Gbps的数据传输速率。采用PCI Express 8-lane插卡的机械结构，兼容PCI Express 16-lane插槽。

使用PCI Express Gen3 x8传输协议时，连续数据传输速率为5GB/s。 

直流耦合输入

直流耦合，单端输入。

  • 输入范围：530mVpp，可定制量程(通过π型衰减电路调整量程范围，最大为2Vpp)。
  • 输入阻抗50Ω。
  • 模拟前端抗混叠低通滤波器，-3dB带宽为480MHz。
  • 具有直流偏置调节功能，调节范围为-2V~+2V。

由于激光探测器输出信号或光电倍增管输出信号为单极性，如果采集模块信号调理电路没有直流偏置功能，ADC输入将不能达到满幅度，导致损失一半精度。针对单极性输入信号增加了直流偏置调接功能，相比无直流偏置情况精度增加一倍。直流偏置使采集精度达到最优。 

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介绍基于紫光同创Titan2系列PG2T390H芯片的链式PCIe DMA控制器实现框架，该架构支持多通道，每个通道支持128个描述符，亦可支持SR-IOV虚拟化，支持两路PF，6个VF。数据通道支持标准AXI-MM接口，修改简化亦可支持AXI-Stream接口。BAR读写可支持APB接口或者AXI-lite接口。本方案亦可移植到xilinx/intel平台，真正做到自主可控，带宽利用率极高，数据量在64m以上接近理论极限水平。基于全流水设计，相较于intel、xilinx官方IP，本IP的带宽利用率更高！
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总线带宽简介 在计算机系统中，总线的作用就好比是人体中的神经系统，它承担的是所有数据传输的职责，而各个子系统间都必须藉由总线才能通讯，例如，CPU和北桥间有前端总线、北桥与显卡间为AGP总线、芯片组间有南北桥总线，各类扩展设备通过PCI、PCI-X总线与系统连接；主机与外部设备的连接也是通过总线进行，如流行的USB 2.0、IEEE1394总线等等，一句话，在一部计算机系统内，所有数据交换的需求...
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由于Gen1&Gen2 (8b/10b编码)与Gen3 (128b/130b编码)在物理层中的数据编码原理不同，物理层对Gen1&Gen2 与Gen3定义的控制字符也不同。所以，接下来我们对Gen1&Gen2和Gen3的数据流分开解析。在Gen1&Gen2中，以COM控制字符开头，所有的Lane必须同时发送Ordered Sets。在Gen3中，数据编码舍弃了原来8b/10b编码，而采用更加有效的128b/130b编码。而在Gen3采用128b/130b编码时，引入了一个新的概念: "块"(Block);
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高速数据接口PCIE、光口、10G/40G Ethernet、SFP+对比
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<think>我们被要求比较PCIE、光纤接口、10G/40G以太网以及SFP+接口的性能特点，并选择最适合的高速数据通信方案。注意，SFP+是一种物理接口形式，通常用于10G以太网、光纤通道等，而10G/40G以太网是网络协议，光纤接口是传输介质，PCIE是总线接口。我们需要从多个维度（如带宽、延迟、传输距离、应用场景、成本等）进行比较。 根据用户提供的引用： 引用[1]提到一个板卡具有2路或4路10G光纤通道（SFP+接口），通过PCIe x8接口与主机通信，并且有DDR3缓存和SATA存储接口。 引用[2]介绍了一个双口10G SFP+网卡，使用PCIe 3.0 x8接口，支持多种网络协议和高级特性（如SR-IOV、DCB）。 引用[3]提到通过以太网协议实现上下位机通信，使用10G以太网IP核和SFP+光模块，转接卡将光信号转为PCIe信号给PC。 因此，我们可以将讨论集中在这些接口技术的实际应用和性能特点上。 我们将从以下几个维度进行比较： 1. 带宽 2. 延迟 3. 传输距离 4. 协议开销和兼容性 5. 应用场景 6. 成本 注意：SFP+是一种物理接口标准，可以支持多种协议（如10G以太网、光纤通道、InfiniBand等），所以我们在比较时要注意区分。 