X系列設(shè)備是美國(guó)國(guó)家儀器公司設(shè)計(jì)至今最高級(jí)的多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備。其增強(qiáng)特性可滿足最苛刻的測(cè)量、測(cè)試和控制應(yīng)用。

X系列設(shè)備可采用USB、PCI Express和PXI Express總線，每種設(shè)備都包含模擬I/O、數(shù)字I/O和4個(gè)32位計(jì)時(shí)器/定時(shí)器。

X系列設(shè)備將基于PC的多功能I/O的性能提升至新高度。設(shè)備包含了NI-STC3定時(shí)與同步技術(shù)、針對(duì)USB的NI信號(hào)流技術(shù)和本地 PCI Express接口以及針對(duì)多核處理器的驅(qū)動(dòng)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(shè)備

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

表1. 您擁有眾多通道數(shù)、采樣率和總線選項(xiàng)

為您的應(yīng)用選擇合適的總線

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

表2總結(jié)了在選擇USB還是PCI Express或PXI Express時(shí)需要考慮的一些重要因素。

	USB	PCI Express 和 PXI Express
NI-STC3 技術(shù)
并發(fā)模擬、數(shù)字和計(jì)數(shù)器選項(xiàng)
便攜性		–
即插即用		–
集成信號(hào)連結(jié)性		–
高帶寬	–
低延時(shí)	–
支持LabVIEW Real-Time	–
多設(shè)備同步	–

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

X系列技術(shù)

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

1. NI-STC3定時(shí)和同步技術(shù)

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(shí)及同步技術(shù)

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

4個(gè)改進(jìn)式計(jì)數(shù)器

新型NI-STC3技術(shù)進(jìn)一步拓展了計(jì)數(shù)器通道，可提供4個(gè)具有32位分辨率的100 MHz計(jì)數(shù)器。不僅單一X系列設(shè)備具有4個(gè)計(jì)數(shù)器，而且以前需要2個(gè)計(jì)數(shù)器的操作現(xiàn)在都能通過單一計(jì)數(shù)器通道實(shí)現(xiàn)。舉例來說，您正在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，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(gè)計(jì)數(shù)器連續(xù)生成脈沖并使用另一個(gè)計(jì)數(shù)器為這些傳送至電機(jī)的脈沖加門限信號(hào)。單個(gè)NI-STC3計(jì)數(shù)器即可完成該任務(wù)，即：?jiǎn)我籜系列設(shè)備可控制最多4個(gè)步進(jìn)電機(jī)。

100 MHz時(shí)基

各款數(shù)據(jù)采集設(shè)備的板載時(shí)基，是驅(qū)動(dòng)所有數(shù)字電路的心臟。從采樣時(shí)鐘至觸發(fā)線的各類應(yīng)用，均使用此時(shí)基作為板載參考，繼而生成時(shí)鐘頻率并鎖存數(shù)字邊緣。NI-STC3技術(shù)使用新型100 MHz時(shí)基實(shí)現(xiàn)各類模擬和數(shù)字定時(shí)，速率比之前發(fā)行的各類NI DAQ設(shè)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(shí)于10 ns內(nèi)作出響應(yīng)。

獨(dú)立定時(shí)引擎, 針對(duì)模擬和數(shù)字I/O

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)功能，經(jīng)常需要通過板載計(jì)數(shù)器和復(fù)雜信號(hào)路由獲得特定的硬件定時(shí)性能。NI-STC3技術(shù)為多功能設(shè)備上的各類I/O，提供完全獨(dú)立的采樣時(shí)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(zhǔn)備新一輪采樣。使用驅(qū)動(dòng)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(cuò)過新一輪觸發(fā)；因此，獲得最佳性能可能需要硬件定時(shí)方式。過去，計(jì)數(shù)器是執(zhí)行硬件定時(shí)重觸發(fā)的唯一途徑；計(jì)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(shí)鐘。

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

高速總線接口

X系列設(shè)備針對(duì)高吞吐率應(yīng)用集成了多項(xiàng)增強(qiáng)功能，即需要從設(shè)備和PC內(nèi)存?zhèn)鬏敾蚪邮艽罅繑?shù)據(jù)的應(yīng)用。USB X系列設(shè)備包含了NI信號(hào)流技術(shù)。PCI Express和PXI Express X系列設(shè)備包含PCI Express本地接口，實(shí)現(xiàn)最大吞吐率和低延遲。

專利NI信號(hào)流技術(shù)

USB X系列設(shè)備包含專利的NI信號(hào)流技術(shù)，它采用基于消息的傳輸和設(shè)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(shù)用于高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)，以及NI信號(hào)流技術(shù)可最大化USB總線吞吐率。

