X系列多功能数据采集(DAQ)设备

　　X系列设备是美国国家仪器公司设计至今最高级的多功能数据采集(DAQ)设备。其增强特性可满足最苛刻的测量、测试和控制应用。

　　

　　X系列设备可采用USB、PCIExpress和PXIExpress总线，每种设备都包含模拟I/O、数字I/O和4个32位计时器/定时器。

　　X系列设备将基于PC的多功能I/O的性能提升至新高度。设备包含了NI-STC3定时与同步技术、针对USB的NI信号流技术和本地PCIExpress接口以及针对多核处理器的驱动软件。

　　X系列技术

　　为了拓展多功能设备的功能性和灵活性，使其远远超越过去的产品，X系列设备集成了三项主要技术：

　　1.NI-STC3定时和同步技术

　　2.面向USB和PCIExpress/PXIExpress的高速总线接口

　　3.并行软件执行

　　NI-STC3定时及同步技术

　　所有多功能数据采集硬件都通过板载定时电路控制模拟、数字和计数器I/O线;定时ASIC技术的演变已逾数十年。X系列DAQ家族融入可提供4个改进式计数器的新型NI-STC3技术、100MHz时基，以及其它针对I/O定时和触发的功能。

　　4个改进式计数器

　　新型NI-STC3技术进一步拓展了计数器通道，可提供4个具有32位分辨率的100MHz计数器。不仅单一X系列设备具有4个计数器，而且以前需要2个计数器的操作现在都能通过单一计数器通道实现。举例来说，您正在控制步进电机时，往往就需要生成数量有限的数字脉冲;过去，这需要使用一个计数器连续生成脉冲并使用另一个计数器为这些传送至电机的脉冲加门限信号。单个NI-STC3计数器即可完成该任务，即：单一X系列设备可控制最多4个步进电机。

　　100MHz时基

　　各款数据采集设备的板载时基，是驱动所有数字电路的心脏。从采样时钟至触发线的各类应用，均使用此时基作为板载参考，继而生成时钟频率并锁存数字边缘。NI-STC3技术使用新型100MHz时基实现各类模拟和数字定时，速率比之前发行的各类NIDAQ设备快5倍。这意味着：采样频率的精度是先前的5倍，而且模拟触发器能够在触发条件满足时于10ns内作出响应。

　　独立定时引擎,针对模拟和数字I/O

　　数据采集设备的高级定时和触发功能，经常需要通过板载计数器和复杂信号路由获得特定的硬件定时性能。NI-STC3技术为多功能设备上的各类I/O，提供完全独立的采样时钟和触发。举例来说，可重触发式采集需要等待触发条件得到满足，采获数量有限的样本，再立即重新装配触发器准备新一轮采样。使用驱动软件函数来重新装配触发器又有可能因软件延迟而错过新一轮触发;因此，获得最佳性能可能需要硬件定时方式。过去，计数器是执行硬件定时重触发的唯一途径;计数器生成的可重触发脉冲序列被内部路由并作为模拟输入采样时钟。

　　同时，结合新型X系列DAQ板卡提供的NI-STC3技术，模拟通道不再需要使用计数器执行可重触发式采集，触发器也能独立对自身进行重新装配而无需软件干预。新型独立定时功能的另一典型范例是新型专用时钟，它能够采集或生成硬件定时的数字波形。

　　高速总线接口

　　X系列设备针对高吞吐率应用集成了多项增强功能，即需要从设备和PC内存传输或接受大量数据的应用。USBX系列设备包含了NI信号流技术。PCIExpress和PXIExpressX系列设备包含PCIExpress本地接口，实现最大吞吐率和低延迟。

　　专利NI信号流技术

　　USBX系列设备包含专利的NI信号流技术，它采用基于消息的传输和设备端智能来确保USB上的高速双向数据传输。

　　

　　图2.USBX系列包含NI-STC3技术用于高级定时和触发，以及NI信号流技术可最大化USB总线吞吐率。

　　利用该技术，NI能够首次在多功能USB设备上实现两台设备的同步采集，两台设备8条模拟输入的采样率分别为1.25MS/s和2MS/s，并包含32或64MS的板载内存。所有通道上的高采样率使该设备成为便携式超声波测试和瞬态记录应用的理想选择。此类设备的长期运行取决于主机PC、采样率和通道数。

