《電子技術應用》
您所在的位置：首頁 > 測試測量 > 設計應用 > NI——什么是X系列?
NI——什么是X系列?
摘要： X系列設備是美國國家儀器公司設計至今最高級的多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)設備,。其增強特性可滿足最苛刻的測量,、測試和控制應用。 X系列設備可采用USB,、PCI Express和PXI Express總線,，每種設備都包含模擬I/O,、數(shù)字I/O和4個32位計時器/定時器,。
Abstract：
Key words :

X系列設備是美國國家儀器公司設計至今最高級的多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)設備,。其增強特性可滿足最苛刻的測量,、測試和控制應用,。

X系列設備可采用USB、PCI Express和PXI Express總線,，每種設備都包含模擬I/O、數(shù)字I/O和4個32位計時器/定時器,。

X系列設備將基于PC的多功能I/O的性能提升至新高度,。設備包含了NI-STC3定時與同步技術、針對USB的NI信號流技術和本地 PCI Express接口以及針對多核處理器的驅動軟件。

 

產(chǎn)品概述


 

圖1. NI提供面向USB、PCI Express和PXI Express的X系列設備

NI提供了各類X系列設備,，從低成本到高速同步采樣,。表1總結了用戶可選擇的型號及其主要規(guī)格。

 

型號

模擬輸入

最大AI 采樣率

總體AI 吞吐率
(所有通道)

模擬輸出

數(shù)字 I/O

DIO 最大時鐘頻率
NI USB-6341 16 500 kS/s 500 kS/s 2 24 1 MHz
NI USB-6343 32 500 kS/s 500 kS/s 4 48 1 MHz
NI USB-6351 16 1.25 MS/s 1 MS/s 2 24 10 MHz
NI USB-6353 32 1.25 MS/s 1 MS/s 4 48 10 MHz
NI USB-6361 16 2 MS/s 1 MS/s 2 24 10 MHz
NI USB-6363 32 2 MS/s 1 MS/s 4 48 10 MHz
NI USB-6356 8 路同步 1.25 MS/s/ch 10 MS/s 2 24 10 MHz
NI USB-6366 8 路同步 2 MS/s/ch 16 MS/s 2 24 10 MHz
NI PCIe-6320 16 250 kS/s 250 kS/s 0 24 1 MHz
NI PCIe-6321 16 250 kS/s 250 kS/s 2 24 1 MHz
NI PCIe-6323  32 250 kS/s 250 kS/s 4 48 1 MHz
NI PCIe-6341 16 500 kS/s 500 kS/s 2 24 1 MHz
NI PCIe-6343 32 500 kS/s 500 kS/s 4 48 1 MHz
NI PCIe-6351 16 1.25 MS/s 1 MS/s 2 24 10 MHz
NI PCIe-6353 32 1.25 MS/s 1 MS/s 4 48 10 MHz
NI PCIe-6361 16 2 MS/s 1 MS/s 2 24 10 MHz
NI PCIe-6363 32 2 MS/s 1 MS/s 4 48 10 MHz
NI PXIe-6341 16 500 kS/s 500 kS/s 2 24 1 MHz
NI PXIe-6361 16 2 MS/s 1 MS/s 2 24 10 MHz
NI PXIe-6363 32 2 MS/s 1 MS/s 4 48 10 MHz
NI PXIe-6356 8 路同步 1.25 MS/s/ch  10 MS/s 2 24 10 MHz
NI PXIe-6358 16 路同步 1.25 MS/s/ch  20 MS/s 4 48 10 MHz
NI PXIe-6366 8 路同步 2 MS/s/ch  16 MS/s 2 24 10 MHz
NI PXIe-6368 16 路同步 2 MS/s/ch  32 MS/s 4 48 10 MHz

 

表1. 您擁有眾多通道數(shù),、采樣率和總線選項

 

 

為您的應用選擇合適的總線

對于應用選型來說,，您需要考慮幾個因素。例如,，對于需要便攜性和即插即用功能的應用,，USB是理想的選擇。PCI Express和PXI Express提供了簡單的多設備同步和最高速的帶寬和最低的延遲,。

表2總結了在選擇USB還是PCI Express或PXI Express時需要考慮的一些重要因素,。

 

 

  USB PCI Express 和 PXI Express

NI-STC3 技術

并發(fā)模擬、數(shù)字和計數(shù)器選項

便攜性

 – 

即插即用

 –

集成信號連結性

 –

高帶寬

 –

低延時

 –

支持LabVIEW Real-Time

 –

多設備同步

 –

表2. 在USB和PCI Express或PXI Express之間選型時考慮的重要因素

 

 

X系列技術

為了拓展多功能設備的功能性和靈活性,，使其遠遠超越過去的產(chǎn)品,，X系列設備集成了三項主要技術：

1. NI-STC3定時和同步技術

2. 面向USB和PCI Express/PXI Express的高速總線接口

3. 并行軟件執(zhí)行

 

