NI M系列DAQ中使用的新技術(shù)

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(jì)優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(jì)的專用集成電路(ASIC)。它增加了每個(gè)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(gè)分別針對(duì)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(jià)值
 
NI-STC 2 – 自定義的系統(tǒng)定時(shí)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(shí)、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(gè)功能都有專屬的scatter-gather DMA控制器
• 時(shí)鐘定時(shí)的數(shù)字I/O (高達(dá)10MHz)
• 與編碼器兼容的32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器
• RTSI總線信號(hào)路由，用于多個(gè)設(shè)備的同步
• 內(nèi)部和外部定時(shí)信號(hào)路由
• 用于時(shí)鐘同步的PLL
NI-STC 2 – 6個(gè)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(qǐng)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(jì)算機(jī)處理器來控制數(shù)據(jù)傳輸，這樣會(huì)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(chǔ)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(shí)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(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到NI-STC 2的設(shè)備系統(tǒng)和定時(shí)控制器中，只需一個(gè)設(shè)備就可以同時(shí)執(zhí)行模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和兩個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器操作；同時(shí)，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?yàn)槠渌鼣?shù)據(jù)采集設(shè)備大部分都只有一條DMA通道，所以要同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)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(shí)進(jìn)行，這些IRQ將開始占用PC處理器時(shí)間，使系統(tǒng)變慢，最終將導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出錯(cuò)誤。而M系列DAQ設(shè)備則采用NI STC 2技術(shù)，最多可同時(shí)執(zhí)行六項(xiàng)高速操作，同時(shí)將數(shù)據(jù)丟失或緩沖區(qū)溢出的錯(cuò)誤造成的錯(cuò)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(jì)數(shù)器/定時(shí)器
    除了16個(gè)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(gè)的硬件定時(shí)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(gè)信號(hào)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(gè)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(cè)量32位寬的數(shù)字 模式。這種模式I/O功能對(duì)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(jí)定時(shí)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(shí)的操作(如模擬輸入、模擬輸出和計(jì)數(shù)器等)相關(guān)聯(lián)，使設(shè)備上的多個(gè)操作同步。為了使信號(hào)相關(guān)，NI-STC 2內(nèi)部會(huì)安排一根外部或內(nèi)部信號(hào)線，為那些相關(guān)的信號(hào)提供單一時(shí)鐘源。
所有M系列DAQ設(shè)備都包含了兩個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，用于脈沖生成和頻率測(cè)量。與常規(guī)的24位計(jì)數(shù)/定時(shí)寄存器相比，M系列設(shè)備擁有256倍的 測(cè)量容量。另外，與老式數(shù)據(jù)采集設(shè)備上常見的20 MHz時(shí)間基頻相比，板上80MHz的時(shí)間基頻將脈沖測(cè)量精度提高了400%，而且允許測(cè)量更高速的波形?；谶@個(gè)計(jì)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(cè)量，或者利用X1、X2和X4角度編碼器來進(jìn)行角度測(cè)量。
 
NI-STC 2 – 定時(shí)與同步
   NI-STC 2通過分割80MHz的主頻而生成多個(gè)時(shí)間基頻。這些信號(hào)可以作為模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的時(shí)鐘來源來內(nèi)部使用。每個(gè)M系列設(shè)備 也能夠從這個(gè)80MHz時(shí)鐘中生成自身的10MHz的參考時(shí)鐘，用來同步多個(gè)設(shè)備。這個(gè)10MHz的參考時(shí)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(gè)設(shè)備的最大時(shí)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(gè)鎖相環(huán)(PLL)，它可以讓系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備將自身的80MHz基頻同步到10MHz主頻上。有了這項(xiàng)技術(shù)，所有設(shè)備不僅可 以同步到同一個(gè)主頻上，還可以利用板上所生成的更快的80MHz定時(shí)信號(hào)。
 
 

