NI M系列DAQ中使用的新技术

概览
       NI公司的M系列数据采集设备 (DAQ)，以全新的革命性架构，为数据采集硬件功能设定了新标准。这些设备除集成了市面上最先进的技术之外，还吸纳了一些全新设计优势，显著改善其性能，准确性与I/O通道密度：
• NI-STC 2 –     自定义的定时控制器ASIC
• NI-MCal技术 – 具有革命性的校准和线性化方法
• NI-PGIA 2技术   可自定义的增益放大器
       NI-STC 2是专门为M系列DAQ设备设计的专用集成电路(ASIC)。它增加了每个设备的I/O通道数目，并将数据总吞吐率提高了1200%。NI-MCal技术 是一种线性化校准工具，可在所有输入范围内获得无与伦比的精度改善。另外，NI-PGIA 2的可自定义放大器技术，提供了更快的采样速率和更高的分辨率。NI-PGIA 2有三个分别针对成本、速度和精度而优化的版本。
 
  
图 1新型M系列技术提供了更高性能、更多I/O数与更大价值
 
NI-STC 2 – 自定义的系统定时控制器ASIC
NI-STC 2是一款可自定义的ASIC，它可以控制系统的定时、同步以及所有输入输出数据采集操作的路由功能。NI-STC 2 提供了：
• 6条DMA通道 – 每个功能都有专属的scatter-gather DMA控制器
• 时钟定时的数字I/O (高达10MHz)
• 与编码器兼容的32位计数器/定时器
• RTSI总线信号路由，用于多个设备的同步
• 内部和外部定时信号路由
• 用于时钟同步的PLL
NI-STC 2 – 6个DMA通道
     许多即插式数据采集设备并不受限于它们的采样或更新速率，而是受限于它们将数据传送到PC机内存的速度。老式数据采集设备使用中断请求线路 (IRQ)将数据从设备传送至PC机，并且需要设定跳线以避免内存冲突。IRQ使用计算机处理器来控制数据传输，这样会封锁其它PC机正在处理的操作，从 而使效率下降。现代数据采集设备拥有板上直接存储器存取(DMA)通道，可以不需要通过CPU，直接将数据从数据采集设备传送至PC内存。DMA可以高速 传输数据，并使CPU同时执行其它工作。
     新一代数据采集设备(包括M系列设备)，都拥有六条DMA通道。将这项技术应用到NI-STC 2的设备系统和定时控制器中，只需一个设备就可以同时执行模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出和两个计数器/定时器操作；同时，PC处理器可以执行其 他一些操作，如数据换算及分析等。因为其它数据采集设备大部分都只有一条DMA通道，所以要同时执行两个或两个以上的操作就必须使用IRQ。随着数据传输 率的增加及更多操作的同时进行，这些IRQ将开始占用PC处理器时间，使系统变慢，最终将导致缓冲区溢出错误。而M系列DAQ设备则采用NI STC 2技术，最多可同时执行六项高速操作，同时将数据丢失或缓冲区溢出的错误造成的错误减到最小。
 
 
图 2 NI-STC 2拥有6条DMA通道，可大幅度地提高数据吞吐率
 
NI-STC 2 – 数字I/O与计数器/定时器
    除了16个静态数字I/O线路之外，NI-STC 2还包括了最多可达32个的硬件定时的数字I/O线路，可以以最高10 MHz的速率输入或输出数字模式。每个信号都可独立地设置为数字输入、静态输出或者波型输出。NI-STC 2的数字输入输出有专用的FIFO缓冲区，每个缓冲区都有专用的DMA通道向FIFO和PC内存中读写数据。你可以使用线路组来产生或测量32位宽的数字 模式。这种模式I/O功能对于那些读取条形码或读取模数转换器(ADC)之类的部件定性应用来说是非常有用的；任何要求微秒数量级定时精度的应用中也需要 这种功能。
    你还可以将数字线路与其它硬件定时的操作(如模拟输入、模拟输出和计数器等)相关联，使设备上的多个操作同步。为了使信号相关，NI-STC 2内部会安排一根外部或内部信号线，为那些相关的信号提供单一时钟源。
所有M系列DAQ设备都包含了两个32位计数器/定时器，用于脉冲生成和频率测量。与常规的24位计数/定时寄存器相比，M系列设备拥有256倍的 测量容量。另外，与老式数据采集设备上常见的20 MHz时间基频相比，板上80MHz的时间基频将脉冲测量精度提高了400%，而且允许测量更高速的波形。基于这个计数器，你可以利用正交编码器或者双脉 冲编码器来进行位置测量，或者利用X1、X2和X4角度编码器来进行角度测量。
 
NI-STC 2 – 定时与同步
   NI-STC 2通过分割80MHz的主频而生成多个时间基频。这些信号可以作为模拟输入、模拟输出、数字I/O和计数器/定时器的时钟来源来内部使用。每个M系列设备 也能够从这个80MHz时钟中生成自身的10MHz的参考时钟，用来同步多个设备。这个10MHz的参考时钟可以通过RTSI总线连接至同一系统中的其它 设备上。
   传统上，使用RTSI总线来同步设备将使每个设备的最大时钟频率速率限制在10 MHz上。采用NI-STC 2技术的M系列设备中都有一个锁相环(PLL)，它可以让系统中的每个设备将自身的80MHz基频同步到10MHz主频上。有了这项技术，所有设备不仅可 以同步到同一个主频上，还可以利用板上所生成的更快的80MHz定时信号。
 
 