NI-STC3 定時及同步技術

所有多功能數(shù)據(jù)采集硬件都通過板載定時電路控制模擬、數(shù)字和計數(shù)器I/O線,；定時ASIC技術的演變已逾數(shù)十年,。X系列DAQ家族融入可提供4個改進式計數(shù)器的新型NI-STC3技術,、100 MHz時基，以及其它針對I/O定時和觸發(fā)的功能,。

 

4個改進式計數(shù)器

新型NI-STC3技術進一步拓展了計數(shù)器通道,，可提供4個具有32位分辨率的100 MHz計數(shù)器。不僅單一X系列設備具有4個計數(shù)器,，而且以前需要2個計數(shù)器的操作現(xiàn)在都能通過單一計數(shù)器通道實現(xiàn),。舉例來說，您正在控制步進電機時,，往往就需要生成數(shù)量有限的數(shù)字脈沖,；過去，這需要使用一個計數(shù)器連續(xù)生成脈沖并使用另一個計數(shù)器為這些傳送至電機的脈沖加門限信號,。單個NI-STC3計數(shù)器即可完成該任務,，即：單一X系列設備可控制最多4個步進電機。

 

100 MHz時基

各款數(shù)據(jù)采集設備的板載時基,，是驅動所有數(shù)字電路的心臟,。從采樣時鐘至觸發(fā)線的各類應用，均使用此時基作為板載參考,，繼而生成時鐘頻率并鎖存數(shù)字邊緣,。NI-STC3技術使用新型100 MHz時基實現(xiàn)各類模擬和數(shù)字定時，速率比之前發(fā)行的各類NI DAQ設備快5倍,。這意味著：采樣頻率的精度是先前的5倍,，而且模擬觸發(fā)器能夠在觸發(fā)條件滿足時于10 ns內(nèi)作出響應。

 

獨立定時引擎, 針對模擬和數(shù)字I/O

數(shù)據(jù)采集設備的高級定時和觸發(fā)功能,，經(jīng)常需要通過板載計數(shù)器和復雜信號路由獲得特定的硬件定時性能,。NI-STC3技術為多功能設備上的各類I/O，提供完全獨立的采樣時鐘和觸發(fā),。舉例來說,，可重觸發(fā)式采集需要等待觸發(fā)條件得到滿足，采獲數(shù)量有限的樣本,，再立即重新裝配觸發(fā)器準備新一輪采樣,。使用驅動軟件函數(shù)來重新裝配觸發(fā)器又有可能因軟件延遲而錯過新一輪觸發(fā)；因此,，獲得最佳性能可能需要硬件定時方式,。過去，計數(shù)器是執(zhí)行硬件定時重觸發(fā)的唯一途徑,；計數(shù)器生成的可重觸發(fā)脈沖序列被內(nèi)部路由并作為模擬輸入采樣時鐘,。

同時，結合新型X系列DAQ板卡提供的NI-STC3技術,，模擬通道不再需要使用計數(shù)器執(zhí)行可重觸發(fā)式采集,，觸發(fā)器也能獨立對自身進行重新裝配而無需軟件干預,。新型獨立定時功能的另一典型范例是新型專用時鐘，它能夠采集或生成硬件定時的數(shù)字波形,。

 

高速總線接口

X系列設備針對高吞吐率應用集成了多項增強功能,，即需要從設備和PC內(nèi)存?zhèn)鬏敾蚪邮艽罅繑?shù)據(jù)的應用。USB X系列設備包含了NI信號流技術,。PCI Express和PXI Express X系列設備包含PCI Express本地接口,，實現(xiàn)最大吞吐率和低延遲。

 

專利NI信號流技術

USB X系列設備包含專利的NI信號流技術,，它采用基于消息的傳輸和設備端智能來確保USB上的高速雙向數(shù)據(jù)傳輸,。


圖2. USB X系列包含NI-STC3技術用于高級定時和觸發(fā)，以及NI信號流技術可最大化USB總線吞吐率,。

利用該技術,，NI能夠首次在多功能USB設備上實現(xiàn)兩臺設備的同步采集，兩臺設備8條模擬輸入的采樣率分別為1.25 MS/s和2 MS/s,，并包含32或64 MS的板載內(nèi)存,。所有通道上的高采樣率使該設備成為便攜式超聲波測試和瞬態(tài)記錄應用的理想選擇,。此類設備的長期運行取決于主機PC,、采樣率和通道數(shù)。

 

本地PCI Express接口

隨著PCI Express的引入以及它融入PXI Express標準,，測量系統(tǒng)中曾經(jīng)存在的數(shù)據(jù)瓶頸逐漸消失,。不同于提供132 MB/s共享帶寬的PCI，PCI Express可向各款設備提供專用串行通道,，而且各個方向上的理論帶寬達250 MB/s,。

某些數(shù)據(jù)采集設備通過橋接器的方式將PCI設計轉換為PCI Express，這樣得到的帶寬與PCI相同并加入了時延,。相反,，NI X系列自行提供配有完整PCI Express帶寬的x1（“乘1”） PCI Express和PXI Express接口。面向PCI Express的X系列可在PCI Express插槽中使用,，從x1直至x16,。

    

圖3. 面向PCI Express的X系列可在各類PCI Express插槽中使用，從x1到x16.