圖 3 M系列設(shè)備生成一個(gè)板上80MHz頻率與一個(gè)PLL，以同步多個(gè)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(shí)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(gè)測(cè)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(cè)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(duì)多個(gè)不同輸入范圍的通道而言，測(cè)量精度就會(huì)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(qǐng)中)，可以在所有輸入范圍內(nèi)校準(zhǔn)數(shù)千個(gè)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(chǔ)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(cè)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(shí)現(xiàn)將測(cè)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(shí)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。
 
  M系列 老式E系列
校準(zhǔn)類型 多項(xiàng)式校準(zhǔn)，所有輸入范圍 線性校準(zhǔn)，一個(gè)輸入范圍
典型自校準(zhǔn)時(shí)間 7秒 30秒
校準(zhǔn)間隔需求 兩年 一年
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(gè)通道時(shí)，其建立時(shí)間會(huì)大幅影響轉(zhuǎn)換精度。所謂建立時(shí)間，是指放大某信號(hào)使之達(dá)到某一特定測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間。如果放大器沒 有足夠短的建立時(shí)間，則被測(cè)量信號(hào)的量化將不準(zhǔn)確。更短的建立時(shí)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(duì)任意給定的分辨率或精度，都需 要更短的建立時(shí)間。
為了保證測(cè)量精度，NI在設(shè)計(jì)M系列設(shè)備時(shí)引入了定制NI-PGIA 2技術(shù)。M系列的每臺(tái)設(shè)備中NI-PGIA 2技術(shù)都針對(duì)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(duì)18位的短建立時(shí)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(shí)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(shí)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(cè)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(cè)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(cè)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(gè)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(hào)被意外加到數(shù)字線路上時(shí)，避免對(duì)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(jì)數(shù)器/定時(shí)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(jì)數(shù)器/定時(shí)器的線路濾波器，對(duì)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(cè)量服務(wù)及驅(qū)動(dòng)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(gè)一步一步的向?qū)Чぞ?，幫助?duì)測(cè)量任務(wù)進(jìn)行配置、測(cè)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(shí)執(zhí)行多個(gè)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(hào)調(diào)理和NI-DAQmx測(cè)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(dòng)輸入傳感器數(shù)據(jù)，取而代之，可以自動(dòng)讀取傳感器的電子數(shù)據(jù)表，并用它對(duì)傳感器測(cè)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。
 

		M系列	E系列
模擬輸入	通道	16或32個(gè)	16或64個(gè)
	采樣速率	最高1.25 MS/s (16位)	最高1.25 MS/s (12位)
	分辨率	16或18位	12或16位
	校準(zhǔn)方法	NI-MCal (適用所有范圍)	線性兩點(diǎn)式 (試用單一范圍)
	可編程低通輸入濾波器	有1	無
模擬輸出	通道	0, 2, 或4個(gè)	0或2個(gè)
	更新速率	最高2.8 MS/s, 16位	最高333 kS/s, 16位
	分辨率	16位	12或16位
	輸出范圍	每通道可編程1	±10 V, 0到10 V
	輸出偏移量	每通道可編程1	0 V
數(shù)字輸入/輸出	線路	24或48個(gè)	8或32個(gè)
	速率	10 MHz, 時(shí)鐘同步1	軟件定時(shí)
	相關(guān)數(shù)字IO	有	無
	線路保護(hù)	改進(jìn)的過壓/低壓保護(hù)以及過電流保護(hù)	—
計(jì)數(shù)器	線路	2個(gè)	2個(gè)
	分辨率	32位	24位
	計(jì)數(shù)器基頻	80 MHz	20 MHz
	正交編碼器輸入	有	無
	計(jì)數(shù)器去抖動(dòng)濾波器	每線路可編程	無
系統(tǒng)	時(shí)鐘同步	PLL, RTSI	RTSI
	DMA通道	6個(gè)	1或3個(gè)
	連接器類型	VHDCI (高密度)	SCSI II

 
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(shí)降低數(shù)據(jù)采集的成本。其中，OEM客戶會(huì)非常感謝M系列設(shè)備的擴(kuò)展I/O功能，因?yàn)樗姑縄/O通道的單位價(jià)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(cè)量服務(wù)軟件無縫結(jié)合，以提供更佳的性能、更高的價(jià)值和更多的I/O。