概述

　　利用軟件定義的模塊化儀器，工程師能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)靈活的測試系統(tǒng)，而且能夠快速地更改這些系統(tǒng)的方案。 在市場上現(xiàn)有的1500多種PXI產(chǎn)品中，超過400種產(chǎn)品設(shè)計(jì)源自NI。 從以往的應(yīng)用案例我們可以得出，NI PXI儀器設(shè)計(jì)具有多種優(yōu)勢。本文就以下優(yōu)勢進(jìn)行驗(yàn)證：面向任意應(yīng)用的儀器、測量性能與質(zhì)量、可供選擇的軟件架構(gòu)和生產(chǎn)單元驗(yàn)證。

　　面向任意應(yīng)用的儀器

　　NI提供450多種基于PXI和PXI Express技術(shù)的模塊化儀器。 這些儀器的操作范圍從直流延伸到26.5 GHz，包括：業(yè)內(nèi)分辨率最高并結(jié)合24位分辨率的數(shù)字化儀和業(yè)內(nèi)最快也最精確的7 ?位數(shù)字萬用表(DMM)。

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　　圖1. NI模塊化儀器涵蓋從業(yè)內(nèi)分辨率最高，到業(yè)內(nèi)精度最高的產(chǎn)品

　　NI在更有效的3U空間內(nèi)，不斷拓展PXI模塊化儀器的性能。 NI PXIe-5665矢量信號分析儀(VSA)的誕生使NI的PXI平臺具備一流的射頻精度和測試速度，超越了其它行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的臺式儀器。 領(lǐng)先的測量技術(shù)的范例是NI PXIe-5186數(shù)字化儀，它由NI和世界領(lǐng)先的示波器制造商泰克?共同開發(fā)。 它是市場上性能最高的PXI數(shù)字化儀，具有5 GHz的帶寬和高達(dá)12.5 GS/s的采樣率。

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　　表1. NI模塊化儀器系列涵蓋了面向各種應(yīng)用的產(chǎn)品

　　NI不僅可提供廣泛的模塊化儀器產(chǎn)品系列，而且能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)在PXI平臺上的應(yīng)用。對于需要管理大型數(shù)據(jù)，并且同時(shí)要求靈活性和自定制的應(yīng)用，F(xiàn)PGA提供了強(qiáng)大的應(yīng)用解決方案。 NI FlexRIO向NI LabVIEW FPGA模塊提供了靈活、可定制的I/O ，幫助用戶創(chuàng)建高性能、可重新配置的儀器。 LabVIEW FPGA將LabVIEW圖形化開發(fā)平臺的目標(biāo)擴(kuò)展至FPGA。由于LabVIEW能夠清楚地表現(xiàn)并行架構(gòu)和數(shù)據(jù)流，非常適用于FPGA程序的編寫，所以用戶不論有沒有傳統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)都能高效運(yùn)用可重新配置硬件的功能。 借助于開放的、可定制的信號前端，能夠滿足測試或嵌入式系統(tǒng)的確切需求。

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　　圖2. NI FlexRIO可以讓用戶將FPGA作為應(yīng)用開發(fā)的目標(biāo)平臺，同時(shí)擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能

　　測量性能與質(zhì)量

　　NI將多個(gè)專利技術(shù)集成到這些模塊化儀器中，確保它們的性能處在業(yè)內(nèi)的最高水平，同時(shí)為一些要求較高的應(yīng)用提供可靠的測量質(zhì)量。 這些技術(shù)包括:

　　? 同步內(nèi)存核心(SMC)

　　? 用于模塊化儀器的NI-TClk定時(shí)與同步技術(shù)

　　? 用于多功能數(shù)據(jù)采集的NI-STC3定時(shí)與同步技術(shù)

　　? 用于數(shù)據(jù)采集的NI-MCal校準(zhǔn)算法

　　同步內(nèi)存核心(SMC)

　　現(xiàn)今最新的電子設(shè)計(jì)功能集成度越來高，且模擬與數(shù)字技術(shù)的交叉越來越深入。 設(shè)計(jì)、原型開發(fā)和測試這些系統(tǒng)往往涉及視頻、音頻和數(shù)據(jù)的混合，如最新一代的無線手機(jī)和機(jī)頂盒測試，都要求數(shù)字和模擬采集/生成硬件緊密集成，且它們的基帶采樣率、失真度和定時(shí)功能相互匹配。而那些時(shí)序各異且模擬性能不匹配的獨(dú)立模擬和數(shù)字儀器系統(tǒng)將不再適用。此外，由于這些儀器設(shè)備在全球各地晝夜運(yùn)行制造，對于要求穩(wěn)定的、高通量的功能測試而言，需要儀器系統(tǒng)能夠在較大的溫度范圍內(nèi)保持性能參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性。

　　NI設(shè)計(jì)了同步內(nèi)存核心(SMC)，它作為高速模塊化儀器套件的通用架構(gòu)，可以解決測試功能高度集成設(shè)備所帶來的挑戰(zhàn)。 對于集成混合信號原型及測試系統(tǒng)重要SMC特性有