　　本地PCIExpress接口

　　随着PCIExpress的引入以及它融入PXIExpress标准，测量系统中曾经存在的数据瓶颈逐渐消失。不同于提供132MB/s共享带宽的PCI，PCIExpress可向各款设备提供专用串行通道，而且各个方向上的理论带宽达250MB/s。

　　某些数据采集设备通过桥接器的方式将PCI设计转换为PCIExpress，这样得到的带宽与PCI相同并加入了时延。相反，NIX系列自行提供配有完整PCIExpress带宽的x1(“乘1”)PCIExpress和PXIExpress接口。面向PCIExpress的X系列可在PCIExpress插槽中使用，从x1直至x16。

　　

　　图3.面向PCIExpress的X系列可在各类PCIExpress插槽中使用，从x1到x16.

　　此外，X系列包含8条DMA通道，无需CPU交互或另行编程，即可在设备和PC内存之间直接读写数据。这8条通道提供的并行数据读写，针对模拟I/O、数字I/O和全部4个计数器/定时器。可容纳127个样本的扩展型FIFO面向全部4个32位计数器，现在能够以远高于先前设备的速度执行缓冲式定时器操作(如：事件计数或生成PWM输出)。

　　与大多数内部总线相同，PCIExpress极低的延迟非常适合封闭循环控制应用程序。X系列设备还拓展了设备中所有子系统的硬件定时型单点执行性能。

　　多核PC上的并行处理

　　若要充分利用DAQ设备上的并行硬件子系统，您需要借助高性能驱动程序和应用软件。

　　NI-DAQmx作为面向X系列的驱动软件，为各类信号测量和生成提供简单、一致的API。NI-DAQmx属于多线程，这意味着：用户开发的应用程序能够将测量与生成任务的处理分割为单独的线程。通过NILabVIEW、NILabWindows™/CV、C/C++、VisualBasic6和.NET等多个编程环境，均可调入NI-DAQmx。

　　结合NILabVIEW，用户能够最便捷地连接NI-DAQmx并优化数据采集应用，实现在多核计算机上的使用。用户可为各个测量任务创建While循环;NILabVIEW自动将您的应用程序划分为多个线程。操作系统继而能够在一个或多个CPU内核里，管理这些线程的最优化执行。例如，一个While循环用于比例积分微分(PID)控制并在一个内核上运行，一个While循环在另一个内核上处理快速傅里叶变换(FFT)。

　　

　　图4.用户能够使用LabVIEW中的并行While循环，在不同CPU内核上处理DAQ设备I/O

　　PCIExpress和PXIExpressX系列设备需要NI-DAQmx9.0或更高版本，USBX系列设备需要NI-DAQmx9.2或更高版本。NI-DAQmx9.0添加了2项强大特性：

　　1.快速、轻松的数据记录。用户往往需要将采集的数据记录至磁盘，进行后期处理或趋势追踪。用户现在可借助NI-DAQmx将单个“DAQmx配置记录”VI添加至NI-DAQmx任务，继而将数据记入技术数据管理流(TDMS)测量文件。这种编写TDMS文件的方法也极为快捷：之前的测试表明磁盘上的写入速率可能超过1GB/s。

　　2.面向X系列的多设备任务。对于结合X系列的高通道数应用，您能够轻松实现多个设备间的同步。对于PCIExpressX系列，您需要将它们和实时系统集成(RTSI)电缆相互连接。对于PXIExpressX系列，模块能够通过PXIExpress背板上的定时和触发总线彼此同步。NI-DAQmx9.0将多设备任务引入X系列，这意味着用户可创建1组包含2个设备的测量代码，NI-DAQmx自动管理着采样时钟的共享。

　　

　　图5.NI-DAQmx驱动软件借助多设备任务，轻松同步2个或者更多的X系列设备

　　结论

　　改进定时和触发、总线传输和数据处理之后的NIX系列设备，代表美国国家仪器公司设计且处于技术最前沿的DAQ设备。利用PCIExpress和多核处理器等最先进的PC技术，它现在能够创建经济的测量和控制系统，提供信号至软件级的并行技术。