概覽

NI公司的M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備 (DAQ)，以全新的革命性架構(gòu),，為數(shù)據(jù)采集硬件功能設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn),。這些設(shè)備除集成了市面上最先進(jìn)的技術(shù)之外，還吸納了一些全新設(shè)計優(yōu)勢,，顯著改善其性能,，準(zhǔn)確性與I/O通道密度：

• NI-STC 2 –     自定義的定時控制器ASIC
• NI-MCal技術(shù) – 具有革命性的校準(zhǔn)和線性化方法
• NI-PGIA 2技術(shù)   可自定義的增益放大器

NI-STC 2是專門為M系列DAQ設(shè)備設(shè)計的專用集成電路(ASIC)。它增加了每個設(shè)備的I/O通道數(shù)目,，并將數(shù)據(jù)總吞吐率提高了1200%,。NI-MCal技術(shù)是一種線性化校準(zhǔn)工具，可在所有輸入范圍內(nèi)獲得無與倫比的精度改善,。另外,，NI-PGIA 2的可自定義放大器技術(shù)，提供了更快的采樣速率和更高的分辨率,。NI-PGIA 2有三個分別針對成本,、速度和精度而優(yōu)化的版本。

圖 1新型M系列技術(shù)提供了更高性能,、更多I/O數(shù)與更大價值

NI-STC 2 – 自定義的系統(tǒng)定時控制器ASIC

NI-STC 2是一款可自定義的ASIC,，它可以控制系統(tǒng)的定時、同步以及所有輸入輸出數(shù)據(jù)采集操作的路由功能,。NI-STC 2 提供了：

• 6條DMA通道 – 每個功能都有專屬的scatter-gather DMA控制器
• 時鐘定時的數(shù)字I/O (高達(dá)10MHz)
• 與編碼器兼容的32位計數(shù)器/定時器
• RTSI總線信號路由,，用于多個設(shè)備的同步
• 內(nèi)部和外部定時信號路由
• 用于時鐘同步的PLL

NI-STC 2 – 6個DMA通道

許多即插式數(shù)據(jù)采集設(shè)備并不受限于它們的采樣或更新速率，而是受限于它們將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)內(nèi)存的速度,。老式數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用中斷請求線路 (IRQ)將數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送至PC機(jī),，并且需要設(shè)定跳線以避免內(nèi)存沖突。IRQ使用計算機(jī)處理器來控制數(shù)據(jù)傳輸,，這樣會封鎖其它PC機(jī)正在處理的操作，從而使效率下降?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集設(shè)備擁有板上直接存儲器存取(DMA)通道,，可以不需要通過CPU，直接將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳送至PC內(nèi)存,。DMA可以高速傳輸數(shù)據(jù),，并使CPU同時執(zhí)行其它工作。

新一代數(shù)據(jù)采集設(shè)備(包括M系列設(shè)備)，都擁有六條DMA通道,。將這項技術(shù)應(yīng)用到NI-STC 2的設(shè)備系統(tǒng)和定時控制器中,，只需一個設(shè)備就可以同時執(zhí)行模擬輸入、模擬輸出,、數(shù)字輸入,、數(shù)字輸出和兩個計數(shù)器/定時器操作；同時,，PC處理器可以執(zhí)行其他一些操作,，如數(shù)據(jù)換算及分析等。因為其它數(shù)據(jù)采集設(shè)備大部分都只有一條DMA通道,，所以要同時執(zhí)行兩個或兩個以上的操作就必須使用IRQ,。隨著數(shù)據(jù)傳輸率的增加及更多操作的同時進(jìn)行，這些IRQ將開始占用PC處理器時間,，使系統(tǒng)變慢,，最終將導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出錯誤。而M系列DAQ設(shè)備則采用NI STC 2技術(shù),，最多可同時執(zhí)行六項高速操作,，同時將數(shù)據(jù)丟失或緩沖區(qū)溢出的錯誤造成的錯誤減到最小。

圖 2 NI-STC 2擁有6條DMA通道,，可大幅度地提高數(shù)據(jù)吞吐率

NI-STC 2 – 數(shù)字I/O與計數(shù)器/定時器

除了16個靜態(tài)數(shù)字I/O線路之外,，NI-STC 2還包括了最多可達(dá)32個的硬件定時的數(shù)字I/O線路，可以以最高10 MHz的速率輸入或輸出數(shù)字模式,。每個信號都可獨(dú)立地設(shè)置為數(shù)字輸入,、靜態(tài)輸出或者波型輸出。NI-STC 2的數(shù)字輸入輸出有專用的FIFO緩沖區(qū),，每個緩沖區(qū)都有專用的DMA通道向FIFO和PC內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù),。你可以使用線路組來產(chǎn)生或測量32位寬的數(shù)字模式。這種模式I/O功能對于那些讀取條形碼或讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之類的部件定性應(yīng)用來說是非常有用的,；任何要求微秒數(shù)量級定時精度的應(yīng)用中也需要這種功能,。

