新一代資料截取技術－M系列DAQ

前言

National Instruments最新M系列资料截取 (DAQ) 装置家族，以重新设计的创新革命性架构，为 DAQ 硬体功能设下了新标准。除了整合最先进的商业公开技术，该装置运用了三种新的设计改良功能，可提供效能、精确性及输入/输出 (I/O) 通道密度上的大幅改善：

n NI-STC 2 – 计时控制器 ASIC 的自订设计系统
n NI-MCal 技术 – 具专利的调校及独特的线性化方法学
n NI-PGIA 2 – 特定应用功能的增益放大器

NI-STC 2 是专门为 M 系列 DAQ 装置设计的特定应用的积体电路 (ASIC)，增加了每装置的 I/O 通道数目，并改善了总资料存取量率最高达 1200%。NI-MCal 技术是一种线性化及调校引擎，可在所有输入范围内，达成无与伦比的精确性改善。此外，NIPGIA2 放大器技术则是为以更快的取样速率，提供更佳的解析度所自订设计的。
　

NI-STC 2 – 计时控制器 ASIC 的自订设计系统

NI-STC 2 是一种自订设计的特定应用积体电路 (ASIC)，可以控制系统的计时、同步化，以及所有输入及输出 DAQ 操作的资料路由功能。NI-STC 2 提供了：

• 六个 DMA 通道 – 专用的每种功能集散收集的 DMA 控制器
• 10 MHz 的时脉数位 I/O 线路
• 32 位元计数器/计时器加编码器支援
• 产生及路由 RTSI 讯号以进行多装置同步化
• 产生及路由内外计时讯号
• 供时脉同步化的PLL

NI-STC 2 –六个 DMA 通道

许多外挂式资料撷取装置并不是受限于它们的截取或更新速率，而是受限于它们可以传送资料到 PC 记忆体的速率。旧式 DAQ 装置使用中断请求线路 (IRQ)，从装置传送资料至 PC，并且需要设定跳线，以避免记忆体冲突。IRQ 使用电脑处理器来控制资料传输，它会因为封锁其他由 PC 所处理的操作，而造成效率不彰。现代化的 DAQ装置包括了板上直接记忆体位址 (DMA) 通道，可以让资料直接由 DAQ 装置送往 PC记忆体，而不需动用到处理器。DMA 传输器可以高速携带资料，并让处理器免于在同时进行其他的工作。

新一代的 DAQ 装置，包括 M 系列家族中所使用的，都拥有六条 DMA 通道。这项内建在 NI-STC 2 装置系统和计时控制器中的技术，可以让单一装置同时执行类比输入、类比输出、数位输入、数位输出，以及两种计数器/计时器操作，同时让 PC 处理器不需执行像是资料换算及分析等操作。因为大部份其他的 DAQ 装置都只有单一DMA 通道，要同时执行两个或以上的操作，就必须使用 IRQ。随着资料传输率增加及更多操作同时进行，这些 IRQ 会开始独佔 PC 处理器时间，造成系统变慢，并在最终产生缓冲区满溢错误。含 NI STC 2 的M 系列 DAQ 装置最多可同时以最大功能执行六项操作，而没有损失资料或造成错误的风险。

图二：NI-STC 2 拥有6 个 DMA 通道，可大幅改善资料存取量。

NI-STC 2 – 数位 I/O 及计数器/计时器

除了 16 条静态 DIO 线路之外，NI-STC 2 还包括了最高至 32 条硬体计时数位I/O 线路，可以最高至 10 MHz 的速率输入或输出数位模式。每一讯号都可个别设定为数位输入、静态输出或波型输出。NI-STC 2 拥有数位输入及输出专用的先入、先出 (FIFO) 缓冲区，每一个都有专用的 DMA 通道，能从 FIFO 和 PC 记忆体移进和移出资料。线路群组可以用来产生或测量最高至 32 位元宽的模式。这种模式 I/O 功能对于包括读取条码或读取类比至数位转换器 (ADC)，以进行元件特性化的应用是非常实用的，并且是任何需要比微秒更多一点的计时精确性的应用所需的。

数位线路也可以及时与其他硬体计时的操作，像是类比输入、类比输出及计数器相关连，以同步化装置上的多重操作。为了将讯号关连，NI-STC 2 会在内部路由外部或内部的讯号，以便为相关连的讯号提供单一时脉来源。

所有 M 系列 DAQ 装置也包括了两个 32 位元计数器/计时器，以便产生脉冲及频率测量。与一般的 24 位元计数器/计时器暂存器相比，M 系列装置拥有8 倍的测量容量。

此外，板上的80 MHz 时间基准改善了脉冲测量精准度达400%，比较起旧式 DAQ 装置上常见的 20 MHz 时间基准，能获得更快速的波型。您可以使用计数器，与积分编码器或双脉冲编码器进行位置测量，并与 X1、X2 和 X4 角度编码器进行角度位置测量。

NI-STC 2 – 计时及同步化

NI-STC 2 会藉由分割 80 MHz 主时脉，产生数个时间基准。这些讯号可以于内部运用，做为类比输入、类比输出、数位I/O 和计数器/计时器的时脉来源。从这个 80MHz 时脉，每一 M 系列装置也能够产生它自己的 10 MHz 参照时脉，用来同步化多项装置。这个 10 MHz 参照时脉可以经由即时系统整合 (RTSI) 匯流排，绕线至相同系统中的其他装置。