此外,，X系列包含8條DMA通道,，無需CPU交互或另行編程，即可在設備和PC內(nèi)存之間直接讀寫數(shù)據(jù),。這8條通道提供的并行數(shù)據(jù)讀寫,，針對模擬I/O、數(shù)字I/O和全部4個計數(shù)器/定時器,?？扇菁{127個樣本的擴展型FIFO面向全部4個32位計數(shù)器,，現(xiàn)在能夠以遠高于先前設備的速度執(zhí)行緩沖式定時器操作（如：事件計數(shù)或生成PWM輸出）。

與大多數(shù)內(nèi)部總線相同,，PCI Express極低的延遲非常適合封閉循環(huán)控制應用程序,。X系列設備還拓展了設備中所有子系統(tǒng)的硬件定時型單點執(zhí)行性能。

 

多核PC上的并行處理

若要充分利用DAQ設備上的并行硬件子系統(tǒng),，您需要借助高性能驅動程序和應用軟件,。

NI-DAQmx作為面向X系列的驅動軟件，為各類信號測量和生成提供簡單,、一致的API,。NI-DAQmx屬于多線程，這意味著：用戶開發(fā)的應用程序能夠將測量與生成任務的處理分割為單獨的線程,。通過NI LabVIEW,、NI LabWindows™/CV、C/C++,、Visual Basic 6和.NET等多個編程環(huán)境,，均可調(diào)入NI-DAQmx。

結合NI LabVIEW,，用戶能夠最便捷地連接NI-DAQmx并優(yōu)化數(shù)據(jù)采集應用,，實現(xiàn)在多核計算機上的使用。用戶可為各個測量任務創(chuàng)建While循環(huán),；NI LabVIEW自動將您的應用程序劃分為多個線程,。操作系統(tǒng)繼而能夠在一個或多個CPU內(nèi)核里，管理這些線程的最優(yōu)化執(zhí)行,。例如,，一個While循環(huán)用于比例積分微分(PID)控制并在一個內(nèi)核上運行，一個While循環(huán)在另一個內(nèi)核上處理快速傅里葉變換(FFT),。

 


圖4. 用戶能夠使用LabVIEW中的并行While循環(huán),，在不同CPU內(nèi)核上處理DAQ設備I/O

PCI Express和PXI Express X系列設備需要NI-DAQmx 9.0或更高版本，USB X系列設備需要NI-DAQmx 9.2或更高版本,。NI-DAQmx 9.0 添加了2項強大特性：

    1. 快速,、輕松的數(shù)據(jù)記錄。用戶往往需要將采集的數(shù)據(jù)記錄至磁盤,，進行后期處理或趨勢追蹤,。用戶現(xiàn)在可借助NI-DAQmx將單個“DAQmx配置記錄” VI添加至NI-DAQmx任務，繼而將數(shù)據(jù)記入技術數(shù)據(jù)管理流(TDMS)測量文件,。這種編寫TDMS文件的方法也極為快捷：之前的測試表明磁盤上的寫入速率可能超過1 GB/s,。
    2. 面向X系列的多設備任務。 對于結合X系列的高通道數(shù)應用，您能夠輕松實現(xiàn)多個設備間的同步,。對于PCI Express X系列,，您需要將它們和實時系統(tǒng)集成(RTSI)電纜相互連接。對于PXI Express X系列,，模塊能夠通過PXI Express背板上的定時和觸發(fā)總線彼此同步,。NI-DAQmx 9.0將多設備任務引入X系列，這意味著用戶可創(chuàng)建1組包含2個設備的測量代碼,，NI-DAQmx自動管理著采樣時鐘的共享,。


 圖5. NI-DAQmx驅動軟件借助多設備任務，輕松同步2個或者更多的X系列設備

 

 

結論

改進定時和觸發(fā),、總線傳輸和數(shù)據(jù)處理之后的NI X系列設備,，代表美國國家儀器公司設計且處于技術最前沿的DAQ設備。利用PCI Express和多核處理器等最先進的PC技術,，它現(xiàn)在能夠創(chuàng)建經(jīng)濟的測量和控制系統(tǒng),，提供信號至軟件級的并行技術。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權禁止轉載,。