《電子技術(shù)應(yīng)用》
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NI M系列DAQ中使用的新技術(shù)
NI公司
摘要: 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
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Key words :

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(zhuān)門(mén)為M系列DAQ設(shè)備設(shè)計(jì)的專(zhuān)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(wú)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(zhuān)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(lái)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(guò)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(kāi)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(zhuān)用的FIFO緩沖區(qū),,每個(gè)緩沖區(qū)都有專(zhuān)用的DMA通道向FIFO和PC內(nèi)存中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。你可以使用線路組來(lái)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(lèi)的部件定性應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(jiàn)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,。基于這個(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(lái)進(jìn)行位置測(cè)量,,或者利用X1、X2和X4角度編碼器來(lái)進(jìn)行角度測(cè)量,。

 

 

NI-STC 2 – 定時(shí)與同步

NI-STC 2通過(guò)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(lái)源來(lái)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(lái)同步多個(gè)設(shè)備。這個(gè)10MHz的參考時(shí)鐘可以通過(guò)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(lái)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(wú)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(zhuān)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(lái)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(lèi)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(zhuān)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(méi)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(guò)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(guò)壓、低壓及過(guò)電流保護(hù)裝置,,可以在過(guò)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(lái)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(wú)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(lái)讀取智能傳感器的數(shù)據(jù)。這樣便無(wú)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?xún)牲c(diǎn)式 (試用單一范圍)

可編程低通輸入濾波器

1

無(wú)

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

無(wú)

線路保護(hù)

改進(jìn)的過(guò)壓/低壓保護(hù)以及過(guò)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

無(wú)

計(jì)數(shù)器去抖動(dòng)濾波器

每線路可編程

無(wú)

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(lèi)型

VHDCI (高密度)

SCSI II

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(shí)降低數(shù)據(jù)采集的成本,。其中,OEM客戶(hù)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(kāi)發(fā)環(huán)境和NI-DAQmx測(cè)量服務(wù)軟件無(wú)縫結(jié)合,,以提供更佳的性能、更高的價(jià)值和更多的I/O,。

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