图 3 M系列设备生成一个板上80MHz频率与一个PLL，以同步多个设备
 
NI-MCal技术 – 校准和线性化方法
   ADC以及可编程放大器等电子元件，都具有非线性特征以及由于时间和温度影响而引起的漂移。要补偿这些固有误差，就需要设备的自校准。老式的数据采 集设备使用板上的精确参考电压，在某个测量范围内进行两点式修正。这种方法无法避免ADC元件本身的非线性误差，因此降低了设备的测量精度。另外，这种方 法只能在某一输入范围内进行校准，那么对多个不同输入范围的通道而言，测量精度就会受限于电阻网络的容差。
M系列设备则采用了NI-MCal技术。这是一种线性化与校准引擎(专利申请中)，可以在所有输入范围内校准数千个电压准位。NI-MCal将脉冲 宽度调制(PWM)和高精度的参考电压结合在一起使用。PWM的占空比用来改变电平，以便能在多点进行自校准。在板载EEPROM中生成并存储校准参数， 以模拟ADC元件的非线性特性，并更正后续的测量任务。
   与传统的两点式校准相比，NI-MCal技术的实现将测量的精度提高了5倍之多。另外，大部份M系列设备都改善了参考精度，将建议的校准时间间隔由一年提高到两年，从而降低了设备的维护成本。
 
  M系列 老式E系列
校准类型 多项式校准，所有输入范围 线性校准，一个输入范围
典型自校准时间 7秒 30秒
校准间隔需求 两年 一年
表1：M系列与E系列的校准比较
 
NI-PGIA 2技术 – 专用放大器
  ADC在快速扫描多个通道时，其建立时间会大幅影响转换精度。所谓建立时间，是指放大某信号使之达到某一特定测量精度标准所需的时间。如果放大器没 有足够短的建立时间，则被测量信号的量化将不准确。更短的建立时间可以在保证精度的条件下，允许进行更高速的采样。因此，对任意给定的分辨率或精度，都需 要更短的建立时间。
为了保证测量精度，NI在设计M系列设备时引入了定制NI-PGIA 2技术。M系列的每台设备中NI-PGIA 2技术都针对成本、速度和精度进行了优化。例如，高精度的M系列设备中的NI-PGIA 2技术，针对18位的短建立时间、低噪音、高线性进行了优化。NI-PGIA 2技术通过最小化建立时间，可以在最大采样频率下保证设备的指定分辨率，从而提高了精度。图4表明，高速的M系列NI-PGIA 2在20 V电阶(最糟的案例)情况下，可以在1.5 µs内达到虚零误差。
 
 
图 4 NI-PGIA的建立时间比传统产品更短
 
更多的 I/O 和其他特征
   M系列设备为即插式数据采集新增了一些额外功能，以提高测量精度和安全性，并易于使用。尽管12位和16位的数据采集设备已经成为现今的测量标准， 但M系列的设备却有18位的分辨率。18位ADC所能检测到的最小电压变化，仅仅是16位设备的1/4，更是12位设备的1/64。这些18位的设备还包 含一个可编程的低通滤波器，可以避免高频噪声的量化。
    M系列设备的数字线路具有过压、低压及过电流保护装置，可以在过高的信号被意外加到数字线路上时，避免对设备及 PC 造成损坏。另外，工业继电器和交换器中常常有数字跳跃(digital bounce)现象，而计数器/定时器线路中的输入滤波器可以避免这种现象。数字保护和计数器/定时器的线路滤波器，对于工业及控制应用都特别有用。
    所有M系列设备都具有NI-DAQmx的测量服务及驱动程序软件。NI-DAQmx为数据采集的生产率和性能带来空前的 改进。集成的DAQ助手提供了一个一步一步的向导工具，帮助对测量任务进行配置、测试和编程。另外，NI-DAQmx支持多线程，这样便可以在一块处理器 上同时执行多个操作。
    M系列的DAQ设备可以与IEEE 1451.4的智能传感器无缝合作。你可以采用M系列的DAQ设备、NI的信号调理和NI-DAQmx测量服务软件来读取智能传感器的数据。这样便无需手 动输入传感器数据，取而代之，可以自动读取传感器的电子数据表，并用它对传感器测量进行定标。
表2中总结了NI的M 系列和老式E 系列的DAQ 设备之间的差异。
 

		M系列	E系列
模拟输入	通道	16或32个	16或64个
	采样速率	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
	校准方法	NI-MCal (适用所有范围)	线性两点式 (试用单一范围)
	可编程低通输入滤波器	有1	无
模拟输出	通道	0, 2, 或4个	0或2个
	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
	输出范围	每通道可编程1	±10 V, 0到10 V
	输出偏移量	每通道可编程1	0 V
数字输入/输出	线路	24或48个	8或32个
	速率	10 MHz, 时钟同步1	软件定时
	相关数字IO	有	无
	线路保护	改进的过压/低压保护以及过电流保护	—
计数器	线路	2个	2个
	分辨率	32位	24位
	计数器基频	80 MHz	20 MHz
	正交编码器输入	有	无
	计数器去抖动滤波器	每线路可编程	无
系统	时钟同步	PLL, RTSI	RTSI
	DMA通道	6个	1或3个
	连接器类型	VHDCI (高密度)	SCSI II

 
总结
    随着M系列设备的推出，NI公司一直在扩展其功能，同时降低数据采集的成本。其中，OEM客户会非常感谢M系列设备的扩展I/O功能，因为它使每I/O通道的单位价格下降了30%多。
NI-STC 2、NI-MCal和NI-PGIA 2技术提供了以前即插式DAQ设备所不具备的功能，而且M系列可以与NI LabVIEW图形开发环境和NI-DAQmx测量服务软件无缝结合，以提供更佳的性能、更高的价值和更多的I/O。