利用該技術(shù)，NI能夠首次在多功能USB設(shè)備上實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備的同步采集，兩臺(tái)設(shè)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(shè)備成為便攜式超聲波測(cè)試和瞬態(tài)記錄應(yīng)用的理想選擇。此類設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行取決于主機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，測(cè)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(shè)備提供專用串行通道，而且各個(gè)方向上的理論帶寬達(dá)250 MB/s。

某些數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過橋接器的方式將PCI設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為PCI Express，這樣得到的帶寬與PCI相同并加入了時(shí)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(wú)需CPU交互或另行編程，即可在設(shè)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(duì)模擬I/O、數(shù)字I/O和全部4個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器?？扇菁{127個(gè)樣本的擴(kuò)展型FIFO面向全部4個(gè)32位計(jì)數(shù)器，現(xiàn)在能夠以遠(yuǎn)高于先前設(shè)備的速度執(zhí)行緩沖式定時(shí)器操作（如：事件計(jì)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(yīng)用程序。X系列設(shè)備還拓展了設(shè)備中所有子系統(tǒng)的硬件定時(shí)型單點(diǎn)執(zhí)行性能。

多核PC上的并行處理

若要充分利用DAQ設(shè)備上的并行硬件子系統(tǒng)，您需要借助高性能驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件。

NI-DAQmx作為面向X系列的驅(qū)動(dòng)軟件，為各類信號(hào)測(cè)量和生成提供簡(jiǎn)單、一致的API。NI-DAQmx屬于多線程，這意味著：用戶開發(fā)的應(yīng)用程序能夠?qū)y(cè)量與生成任務(wù)的處理分割為單獨(dú)的線程。通過NI LabVIEW、NI LabWindows™/CV、C/C++、Visual Basic 6和.NET等多個(gè)編程環(huán)境，均可調(diào)入NI-DAQmx。

結(jié)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(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在多核計(jì)算機(jī)上的使用。用戶可為各個(gè)測(cè)量任務(wù)創(chuàng)建While循環(huán)；NI LabVIEW自動(dòng)將您的應(yīng)用程序劃分為多個(gè)線程。操作系統(tǒng)繼而能夠在一個(gè)或多個(gè)CPU內(nèi)核里，管理這些線程的最優(yōu)化執(zhí)行。例如，一個(gè)While循環(huán)用于比例積分微分(PID)控制并在一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行，一個(gè)While循環(huán)在另一個(gè)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(shè)備I/O

PCI Express和PXI Express X系列設(shè)備需要NI-DAQmx 9.0或更高版本，USB X系列設(shè)備需要NI-DAQmx 9.2或更高版本。NI-DAQmx 9.0 添加了2項(xiàng)強(qiáng)大特性：

1. 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(jìn)行后期處理或趨勢(shì)追蹤。用戶現(xiàn)在可借助NI-DAQmx將單個(gè)“DAQmx配置記錄” VI添加至NI-DAQmx任務(wù)，繼而將數(shù)據(jù)記入技術(shù)數(shù)據(jù)管理流(TDMS)測(cè)量文件。這種編寫TDMS文件的方法也極為快捷：之前的測(cè)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(shè)備任務(wù)。 對(duì)于結(jié)合X系列的高通道數(shù)應(yīng)用，您能夠輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備間的同步。對(duì)于PCI Express X系列，您需要將它們和實(shí)時(shí)系統(tǒng)集成(RTSI)電纜相互連接。對(duì)于PXI Express X系列，模塊能夠通過PXI Express背板上的定時(shí)和觸發(fā)總線彼此同步。NI-DAQmx 9.0將多設(shè)備任務(wù)引入X系列，這意味著用戶可創(chuàng)建1組包含2個(gè)設(shè)備的測(cè)量代碼，NI-DAQmx自動(dòng)管理著采樣時(shí)鐘的共享。

 圖5. NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件借助多設(shè)備任務(wù)，輕松同步2個(gè)或者更多的X系列設(shè)備

結(jié)論

改進(jìn)定時(shí)和觸發(fā)、總線傳輸和數(shù)據(jù)處理之后的NI X系列設(shè)備，代表美國(guó)國(guó)家儀器公司設(shè)計(jì)且處于技術(shù)最前沿的DAQ設(shè)備。利用PCI Express和多核處理器等最先進(jìn)的PC技術(shù)，它現(xiàn)在能夠創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)的測(cè)量和控制系統(tǒng)，提供信號(hào)至軟件級(jí)的并行技術(shù)。