NI PXI模块化仪器设计优势

1、概述

利用软件定义的模块化仪器，工程师能设计和实现灵活的测试系统，而且能够快速地更改这些系统的方案。在市场上现有的1500多种PXI产品中，超过400种产品设计源自NI。从以往的应用案例我们可以得出，NI PXI仪器设计具有多种优势。本文就以下优势进行验证：面向任意应用的仪器、测量性能与质量、可供选择的软件架构和生产单元验证。

2、面向任意应用的仪器

NI提供450多种基于PXI和PXI Express技术的模块化仪器。这些仪器的操作范围从直流延伸到26.5 GHz，包括：业内分辨率最高并结合24位分辨率的数字化仪和业内最快也最精确的7 ½位数字万用表(DMM)。

图1. NI模块化仪器涵盖从业内分辨率最高，到业内精度最高的产品

NI在更有效的3U空间内，不断拓展PXI模块化仪器的性能。NI PXIe-5665矢量信号分析仪（VSA）的诞生使NI的PXI平台具备一流的射频精度和测试速度，超越了其它行业标准的台式仪器。 领先的测量技术的范例是NI PXIe-5186数字化仪，它由NI和世界领先的示波器制造商泰克™共同开发。 它是市场上性能最高的PXI数字化仪，具有5 GHz的带宽和高达12.5 GS/s的采样率。

表1. NI模块化仪器系列涵盖了面向各种应用的产品

NI不仅可提供广泛的模块化仪器产品系列，而且能实现现场可编程逻辑门阵列（FPGA）在PXI平台上的应用。对于需要管理大型数据，并且同时要求灵活性和自定制的应用，FPGA提供了强大的应用解决方案。NI FlexRIO向NI LabVIEW FPGA模块提供了灵活、可定制的I/O ，帮助用户创建高性能、可重新配置的仪器。LabVIEW FPGA将LabVIEW图形化开发平台的目标扩展至FPGA。由于LabVIEW能够清楚地表现并行架构和数据流，非常适用于FPGA程序的编写，所以用户不论有没有传统FPGA设计的经验都能高效运用可重新配置硬件的功能。 借助于开放的、可定制的信号前端，能够满足测试或嵌入式系统的确切需求。

图2. NI FlexRIO可以让用户将FPGA作为应用开发的目标平台，同时扩展了系统的功能

3、测量性能与质量

NI将多个专利技术集成到这些模块化仪器中，确保它们的性能处在业内的最高水平，同时为一些要求较高的应用提供可靠的测量质量。 这些技术包括:

• 同步内存核心(SMC)
• 用于模块化仪器的NI-TClk定时与同步技术
• 用于多功能数据采集的NI-STC3定时与同步技术
• 用于数据采集的NI-MCal校准算法

同步内存核心(SMC)

现今最新的电子设计功能集成度越来高，且模拟与数字技术的交叉越来越深入。 设计、原型开发和测试这些系统往往涉及视频、音频和数据的混合，如最新一代的无线手机和机顶盒测试，都要求数字和模拟采集/生成硬件紧密集成，且它们的基带采样率、失真度和定时功能相互匹配。而那些时序各异且模拟性能不匹配的独立模拟和数字仪器系统将不再适用。此外，由于这些仪器设备在全球各地昼夜运行制造，对于要求稳定的、高通量的功能测试而言，需要仪器系统能够在较大的温度范围内保持性能参数的稳定性和一致性。

NI设计了同步内存核心（SMC），它作为高速模块化仪器套件的通用架构，可以解决测试功能高度集成设备所带来的挑战。 对于集成混合信号原型及测试系统重要SMC特性有

• 灵活的输入和输出信号传输核心
• 最大可扩展至每通道512 MB的高速板载内存
• 精确的定时和同步引擎

SMC架构的核心是一个FPGA控制器，即作为仪器“CPU”的数据流FPGA（DataStream FPGA，DSF）。它处理各种指令，接收触发和锁定信号，实现外部信号路由，以及管理仪器和上位机之间的波形传输。