你還可以將數(shù)字線路與其它硬件定時的操作(如模擬輸入、模擬輸出和計數(shù)器等)相關(guān)聯(lián),，使設(shè)備上的多個操作同步,。為了使信號相關(guān)，NI-STC 2內(nèi)部會安排一根外部或內(nèi)部信號線,，為那些相關(guān)的信號提供單一時鐘源,。

所有M系列DAQ設(shè)備都包含了兩個32位計數(shù)器/定時器，用于脈沖生成和頻率測量,。與常規(guī)的24位計數(shù)/定時寄存器相比,，M系列設(shè)備擁有256倍的測量容量。另外，與老式數(shù)據(jù)采集設(shè)備上常見的20 MHz時間基頻相比,，板上80MHz的時間基頻將脈沖測量精度提高了400%,，而且允許測量更高速的波形?；谶@個計數(shù)器,，你可以利用正交編碼器或者雙脈沖編碼器來進(jìn)行位置測量，或者利用X1,、X2和X4角度編碼器來進(jìn)行角度測量,。

NI-STC 2 – 定時與同步

NI-STC 2通過分割80MHz的主頻而生成多個時間基頻。這些信號可以作為模擬輸入,、模擬輸出,、數(shù)字I/O和計數(shù)器/定時器的時鐘來源來內(nèi)部使用。每個M系列設(shè)備也能夠從這個80MHz時鐘中生成自身的10MHz的參考時鐘,，用來同步多個設(shè)備,。這個10MHz的參考時鐘可以通過RTSI總線連接至同一系統(tǒng)中的其它設(shè)備上。

傳統(tǒng)上,，使用RTSI總線來同步設(shè)備將使每個設(shè)備的最大時鐘頻率速率限制在10 MHz上,。采用NI-STC 2技術(shù)的M系列設(shè)備中都有一個鎖相環(huán)(PLL)，它可以讓系統(tǒng)中的每個設(shè)備將自身的80MHz基頻同步到10MHz主頻上,。有了這項技術(shù),，所有設(shè)備不僅可以同步到同一個主頻上，還可以利用板上所生成的更快的80MHz定時信號,。

圖 3 M系列設(shè)備生成一個板上80MHz頻率與一個PLL,，以同步多個設(shè)備

NI-MCal技術(shù) – 校準(zhǔn)和線性化方法

ADC以及可編程放大器等電子元件，都具有非線性特征以及由于時間和溫度影響而引起的漂移,。要補(bǔ)償這些固有誤差,，就需要設(shè)備的自校準(zhǔn)。老式的數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用板上的精確參考電壓,，在某個測量范圍內(nèi)進(jìn)行兩點(diǎn)式修正,。這種方法無法避免ADC元件本身的非線性誤差，因此降低了設(shè)備的測量精度,。另外,，這種方法只能在某一輸入范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，那么對多個不同輸入范圍的通道而言,，測量精度就會受限于電阻網(wǎng)絡(luò)的容差,。

M系列設(shè)備則采用了NI-MCal技術(shù)。這是一種線性化與校準(zhǔn)引擎(專利申請中),，可以在所有輸入范圍內(nèi)校準(zhǔn)數(shù)千個電壓準(zhǔn)位。NI-MCal將脈沖寬度調(diào)制(PWM)和高精度的參考電壓結(jié)合在一起使用。PWM的占空比用來改變電平,，以便能在多點(diǎn)進(jìn)行自校準(zhǔn),。在板載EEPROM中生成并存儲校準(zhǔn)參數(shù)，以模擬ADC元件的非線性特性,，并更正后續(xù)的測量任務(wù),。

與傳統(tǒng)的兩點(diǎn)式校準(zhǔn)相比，NI-MCal技術(shù)的實現(xiàn)將測量的精度提高了5倍之多,。另外,，大部份M系列設(shè)備都改善了參考精度，將建議的校準(zhǔn)時間間隔由一年提高到兩年,，從而降低了設(shè)備的維護(hù)成本,。