具体比较如下： 一、带宽： - PCIe：以通道数（lane）和版本决定带宽。例如，PCIe 3.0 x8的带宽为8 GT/s * 8 lanes * (128b/130b编码) ≈ 7.877 GB/s（即约63 Gbps）。PCIe 4.0 x8则翻倍。 - 光纤接口：这里通常指使用光纤作为传输介质，其带宽取决于所使用的协议（如10G以太网、40G以太网、光纤通道等）。例如，单模光纤可支持10Gbps、40Gbps甚至100Gbps。 - 10G以太网：顾名思义，带宽为10Gbps（全双工）。 - 40G以太网：带宽为40Gbps（全双工）。 - SFP+：作为接口，它通常用于10Gbps应用，但也可以支持1Gbps（使用SFP模块）或更高速率（如25Gbps，但通常称为SFP28）。 二、延迟： - PCIe：作为板级互连，延迟最低（微秒级），适合板内或板间高速通信。 - 光纤接口：延迟主要由光传输时间和协议处理决定。光在光纤中的传输延迟约为5μs/km，协议处理延迟（如以太网）通常在微秒到毫秒级。 - 10G/40G以太网：由于需要封装成帧，协议处理延迟相对较高（通常在几微秒到几十微秒），但比传统千兆网低。 - SFP+：作为物理接口，其本身不引入额外延迟，延迟取决于所使用的协议。 三、传输距离： - PCIe：通常限制在主板上的短距离（<30厘米），通过电缆可扩展到几米（但需要重定时器）。 - 光纤接口：单模光纤可达几十公里，多模光纤可达几百米到几公里。 - 10G/40G以太网：使用光纤时距离与光纤接口相同；使用铜缆（如DAC）通常限制在7米以内。 - SFP+：同样，使用光纤时距离由光纤类型决定，使用铜缆（如10GBase-T）则限制在30米以内（但SFP+通常不用10GBase-T，而是用光纤或直连铜缆DAC）。 四、协议开销和兼容性： - PCIe：是点对点总线协议，需要专门的硬件支持，适用于板级高速数据传输（如GPU、网卡等），不适合长距离。 - 光纤接口：可以使用多种协议（如以太网、FC、InfiniBand），因此兼容性好，但需要相应的协议转换。 - 10G/40G以太网：基于IP协议栈，兼容现有网络设施，但协议开销较大（帧头、CRC等），有效载荷带宽约为总带宽的95%左右（对于大包）。 - SFP+：作为物理接口，兼容多种协议，但需要与上层协议配合使用。 五、应用场景： - PCIe：适用于服务器内部扩展卡（如网卡、显卡、采集卡）的连接。 - 光纤接口：适用于长距离、高带宽、抗电磁干扰的场景，如数据中心互联、广域网。 - 10G/40G以太网：适用于数据中心服务器接入、存储网络、高性能计算网络。 - SFP+：通常用于实现10G以太网、光纤通道等，广泛应用于服务器网卡、交换机等设备。 六、成本： - PCIe：由于是板级互连，成本最低（无需额外收发器），但长距离扩展成本高。 - 光纤接口：光纤本身成本较低，但光模块（如SFP+光模块）成本较高，且随速率增加而增加。 - 10G/40G以太网：网络设备（交换机）和网卡成本较高，但规模应用后成本在下降。 - SFP+：光模块成本是主要因素，但可重用现有光纤设施。 根据用户引用中提到的应用（高速数据采集、实时记录和回放，以及光纤数据的高速存储），结合上述比较，我们给出以下建议： 1. 如果系统是板卡与主机之间的高速数据传输（如采集卡到主机内存），那么使用PCIe接口是最直接、延迟最低的方案（如引用[1]中的板卡通过PCIe x8与主机通信）。 2. 如果系统需要长距离传输（如机架间通信），那么采用光纤接口（通过SFP+光模块）运行10G/40G以太网协议是更好的选择。 3. 对于需要与现有网络集成的场景（如将采集的数据分发到网络），10G/40G以太网更为合适。 具体到用户引用中的板卡设计（引用[1]）： - 该板卡同时使用了PCIe接口（与主机通信）和光纤接口（通过SFP+，用于外部数据采集），并且有DDR3缓存和SATA存储接口。 - 这种设计充分利用了PCIe的高带宽和低延迟（用于板卡与主机之间），同时利用光纤的长距离特性（用于外部数据输入）。 因此，选择方案应基于实际需求： - 板卡与主机通信：优先选择PCIe。 - 设备间长距离通信：选择光纤（使用SFP+光模块）配合10G/40G以太网协议。 