图3. SMC 架构

欲知更多有关SMC的信息和其工作原理，请参阅NI同步内存核心--混合信号测试的现代架构

基于NI  T-Clock技术，实现模块化仪器的定时和同步功能

由于单台仪器上激励/响应通道数量有限以及/或对混合信号激励/响应通道的需求，许多测试和测量应用需要多台仪器的定时与同步。 例如，一个示波器可能最多有四个通道，而单个信号发生器最多有两个通道。 从电子行业的混合信号测试，到科学研究中的激光光谱学等应用，都需要用于更高的计数通道的定时和同步，和/或将数字输入和输出通道与模拟输入和输出通道相关。

PXI平台，尤其是机箱，具有集成的定时和同步功能，能够使PXI模块保持一致性。 即便如此，分配时钟和触发器以实现高速同步的设备仍具有挑战性。在多台测量设备之间进行协同作用时，所造成的时间延迟和时序的不确定性会给同步造成巨大的阻碍，这一点在高速测试系统中尤其明显。这些问题，往往在最初的系统设计中被忽视，但最终会限制同步系统的速度和精度。 在分配时钟和触发器时出现的两个主要问题就是偏移和抖动。

NI开发了一个正进行专利申请的技术来解决同步问题，即使用另外一个信号-时钟域来确保采样时钟信号的对齐以及触发信号的分配和接收。NI T-Clock(NI-TClk)技术具有双重目标:

• 对齐采样时钟（尽管它们已经被锁相到10 MHz参考时钟，但相位是不一定对齐的。）
• 启动同步设备的精确触发

PXI Express机箱的设计能够实现最大100 ps的槽口间偏移，适用于大多数应用。NI-TCLK技术可以将偏移降低到小于10 ps，使高速模块化仪器实现更紧密的多通道相位相干。

NI-TClk同步功能灵活且应用范围广，可以用于以下案例:

• 使用NI PXI-665x和NI PXIe-667x系统定时和控制模块，将同步从单个PXI机箱扩展至多个PXI机箱，从而满足高通道数系统的需求。
• 同相和异相同步—设备采用内部或外部采样时钟，在相同或不同的采样率下运行

NI-TClk同步的目的是使设备在同一时间内响应触发。 “同时”是指在相同采样时段内，采样时钟保持统一。 每个设备生成一个从采样时钟衍生而来的触发时钟即完成了NI-TClk同步。 触发与TClk脉冲是同步的。一个设备接受一个来自外部信源的触发，或者在内部生成一个触发，然后在一个TClk下降沿时将此信号传送给包括它自己在内的所有设备。在下一个TClk上升沿，所有的设备对触发做出反应。

欲知更多有关NI-TClk的信息和其工作原理，请参阅 针对模块化仪器定时和同步的NI T-Clock技术

用于多功能数据采集的NI-STC3定时和同步技术

NI-STC3定时和同步技术提升了NI X系列多功能DAQ设备的性能水平。 这项技术支持高级数字、定时、触发、同步、计数器/定时器和总线主控功能。

一个可重触发的任务是指每当一个特定的触发事件发生时，执行指定操作的测量任务。 之前的同步和定时技术只能够重触发计数器的操作，为其它任务提供可重触发的采样时钟，但同时也会导致代码相当复杂。 如今的NI-STC3技术可使采集和生成任务具备内在的可重触发功能。

NI-STC3技术还提供了一个更快速的100 MHz时基，取代了之前用于许多计数器应用设备上的80 MHz时基。 与之前的设备中使用的20 MHz时基相比，100 MHz时基还可用来生成模拟和数字采样或更新速率。 生成时钟的速率有了5倍的提升，现在可以极大地接近用户所要求的速度，生成任意采样率。 此外，更快的时基和改进的设备前端减少了触发和初次采样时钟沿之间的时间间隔，这将提高设备对触发的响应能力。

缓冲计数器输入功能采用NI-STC3技术，改善了之前产品在缓冲期和频率测量方面的性能。 虽然可以继续选择内置隐含的定时类型，用户现在还可以选择采样时钟。当使用采样时钟作为定时类型时，您可以通过同时对采样时钟上升沿出现之前的内部触发式时基（通过内置计数器计数）和未知的中药信号进行计算，来设置缓冲频率和周期测量。但是，采样时钟是一个您必须要指定和创建的信号。然后您可以在下一个采样时钟沿出现前，通过计数来对内部时基分频为合适的频率。