表1：M系列與E系列的校準(zhǔn)比較

NI-PGIA 2技術(shù) – 專用放大器

ADC在快速掃描多個通道時,，其建立時間會大幅影響轉(zhuǎn)換精度。所謂建立時間,，是指放大某信號使之達(dá)到某一特定測量精度標(biāo)準(zhǔn)所需的時間,。如果放大器沒有足夠短的建立時間，則被測量信號的量化將不準(zhǔn)確,。更短的建立時間可以在保證精度的條件下,，允許進(jìn)行更高速的采樣。因此,，對任意給定的分辨率或精度,，都需要更短的建立時間。

為了保證測量精度,，NI在設(shè)計M系列設(shè)備時引入了定制NI-PGIA 2技術(shù),。M系列的每臺設(shè)備中NI-PGIA 2技術(shù)都針對成本、速度和精度進(jìn)行了優(yōu)化,。例如,，高精度的M系列設(shè)備中的NI-PGIA 2技術(shù)，針對18位的短建立時間,、低噪音,、高線性進(jìn)行了優(yōu)化。NI-PGIA 2技術(shù)通過最小化建立時間,，可以在最大采樣頻率下保證設(shè)備的指定分辨率,，從而提高了精度。圖4表明,，高速的M系列NI-PGIA 2在20 V電階(最糟的案例)情況下,，可以在1.5 µs內(nèi)達(dá)到虛零誤差,。

圖 4 NI-PGIA的建立時間比傳統(tǒng)產(chǎn)品更短

更多的 I/O 和其他特征

M系列設(shè)備為即插式數(shù)據(jù)采集新增了一些額外功能，以提高測量精度和安全性,，并易于使用,。盡管12位和16位的數(shù)據(jù)采集設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)今的測量標(biāo)準(zhǔn)，但M系列的設(shè)備卻有18位的分辨率,。18位ADC所能檢測到的最小電壓變化,，僅僅是16位設(shè)備的1/4，更是12位設(shè)備的1/64,。這些18位的設(shè)備還包含一個可編程的低通濾波器,，可以避免高頻噪聲的量化。

M系列設(shè)備的數(shù)字線路具有過壓,、低壓及過電流保護(hù)裝置,，可以在過高的信號被意外加到數(shù)字線路上時，避免對設(shè)備及 PC 造成損壞,。另外,，工業(yè)繼電器和交換器中常常有數(shù)字跳躍(digital bounce)現(xiàn)象，而計數(shù)器/定時器線路中的輸入濾波器可以避免這種現(xiàn)象,。數(shù)字保護(hù)和計數(shù)器/定時器的線路濾波器,，對于工業(yè)及控制應(yīng)用都特別有用。

所有M系列設(shè)備都具有NI-DAQmx的測量服務(wù)及驅(qū)動程序軟件,。NI-DAQmx為數(shù)據(jù)采集的生產(chǎn)率和性能帶來空前的改進(jìn),。集成的DAQ助手提供了一個一步一步的向?qū)Чぞ撸瑤椭鷮y量任務(wù)進(jìn)行配置,、測試和編程,。另外，NI-DAQmx支持多線程,，這樣便可以在一塊處理器上同時執(zhí)行多個操作,。

M系列的DAQ設(shè)備可以與IEEE 1451.4的智能傳感器無縫合作。你可以采用M系列的DAQ設(shè)備,、NI的信號調(diào)理和NI-DAQmx測量服務(wù)軟件來讀取智能傳感器的數(shù)據(jù),。這樣便無需手動輸入傳感器數(shù)據(jù)，取而代之,，可以自動讀取傳感器的電子數(shù)據(jù)表,，并用它對傳感器測量進(jìn)行定標(biāo)。

表2中總結(jié)了NI的M 系列和老式E 系列的DAQ 設(shè)備之間的差異,。

¹限某些M系列設(shè)備

表2  M系列和 E系列 DAQ設(shè)備之間的功能差異

總結(jié)

隨著M系列設(shè)備的推出,，NI公司一直在擴(kuò)展其功能，同時降低數(shù)據(jù)采集的成本,。其中,，OEM客戶會非常感謝M系列設(shè)備的擴(kuò)展I/O功能,，因為它使每I/O通道的單位價格下降了30%多。

NI-STC 2,、NI-MCal和NI-PGIA 2技術(shù)提供了以前即插式DAQ設(shè)備所不具備的功能,，而且M系列可以與NI LabVIEW圖形開發(fā)環(huán)境和NI-DAQmx測量服務(wù)軟件無縫結(jié)合，以提供更佳的性能,、更高的價值和更多的I/O。