　　? 靈活的輸入和輸出信號傳輸核心

　　? 最大可擴(kuò)展至每通道512 MB的高速板載內(nèi)存

　　? 精確的定時(shí)和同步引擎

　　SMC架構(gòu)的核心是一個(gè)FPGA控制器，即作為儀器“CPU”的數(shù)據(jù)流FPGA(DataStream FPGA，DSF)。它處理各種指令，接收觸發(fā)和鎖定信號，實(shí)現(xiàn)外部信號路由，以及管理儀器和上位機(jī)之間的波形傳輸。

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　　Figure 3. SMC Architecture

　　基于NI T-Clock技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊化儀器的定時(shí)和同步功能

　　由于單臺儀器上激勵(lì)/響應(yīng)通道數(shù)量有限以及/或?qū)旌闲盘柤?lì)/響應(yīng)通道的需求，許多測試和測量應(yīng)用需要多臺儀器的定時(shí)與同步。 例如，一個(gè)示波器可能最多有四個(gè)通道，而單個(gè)信號發(fā)生器最多有兩個(gè)通道。 從電子行業(yè)的混合信號測試，到科學(xué)研究中的激光光譜學(xué)等應(yīng)用，都需要用于更高的計(jì)數(shù)通道的定時(shí)和同步，和/或?qū)?shù)字輸入和輸出通道與模擬輸入和輸出通道相關(guān)。

　　PXI平臺，尤其是機(jī)箱，具有集成的定時(shí)和同步功能，能夠使PXI模塊保持一致性。 即便如此，分配時(shí)鐘和觸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)高速同步的設(shè)備仍具有挑戰(zhàn)性。在多臺測量設(shè)備之間進(jìn)行協(xié)同作用時(shí)，所造成的時(shí)間延遲和時(shí)序的不確定性會給同步造成巨大的阻礙，這一點(diǎn)在高速測試系統(tǒng)中尤其明顯。這些問題，往往在最初的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被忽視，但最終會限制同步系統(tǒng)的速度和精度。 在分配時(shí)鐘和觸發(fā)器時(shí)出現(xiàn)的兩個(gè)主要問題就是偏移和抖動。

　　NI開發(fā)了一個(gè)正進(jìn)行專利申請的技術(shù)來解決同步問題，即使用另外一個(gè)信號-時(shí)鐘域來確保采樣時(shí)鐘信號的對齊以及觸發(fā)信號的分配和接收。 NI T-Clock(NI-TClk)技術(shù)具有雙重目標(biāo):

　　? 對齊采樣時(shí)鐘(盡管它們已經(jīng)被鎖相到10 MHz參考時(shí)鐘，但相位是不一定對齊的。)

　　? 啟動同步設(shè)備的精確觸發(fā)

　　PXI Express機(jī)箱的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)最大100 ps的槽口間偏移，適用于大多數(shù)應(yīng)用。 NI-TCLK技術(shù)可以將偏移降低到小于10 ps，使高速模塊化儀器實(shí)現(xiàn)更緊密的多通道相位相干。

　　NI-TClk同步功能靈活且應(yīng)用范圍廣，可以用于以下案例:

　　? 使用NI PXI-665x和NI PXIe-667x系統(tǒng)定時(shí)和控制模塊，將同步從單個(gè)PXI機(jī)箱擴(kuò)展至多個(gè)PXI機(jī)箱，從而滿足高通道數(shù)系統(tǒng)的需求。

　　? 同相和異相同步—設(shè)備采用內(nèi)部或外部采樣時(shí)鐘，在相同或不同的采樣率下運(yùn)行

　　NI-TClk同步的目的是使設(shè)備在同一時(shí)間內(nèi)響應(yīng)觸發(fā)。 “同時(shí)”是指在相同采樣時(shí)段內(nèi)，采樣時(shí)鐘保持統(tǒng)一。 每個(gè)設(shè)備生成一個(gè)從采樣時(shí)鐘衍生而來的觸發(fā)時(shí)鐘即完成了NI-TClk同步。 觸發(fā)與TClk脈沖是同步的。一個(gè)設(shè)備接受一個(gè)來自外部信源的觸發(fā)，或者在內(nèi)部生成一個(gè)觸發(fā)，然后在一個(gè)TClk下降沿時(shí)將此信號傳送給包括它自己在內(nèi)的所有設(shè)備。在下一個(gè)TClk上升沿，所有的設(shè)備對觸發(fā)做出反應(yīng)。

　　用于多功能數(shù)據(jù)采集的NI-STC3定時(shí)和同步技術(shù)

　　NI-STC3定時(shí)和同步技術(shù)提升了NI X系列多功能DAQ設(shè)備的性能水平。 這項(xiàng)技術(shù)支持高級數(shù)字、定時(shí)、觸發(fā)、同步、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和總線主控功能。