NI-STC3技术还为X系列设备上的数字I/O和可编程功能输入（PFI）线路提供了多种功能，包括可编程上电状态、看门狗定时器、事件检测和新型PFI过滤功能。

NI-STC3技术可以实现比以往更高级的模拟、数字和计数器操作。 此外，现在可以独立执行之前需要额外板载资源或编程困难的应用，且NI-DAQmx代码也更少。

利用NI-MCal实现数据采集的校准算法

NI-MCAL是一种基于软件的校准算法，可以生成三阶多项式，来纠正电压测量误差的三个来源： 偏移、增益和非线性。NI-MCal采用基于软件的测量修正方法，可以通过独特的校正多项式，优化每一个可选量程，而基于硬件的校准并不能支持该多项式。

当LabVIEW等软件调用自校函数时，NI-MCal算法就会执行。通常在现代PC中，NI-MCAL只需不到10秒就能找出非线性、增益和偏移，并且将校准多项式保存至板载EEPROM。随后的测量结果在通过应用软件返回给用户之前，会根据设备驱动软件自动校准。不同于其他的自校准方法，NI-MCal具有独特的功能，即使通道在不同的输入量程内，也可返回每一个扫描通道中校准后的数据。这是因为NI-MCal为设备上的每个输入量程都进行确定、保存以及应用校准算法。其他的自校准机制采用的是数据校正硬件组件，在一次扫描中使用多个输入量程时，不能快速加载动态校准函数以及提供足够的准确性。不同的是，NI-MCal采用了数据校正软件，可以在以最大设备速率扫描的同时，轻松地加载和应用通道特定的校正功能。

NI-MCal与其他自校准技术的不同之处还在于，除了对于扫描序列中的所有通道采用通道特定的数据校正功能之外，还修正非线性误差来完成校准。 通过消除传统用于设备纠错的硬件元器件的局限性，并利用软件和PC处理能力与速度，NI-MCal提高了测量精度标准并重新定义了设备自校准的含义。

欲知更多有关NI-MCal的信息和其工作原理，请参阅NI-MCal校准方法提高测量精度

4、选择灵活的软件开发环境

图4. 利用LabVIEW图形化编程缩短开发时间

NI PXI模块化仪器与Windows操作系统、用于需要确定性操作应用的实时操作系统和常见的Linux版本兼容，提供了设计模块化仪器系统所需的灵活性。

Windows操作系统

基于Windows的PXI系统的开发和操作与标准的基于Windows的PC相同。 因此，在基于PC和基于PXI的系统之间转换时，用户不必重写现有的应用软件或学习新的编程技术。

假如选择PXI，您可以使用NI LabVIEW（直观的图形化编程语言，测试行业的标准开发环境）或基于C语言的NI LabWindows™/CVI来减小您的开发时间，并快速地自动化您的仪器。 也可以选择其他编程语言，如Visual Studio .NET、Visual Basic和C/C++。

此外，PXI控制器可以运行基于NI TestStand等测试管理软件开发的应用。 欲知更多有关开发PXI测试架构的信息，请参阅开发模块化软件架构白皮书。

实时操作系统

除了基于Windows系统，您还可使用实时软件构架实现具有时间确定性的应用，这类应用要求确定性循环速率及无干预操作（不使用键盘、鼠标、及监测器）。 实时操作系统帮助您排列任务的优先级，确保最重要任务总是能及时得到处理，从而减少抖动。 工程师通过使用实时版本的行业标准开发环境，如LabVIEW Real-Time和LabWindows/CVI Real-Time模块，可以简化实时系统的开发。访问实时测量门户，进一步了解确定性测试。