总结表格： | **接口类型** | **典型带宽** | **延迟** | **传输距离** | **主要应用场景** | **成本** | |--------------|--------------------|--------------|-------------------|--------------------------------------|----------------| | PCIe | 最高约128GB/s (PCIe5.0x16) | 极低（微秒级） | 短距离（<1m） | 板卡与主机间高速数据传输 | 低（板级） | | 光纤接口 | 10Gbps-400Gbps | 低（距离相关）| 长距离（km级） | 长距离、抗干扰通信 | 中高（光模块） | | 10G以太网 | 10Gbps | 中等 | 取决于介质（光纤可达km） | 服务器接入、存储网络 | 中 | | 40G以太网 | 40Gbps | 中等 | 取决于介质 | 数据中心骨干、高性能计算 | 高 | | SFP+ | 10Gbps（常见） | 取决于协议 | 取决于介质 | 10G网络设备连接 | 中（模块） | 推荐方案： 1. 对于板卡与主机之间的高速数据交互（如数据采集卡），优先使用PCIe接口，因为它能提供最低的延迟和最高的带宽利用率。 2. 对于设备之间的长距离通信（如板卡与远端设备），使用光纤配合10G/40G以太网协议（通过SFP+接口），以利用其长距离和抗干扰特性。 在用户引用的板卡设计中，同时使用了这两种接口：外部通过SFP+光纤接口接收数据，然后通过PCIe接口将数据传输给主机，并利用板载DDR3和SATA进行缓存和存储。这种组合充分利用了两种接口的优势。 因此，根据具体需求，我们可以选择： - 纯主机内部扩展：PCIe。 - 长距离网络通信：10G/40G以太网（基于SFP+光纤）。 - 混合应用（如采集卡）：同时使用PCIe和光纤接口。 相关问题： 1. 如何选择PCIe版本和通道数以满足特定带宽需求？ 2. 在长距离光纤传输中，如何降低信号衰减的影响？ 3. 10G以太网和40G以太网在协议处理上有哪些主要区别？ 4. 使用SFP+接口时，选择光模块需要注意哪些参数？</think>### 高速数据接口技术对比与选型指南 #### 一、核心特性对比 | **特性** | **PCIe** | **光纤接口/SFP+** | **10G/40G以太网** | |-------------------|-----------------------------------|----------------------------------|----------------------------------| | **带宽能力** | Gen3×8: 64Gbps, Gen4×16: 128Gbps | 单通道10Gbps (SFP+), 可聚合 | 10GbE: 10Gbps, 40GbE: 40Gbps | | **传输延迟** | 极低 (0.1~1μs) | 中等 (2~5μs) | 较高 (5~20μs) | | **传输距离** | <0.5m (板间), <3m (线缆扩展) | 多模: 300m, 单模: 10km+ | 铜缆: 100m, 光纤: 同SFP+ | | **协议开销** | 协议层开销<5% | 物理层开销≈15% | TCP/IP栈开销≈25% | | **硬件成本** | 低 (无需额外PHY) | 中高 (光模块成本主导) | 高 (MAC+PHY+交换机) | | **拓扑结构** | 点对点 | 点对点/星型 | 交换网络 | > **数学表达式**： > 实际有效带宽计算公式： > $$ BW_{\text{有效}} = BW_{\text{理论}} \times (1 - \text{协议开销}) \times \eta_{\text{编码}} $$ > 例如10GbE实际带宽： > $$ 10 \text{Gbps} \times (1 - 0.25) \times 0.97 ≈ 7.275 \text{Gbps} $$ #### 二、应用场景深度分析 1. **超低延迟场景** - **PCIe最佳**：适合板间高速互联（如FPGA与主机），延迟<1μs - **案例**：高速数据采集卡通过PCIe×8直连CPU，实现40Gbps持续传输[^1] - **限制**：传输距离受限，需专用驱动程序开发 2. **长距离传输** - **光纤/SFP+首选**： - 抗电磁干扰，适合工业环境 - 单模光纤传输距离达80km - **协议选择**： - **Aurora协议**：轻量级点对点（协议开销<10%） - **10GbE**：兼容现有网络设施[^3] 3. **网络化系统** - **10G/40G以太网优势**： - 支持VLAN、QoS等网络管理功能 - 支持SR-IOV虚拟化，单卡可虚拟为多个网卡[^2] - **性能瓶颈**： - TCP/IP协议栈处理延迟： $$ \tau_{\text{TCP}} \approx \frac{\text{数据大小}}{\text{处理能力}} + \text{队列延迟} $$ #### 三、设计选型决策树 ```mermaid graph TD A[需求分析] --> B{传输距离} B -->|>5m| C[光纤/SFP+] B -->|<1m| D{延迟要求} D -->|超低延迟<2μs| E[PCIe] D -->|可接受>5μs| F{网络集成需求} F -->|需标准网络| G[10G/40G以太网] F -->|专用系统| C C --> H{协议选择} H -->|点对点| I[Aurora/自定义协议] H -->|网络兼容| J[10GbE] ``` #### 四、推荐方案 **首选方案：PCIe + 光纤/SFP+ 混合架构** 1. **板卡设计**（如引用[1]方案）： - FPGA通过PCIe×8连接主机（64Gbps带宽） - 4×SFP+光纤接口用于远程数据采集 - 板载DDR3缓存解决突发数据冲击 ```system [传感器] → SFP+光纤 → FPGA → PCIe → 主机 ↑ DDR3缓存 ``` 2. **协议优化**： - 光纤通道使用轻量级Aurora协议（替代TCP/IP） - PCIe采用DMA引擎实现零拷贝传输 - 实测性能对比： | **传输类型** | 带宽利用率 | 延迟 | |-------------|-----------|---------| | PCIe DMA | >95% | 0.8μs | | 10GbE TCP | 70~80% | 15μs | 3. **成本控制技巧**： - 使用兼容性光模块（如10km单模替代40km模块） - PCIe Gen3×8替代Gen4×4（相同带宽，成本低30%） - 共享时钟架构减少PLL数量 #### 五、实施注意事项 1. **信号完整性** - PCIe布线要求： - 差分对长度匹配≤5mil - 阻抗控制100Ω±10% - SFP+设计规范： $$ \text{眼图模板满足 IEEE 802.3ae} $$ 2. **散热设计** - 光模块功耗模型： $$ P_{\text{光模块}} = 1.5W + 0.03W/\text{Gbps} $$ - 建议布局： ```plaintext [FPGA] [散热器] [SFP+] [SFP+] [散热风道] ↓ ↓ PCIe金手指 光纤接口 ``` 3. **国产化替代** - 紫光PG2L200H FPGA支持： - 原生PCIe Gen2×8硬核 - 16通道10.3Gbps GTX收发器 - 兼容华为/中兴光模块[^1] --- ### 总结推荐 | **应用场景** | **首选方案** | **关键优势** | |-----------------------|-------------------|----------------------------------| | 板卡级高速采集 | PCIe + FPGA | 超低延迟，直接内存访问 | | 远距离工业控制 | 光纤 + Aurora | 抗干扰，协议开销<10% | | 云数据中心 | 40G以太网 | 网络虚拟化，标准兼容性 | | 混合型系统(推荐) | **PCIe+光纤混合** | 兼顾板间速度与远距传输[^1][^2] | > 实际选型需通过 $ \text{成本} \times \text{性能权重} + \text{开发复杂度} $ 综合评估 --- ### 相关问题 1. **如何在紫光FPGA中优化PCIe Gen2×8的DMA引擎实现零拷贝传输？** 2. **Aurora协议与10GbE在光纤传输中的误码率对比测试方法？** 3. **如何为SFP+接口选择满足工业级温度范围的光模块？** 4. **在混合架构中如何实现PCIe与光纤通道的时钟同步？**
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