NI?M系列DAQ中使用的新技術

概述

NI公司的M系列數據采集設備 (DAQ)，以全新的革命性架構，為數據采集硬件功能設定了新標準。這些設備除集成了市面上最先進的技術之外，還吸納了一些全新設計優勢，顯著改善其性能，準確性與I/O通道密度：

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

NI-STC 2是專門為M系列DAQ設備設計的專用集成電路(ASIC)。它增加了每個設備的I/O通道數目，并將數據總吞吐率提高了1200%。NI-MCal技術是一種線性化校準工具，可在所有輸入范圍內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，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、速度和精度而優化的版本。

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圖 1新型M系列技術提供了更高性能、更多I/O數與更大價值

NI-STC 2 – 自定義的系統定時控制器ASIC

NI-STC 2是一款可自定義的ASIC，它可以控制系統的定時、同步以及所有輸入輸出數據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 時鐘定時的數字I/O (高達10MHz) 與編碼器兼容的32位計數器/定時器 RTSI總線信號路由，用于多個設備的同步 內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

許多即插式數據采集設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據傳送到PC機內存的速度。老式數據采集設備使用中斷請求線路 (IRQ)將數據從設備傳送至PC機，并且需要設定跳線以避免內存沖突。IRQ使用計算機處理器來控制數據傳輸，這樣會封鎖其它PC機正在處理的操作，從而使效率下降。現代數據采集設備擁有板上直接存儲器存取(DMA)通道，可以不需要通過CPU，直接將數據從數據采集設備傳送至PC內存。DMA可以高速傳輸數據，并使CPU同時執行其它工作。

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

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圖 2 NI-STC 2擁有6條DMA通道，可大幅度地提高數據吞吐率

NI-STC 2 – 數字I/O與計數器/定時器

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

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

所有M系列DAQ設備都包含了兩個32位計數器/定時器，用于脈沖生成和頻率測量。與常規的24位計數/定時寄存器相比，M系列設備擁有256倍的測量容量。另外，與老式數據采集設備上常見的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。基于這個計數器，你可以利用正交編碼器或者雙脈沖編碼器來進行位置測量，或者利用X1、X2和X4角度編碼器來進行角度測量。

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、數字I/O和計數器/定時器的時鐘來源來內部使用。每個M系列設備 也能夠從這個80MHz時鐘中生成自身的10MHz的參考時鐘，用來同步多個設備。這個10MHz的參考時鐘可以通過RTSI總線連接至同一系統中的其它設備上。

傳統上，使用RTSI總線來同步設備將使每個設備的最大時鐘頻率速率限制在10 MHz上。采用NI-STC 2技術的M系列設備中都有一個鎖相環(PLL)，它可以讓系統中的每個設備將自身的80MHz基頻同步到10MHz主頻上。有了這項技術，所有設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系列設備生成一個板上80MHz頻率與一個PLL，以同步多個設備

NI-MCal技術 – 校準和線性化方法

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。要補償這些固有誤差，就需要設備的自校準。老式的數據采集設備使用板上的精確參考電壓，在某個測量范圍內進行兩點式修正。這種方法無法避免ADC元件本身的非線性誤差，因此降低了設備的測量精度。另外，這種方法只能在某一輸入范圍內進行校準，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絡的容差。

M系列設備則采用了NI-MCal技術。這是一種線性化與校準引擎(專利申請中)，可以在所有輸入范圍內校準數千個電壓準位。NI-MCal將脈沖寬度調制(PWM)和高精度的參考電壓結合在一起使用。PWM的占空比用來改變電平，以便能在多點進行自校準。在板載EEPROM中生成并存儲校準參數，以模擬ADC元件的非線性特性，并更正后續的測量任務。

與傳統的兩點式校準相比，NI-MCal技術的實現將測量的精度提高了5倍之多。另外，大部份M系列設備都改善了參考精度，將建議的校準時間間隔由一年提高到兩年，從而降低了設備的維護成本。

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表1：M系列與E系列的校準比較

NI-PGIA 2技術 – 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換精度。所謂建立時間，是指放大某信號使之達到某一特定測量精度標準所需的時間。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確。更短的建立時間可以在保證精度的條件下，允許進行更高速的采樣。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在設計M系列設備時引入了定制NI-PGIA 2技術。M系列的每臺設備中NI-PGIA 2技術都針對成本、速度和精度進行了優化。例如，高精度的M系列設備中的NI-PGIA 2技術，針對18位的短建立時間、低噪音、高線性進行了優化。NI-PGIA 2技術通過最小化建立時間，可以在最大采樣頻率下保證設備的指定分辨率，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內達到虛零誤差。

圖 4 NI-PGIA的建立時間比傳統產品更短

更多的 I/O 和其他特征

M系列設備為即插式數據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位的數據采集設備已經成為現今的測量標準，但M系列的設備卻有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位設備的1/4，更是12位設備的1/64。這些18位的設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系列設備的數字線路具有過壓、低壓及過電流保護裝置，可以在過高的信號被意外加到數字線路上時，避免對設備及 PC 造成損壞。另外，工業繼電器和交換器中常常有數字跳躍(digital bounce)現象，而計數器/定時器線路中的輸入濾波器可以避免這種現象。數字保護和計數器/定時器的線路濾波器，對于工業及控制應用都特別有用。

所有M系列設備都具有NI-DAQmx的測量服務及驅動程序軟件。NI-DAQmx為數據采集的生產率和性能帶來空前的改進。集成的DAQ助手提供了一個一步一步的向導工具，幫助對測量任務進行配置、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 上同時執行多個操作。

M系列的DAQ設備可以與IEEE 1451.4的智能傳感器無縫合作。你可以采用M系列的DAQ設備、NI的信號調理和NI-DAQmx測量服務軟件來讀取智能傳感器的數據。這樣便無需手動輸入傳感器數據，取而代之，可以自動讀取傳感器的電子數據表，并用它對傳感器測量進行定標。

表2中總結了NI的M 系列和老式E 系列的DAQ 設備之間的差異。

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¹限某些M系列設備

表2 ?M系列和 E系列 DAQ設備之間的功能差異

總結

隨著M系列設備的推出，NI公司一直在擴展其功能，同時降低數據采集的成本。其中，OEM客戶會非常感謝M系列設備的擴展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技術提供了以前即插式DAQ設備所不具備的功能，而且M系列可以與NI LabVIEW圖形開發環境和NI-DAQmx測量服務軟件無縫結合，以提供更佳的性能、更高的價值和更多的I/O。

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