Linux操作系统

NI还在常见的Linux版本上支持许多硬件设备，其中包括PXI模块化仪器。 访问NI Linux门户，进一步了解Linux支持信息。

测量和控制服务

NI模块化仪器具有功能强大的软件接口，例如，NI Measurement & Automation Explorer（MAX）、NI-DAQmx、虚拟仪器软件架构（VISA）、LabVIEW即插即用驱动和可互换虚拟仪器（IVI）驱动。 这种测量和控制服务软件为测试配置和编程提供了模块化硬件接口。 大部分NI模块化仪器都有软件前面板(SFPs)，可用来快速故障诊断或调试仪器。这些测试和控制服务软件包有助于在您的测试系统中省去用于特定硬件和通道的测试程序的开发，有助于代码复用。 进一步了解以下组件。

配置管理器

配置管理器，例如MAX，展现出测量硬件统一的系统视图。 借助MAX，用户可通过定义通道名称来管理信号，或通过指定尺度函数(scaling function)将数字化信号转换为测量值。 配置管理器的主要优势是与应用开发环境（ADE）的集成。 它使得开发者无需繁琐编程，即可将多种测量轻松集成到单个应用程序。 若缺少了这些配置工具，开发者只能将时间浪费在通过编程配置这些测量函数上。

仪器的连通性

将现有的传统仪器集成到测试软件架构应该利用即插即用仪器驱动和IVI等技术，以促进这些仪器间的通信并增强其可互换性。用来控制可编程仪器的即插即用仪器驱动是一系列函数，或是NI LabVIEW中的VI。 由于用户无需学习针对各台仪器的编程协议，仪器驱动在帮助用户通过计算机使用仪器设备的同时，还能节省开发时间与成本。 通过开源(open-source)和具有完整文档说明的仪器驱动，终端用户能够自定义操作，令性能更佳。

将现有的传统仪器集成到测试软件架构应该利用即插即用仪器驱动和IVI等技术，以促进这些仪器间的通信并增强其可互换性。用来控制可编程仪器的即插即用仪器驱动是一系列函数，或是NI LabVIEW中的VI。 由于用户无需学习针对各台仪器的编程协议，仪器驱动在帮助用户通过计算机使用仪器设备的同时，还能节省开发时间与成本。 通过开源(open-source)和具有完整文档说明的仪器驱动，终端用户能够自定义操作，令性能更佳。

编程工具

通过添加工具，驱动程序能够进一步提供一个易于使用的API，从而帮助系统的开发，节省时间。I/O助手是用于迅速创建测量或激励应用的交互式工具。I/O助手的一个例子是DAQ助手，它是NI-DAQmx驱动的一部分。DAQ助手向用户提供无需编程即可配置常见数据采集参数的面板。 易于使用的助手与强大的编程环境相互结合，不仅提供了快速的开发，还能够满足广泛的应用需求。

范例程序

除了上述讨论的测量和控制服务软件，所有的NI模块化仪器都附带多个范例程序。 例如，NI-DCPower是针对NI高精度直流电源，IVI兼容的仪器驱动程序，其中的范例程序既有简单的配置也有高级的扫描和监控。

图5. NI-DCPower中的范例程序

5、模块化仪器生产单元验证

NI PXI模块化仪器从设计阶段转移到大规模生产以后，NI对每个生产单元进行评估，确保它们符合规范。 每个生产出的模块化仪器都经过数小时的严格测试，以确保其一旦在目标应用中部署完成后，能够稳定地运行。 这些测试包括自动光学检测（AOI）、在线测试（ICT）、初始功能测试（IFT）、环境应力筛选（ESS）和功能验证测试（FVT）。

第一个AOI检测是将一个已知的合格产品的模型和部分方向错误或缺少部件的新产品进行比较。ICT通过测量电路板上所有测试点之间的阻值，来检查短路、来开路或插反组件。IFT检查上电顺序是否成功，从而确保产品的基本功能。ESS由温度调节测试（TCT）和高速应力筛选（HASS）组成，在此期间，电路板将被放置于一定温度环境中，同时包括非激励和激励在内的所有响应都将被监视。 这样的“燃烧”可以延续几个小时到几天的时间。 最后，生产单元经过FVT测试，所有模块化仪器都进行校准，以确保符合规范。 对于某些仪器，它们的FVT测试站每周都会进行校准，以确保测试精度。

图6. NI HASS温度控制室