NI X系列多功能数据采集设备

　　美国国家仪器公司（简称NI）近期推出了新一代多功能数据采集产品X系列数据采集卡，也是该类别的第三代产品。多功能数据采集设备作为NI最重要的产品之一，历来备受关注。第二代M系列推出时曾经引起过巨大轰动，其功能和特性较第一代E系列有着显著地提升，至今多年过去仍然保持着很好的销量和口碑，满足着测试行业各式各样的需求，成就了一代辉煌。那么X系列是否能将M系列的优势延续下去？能否在日益激烈的市场竞争下继续保持同类产品的领先地位，满足更多的测量需求？和M系列相比又有了哪些性能上的提升呢？
　　PCIe总线
　　M系列产品中，总线类型既有PCI也有PCIe，其中PCI种类更多；而在X系列中只有PCIe总线产品，不再提供支持PCI总线的产品。PCI(Peripheral Component Interconnect)总线是英特尔（Intel）公司1991年推出的用于定义局部总线的标准，是目前使用较多的内部总线之一。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽为133MB/s(33MHz*32bit/s)，目前理论带宽最多可达到1G。PCI Express则是近年发布的一种总线结构，采用了点对点串行连接，比起PCI的共享并行架构，可以让每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，以达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCIe的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。PCIe连接的每条线路包含两对导线，其中一对用于发送，另一对用于接收。数据包以每周期一位的速度在线路间传输。×1连接，即最小的PCIe连接，有一条由四根导线组成的线路。各方向上每周期都传输一位。×2链接包含八根导线，一次传输两位，×4链接传输四位，以此类推。其他配置还有×12、×16和×32。X系列PCIe板卡属于×1连接（图2）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 PCIe连接器示例
　　PCIe总线主要优势就是数据传输速率高，目前速度最高可以达到10GB/s以上，而且还有相当大的发展潜力。主板生产的成本上，使用PCIe也低于PCI，且PCIe和PCI完全兼容，适用于当前的操作系统，所以不远的将来PCIe必将取代PCI成为新一代通用总线接口，而X系列依然可以适用于新一代的PC主板（图3）。X系列PCIe产品的带宽为250M/s。

　　　　　　　　　　　图3 PCI总线和PCIe总线(白色长接口为PCI接口，短接口为PCIe接口)
　　更高的采样率和精度
　　X系列PCIe总线的产品依然选择了所有AI通道复用一个ADC的工作方式，多通道轮询采集节约了用户的成本。在进行多通道切换时，X系列产品ADC的稳定时间只有M系列的五分之一，即仅为10ns，甚至可以满足一些要求不高的同步采集。
　　众所周知，数据采集卡的绝对精度不仅仅等同于分辨率，还和偏置误差，增益误差等多个参数有关。X系列使用的ADC分辨率仍然为16位，但各量程的精度和M系列同样分辨率的产品相比却有大幅提升，使得测试可以更加精确。下面表1和表2给出了M系列和X系列中同级别板卡的精度对比。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 M系列622X各量程精度表

　　　　　　　　　　　　　　　表2 X系列632X各量程精度表
　　X系列产品采样率也提供了更多的选择范围，16位分辨率产品单通道采样率可选择250K，500K，1.25M和2M（表3）。其他模拟输入性能上，X系列共模抑制比也有所提升，和计算机传递数据默认采样DMA方式，并不再支持中断方式。一切细节变化均是为了使板卡达到更好的性能，满足越来越高的测试要求。
        性能