传统上，使用RTSI来同步化装置，会将每一装置的最大时脉速率限定为10 MHz。含NI-STC 2 的M 系列装置拥有相位锁定迴圈 (PLL)，它可以让系统中的每一装置以它自己的 80 MHz 时间基准来同步化主 10 MHz 时脉。有了这项技术，所有的装置皆可同步化为相同的主时脉，但是可以运用板上产生的较快 80 MHz 讯号。

NI-MCal 技术 – 具专利的调校及独特的线性化方法学

像是类比至数位转换器 (ADC) 及可程式化的放大器等电子元件，皆可能因为时间及温度等非线性及漂动而有其差异性。补偿这些错误承袭来源，就需要装置的自我修正。

旧式的资料截取装置使用板上精确电压参考，以执行单一测量范围的两点式修正。这种方法是没有办法保护 ADC 范围的本机非线性，因此也削弱了装置的测量精确性。

此外，因为这种方法只能在单一输入范围进行修正，以变化的输入范围扫描多个通道的测量，其精确性就必须受制于电阻器网路的容忍度。

M 系列装置运用了 NI-MCal 技术，它是一种具有专利的线性化及调校引擎，可以以数千种电压层级，在所有输入范围内进行调校。NI-MCal 使用脉冲宽度调制 (PWM)，配合高精确性的电压参考。PWM 的责任流程是用来对精确电压层级进行变化的，以便能在多点进行自我调校。多项式修正曲线乃是在软体中产生及储存的，以便制作出ADC 非线性的模型，并修正后续的测量。

NI-MCal 技术的实作和传统两点调校相比， 在测量的精确性上最多可改善 5 倍。此外，大部份 M 系列装置上所提供的改善精准度参照，降低了装置的维护成本，将建议的修正间隔由一年增加为两年。
　

NI-PGIA 2 特定应用功能的增益放大器

类比对数位转换器 (ADC) 的安置时间，在以快速扫描多重通道时，可以大幅影响精确性。安置时间是一个讯号需要加以放大，以到达指定精确性层级的时间量。如果放大器并没有足够的安置时间，测量到的讯号在数位化时就会不精确。对于任何特定层级的解析度 (或精确性) 来说，都希望能有更短的安置时间，因为它们能够达到更快速的取样率，而不需要牺牲精确性。

在设计新的 M 系列 DAQ 装置时，National Instruments 建立了新一代的可程式设计增益仪测放大器 NI-PGIA 2，它比任何商业发行的元件拥有更快速的安置时间。NI-PGIA2 藉由将安置时间降到最低，改善了精确性，以便甚至在最大的取样率下都能维护装置的指定解析度。下列的图表显示NI-PGIA 2 在依照 20 V 电阶 (最糟的案例) 的情况，在 1.5ms 安置为零错误。

图四：NI-PGIA 提供比旧式及大量制造的PGIA 技术更快速的安置时间。

更多的 I/O 和额外的功能

M 系列装置包括外挂资料截取以前所没有的额外功能，可以改善测量的精确性、安全性，且容易使用。12 位元和 16 位元 DAQ 装置已经成为最近的测量标准，M 系列装置也提供了 18 位元的解析度。这可以让 ADC 能侦测的电压变化，比16 位元的装置小了四倍，比 12 位元的装置则小了 64 倍。这些 18 位元的装置也包括了可程式化的低通滤波器，它可以封锁高频杂讯免于被数位化。

M 系列装置的数位线路拥有过电压、底电压及过电流保护，以防止意外将过高的讯号与数位线路相连时，对装置及 PC 造成损坏。此外，计数器/计时器线路也拥有输入滤波器，以防止工业用继电器和交换器常见的数位弹跳(digital bounce)。数位保护及计数器/计时器线路滤波器在工业及控制应用方面，都特别有用。

NI-DAQmx 测量服务及驱动程式软体都是所有 M 系列装置的标准。NI-DAQmx 在DAQ 应用的产能和效能上，带来前所未见的改进。整合式 DAQ 助理提供了步骤式的精灵工具，可进行设定、测试及程式设计测量工作。此外，NI-DAQmx 是多绪的，可以让多重操作在单一处理器上同时执行。

M 系列 DAQ 装置也设计为可以紧密地与 IEEE 1451.4 智慧感应器配合运作。使用M 系列 DAQ 装置，NI 讯号调和和 NI-DAQmx 测量服务软体可以读取智慧感应器，以自动读取感应器的电子资料表，并用它来换算感应器测量单位，以取代手动键入感应器资料。

下列的表格总结了M 系列和旧式 E 系列DAQ 装置之间的差异。

总结

为了推出 M 系列，National Instruments 持续地扩充功能，同时降低资料截取成本， M 系列每 I/O 通道的价格已下降低超过 30%。

NI-STC 2、NI-MCal 和 NI-PGIA 2 技术提供了之前的外挂 DAQ 装置所无法提供的功能，而且 M 系列能与 NI LabVIEW 和 NI-DAQmx 测量服务软体紧密配合，提供更高的效能、更多的价值和更多的 I/O。