　　　　　　　　　　　表3 X系列PCIe产品(采样率为单通道采集时可达到的最高采样率)
　　X系列AO对比M系列同级别产品，更新率均有提升，有900K和2.86M两种可以选择，DAC的稳定时间也由原来的50ns提高到10ns。另外，X系列产品对过电流保护以及上电断电出现毛刺的保护也都做了改善。
　　X系列产品AI和AO都有1路DMA通道负责与PC之间的数据传递。
　　NI STC3芯片
　　X系列在数字I/O和Counter的功能上有了很大提升，主要是因为使用了新一代的系统定时控制芯片NI STC3。
　　板载时基对于数据采集卡来说尤为重要，内部定时设置采样率需要板载时基生成时钟频率，设置触发信号需要板载时基锁定数字边沿。NI STC3技术使用100MHz时基，可以对模拟任务和数字任务设置定时，速度是M系列卡的5倍，这意味着采样率可以精确5倍，一次触发的响应时间可以达到10ns。
M系列所使用的STC2芯片提供了2个32位，80MHz的Counter，可以测量TTL脉冲信号的各种信息，如周期、频率、边沿间隔等，以及生成脉冲。NI STC2还是一款直接支持正交编码器的芯片，可直接将编码器的A,B,Z连接到计数器的Source,AUX,Gate口，通过配置参数直接读取角度或位移信息，十分方便。NI STC3的功能在STC2上更进一步，提供了4个32位，100MHz的增强型Counter。每个增强型Counter通过一个内部嵌入式Counter，甚至可以完成过去M系列产品2个Counter才能完成的工作（图4）。比如控制一个步进电机需要生成一个有限点的数字脉冲，在M系列产品中我们使用1个Counter连续生成脉冲，另一个则控制第一个Counter的Gate信号决定何时送到电机。而X系列产品中单个Counter就可以完成这个任务，这就意味着一块X系列卡可以同时控制4台步进电机。同样，X系列板产品每个Counter都有一路专用的DMA通道负责和PC之间的数据传递，无需占用CPU资源。

　　　　　　　　　　　　　　　图4 M系列Counter(左)与X系列Counter芯片对比
　　过去定时和触发功能往往需要板卡上的Counter或外部信号路由来实现，而使用NI STC3技术可以给模拟I/O，数字I/O，计数器I/O通道分别提供不同的采样时钟和触发信号。M系列产品只有Counter可以实现硬件定时触发，所以当需要重触发采集时我们通常需要使用一个Counter重复生成有限脉冲序列，而将这个脉冲序列作为AI的时钟源，控制AI进行采集（通过软件重复创建和结束任务来进行重采样速度慢，容易造成触发信号丢失）。而X系列产品使用NI STC3技术，AI通道可以直接设置而独立地进行重触发进行采样，不再依赖Counter。X系列产品还可以直接对DIO口设置采样时钟来进行数字波形的采集和生成，这在M系列卡中也是需要通过Counter的配合来完成的。
　　X系列Counter的板载FIFO从原来的每路1个样本增加到127个，可进行很多带缓冲的脉冲输出或测量，这是M系列卡所无法实现的。带缓冲的Counter输出使用户可以将需要输出的多个脉冲周期提前写入到缓冲区中，这样可以生成多频率方波叠加的复杂脉冲波形。这些信息包括各周期中脉冲的脉宽，延迟时间，频率，占空比等，决定了各脉冲高低状态各需要多少个内部或外部时基表示。
　　可以通过两种方法输出脉冲序列，隐式定时和使用采样时钟。使用隐式定时时，缓冲区中的脉冲将会自动依次向外发出，用户可以自定义向外一次或连续不断地输出缓冲区中的脉冲（图5）。M系列数据采集卡通常采用这种方式生成脉冲。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 隐式定时生成脉冲
　　X系列产品还支持设置采样时钟的方式生成脉冲。这种方式需要设置一个时钟源，当一个时钟到来时连续不断地输出缓冲区的一个脉冲，直到下一个采样时钟边沿的到来，接着Counter不断输出缓冲区第二个脉冲，这样循环下去，一次或多次重复地输出缓冲区中脉冲（图6）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 设置采样时钟生成脉冲
　　M系列产品进行带缓冲的Counter测量时会根据需要选择隐式定时或设置采样时钟定时的方式。如果是一个带缓冲的边沿计数，可以支持设置采样时钟控制Counter的Gate信号将数据读取到缓冲区中。而如果要测量脉冲的周期或频率信息，则需要使用隐式定时的方式。用户通过选择通知NI DAQmx驱动设置隐式定时，测量的频率或周期值将在输入信号每一个周期结束后锁存到缓冲区中。
　　NI STC3的技术也提升了带缓冲Counter测量的性能。在测量脉冲周期或频率时除了可使用隐式定时方式，也支持设置采样时钟。设置采样时钟定时方式测量周期或频率实际上引用了一个内部时基对未知的测量信号进行比较。当一个采样时钟信号到来时，会计算出和前一个采样时钟信号之间内部时基产生了多少个上升沿，由于引用的内部时基频率已知，实际上可以精确计算出这两个采样时钟信号之间的时间，再除以这段时间未知信号的周期