　　一個(gè)可重觸發(fā)的任務(wù)是指每當(dāng)一個(gè)特定的觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，執(zhí)行指定操作的測量任務(wù)。 之前的同步和定時(shí)技術(shù)只能夠重觸發(fā)計(jì)數(shù)器的操作，為其它任務(wù)提供可重觸發(fā)的采樣時(shí)鐘，但同時(shí)也會導(dǎo)致代碼相當(dāng)復(fù)雜。 如今的NI-STC3技術(shù)可使采集和生成任務(wù)具備內(nèi)在的可重觸發(fā)功能。

　　NI-STC3技術(shù)還提供了一個(gè)更快速的100 MHz時(shí)基，取代了之前用于許多計(jì)數(shù)器應(yīng)用設(shè)備上的80 MHz時(shí)基。 與之前的設(shè)備中使用的20 MHz時(shí)基相比，100 MHz時(shí)基還可用來生成模擬和數(shù)字采樣或更新速率。 生成時(shí)鐘的速率有了5倍的提升，現(xiàn)在可以極大地接近用戶所要求的速度，生成任意采樣率。 此外，更快的時(shí)基和改進(jìn)的設(shè)備前端減少了觸發(fā)和初次采樣時(shí)鐘沿之間的時(shí)間間隔，這將提高設(shè)備對觸發(fā)的響應(yīng)能力。

　　緩沖計(jì)數(shù)器輸入功能采用NI-STC3技術(shù)，改善了之前產(chǎn)品在緩沖期和頻率測量方面的性能。 雖然可以繼續(xù)選擇內(nèi)置隱含的定時(shí)類型，用戶現(xiàn)在還可以選擇采樣時(shí)鐘。當(dāng)使用采樣時(shí)鐘作為定時(shí)類型時(shí)，您可以通過同時(shí)對采樣時(shí)鐘上升沿出現(xiàn)之前的內(nèi)部觸發(fā)式時(shí)基(通過內(nèi)置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù))和未知的中藥信號進(jìn)行計(jì)算，來設(shè)置緩沖頻率和周期測量。但是，采樣時(shí)鐘是一個(gè)您必須要指定和創(chuàng)建的信號。然后您可以在下一個(gè)采樣時(shí)鐘沿出現(xiàn)前，通過計(jì)數(shù)來對內(nèi)部時(shí)基分頻為合適的頻率。

　　NI-STC3技術(shù)還為X系列設(shè)備上的數(shù)字I/O和可編程功能輸入(PFI)線路提供了多種功能，包括可編程上電狀態(tài)、看門狗定時(shí)器、事件檢測和新型PFI過濾功能。

　　NI-STC3技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比以往更高級的模擬、數(shù)字和計(jì)數(shù)器操作。 此外，現(xiàn)在可以獨(dú)立執(zhí)行之前需要額外板載資源或編程困難的應(yīng)用，且NI-DAQmx代碼也更少。

　　利用NI-MCal實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的校準(zhǔn)算法

　　NI-MCAL是一種基于軟件的校準(zhǔn)算法，可以生成三階多項(xiàng)式，來糾正電壓測量誤差的三個(gè)來源： 偏移、增益和非線性。 NI-MCal采用基于軟件的測量修正方法，可以通過獨(dú)特的校正多項(xiàng)式，優(yōu)化每一個(gè)可選量程，而基于硬件的校準(zhǔn)并不能支持該多項(xiàng)式。

　　當(dāng)LabVIEW等軟件調(diào)用自校函數(shù)時(shí)，NI-MCal算法就會執(zhí)行。 通常在現(xiàn)代PC中，NI-MCAL只需不到10秒就能找出非線性、增益和偏移，并且將校準(zhǔn)多項(xiàng)式保存至板載EEPROM。 隨后的測量結(jié)果在通過應(yīng)用軟件返回給用戶之前，會根據(jù)設(shè)備驅(qū)動軟件自動校準(zhǔn)。 不同于其他的自校準(zhǔn)方法，NI-MCal具有獨(dú)特的功能，即使通道在不同的輸入量程內(nèi)，也可返回每一個(gè)掃描通道中校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)镹I-MCal為設(shè)備上的每個(gè)輸入量程都進(jìn)行確定、保存以及應(yīng)用校準(zhǔn)算法。 其他的自校準(zhǔn)機(jī)制采用的是數(shù)據(jù)校正硬件組件，在一次掃描中使用多個(gè)輸入量程時(shí)，不能快速加載動態(tài)校準(zhǔn)函數(shù)以及提供足夠的準(zhǔn)確性。 不同的是，NI-MCal采用了數(shù)據(jù)校正軟件，可以在以最大設(shè)備速率掃描的同時(shí)，輕松地加載和應(yīng)用通道特定的校正功能。

　　NI-MCal與其他自校準(zhǔn)技術(shù)的不同之處還在于，除了對于掃描序列中的所有通道采用通道特定的數(shù)據(jù)校正功能之外，還修正非線性誤差來完成校準(zhǔn)。 通過消除傳統(tǒng)用于設(shè)備糾錯(cuò)的硬件元器件的局限性，并利用軟件和PC處理能力與速度，NI-MCal提高了測量精度標(biāo)準(zhǔn)并重新定義了設(shè)備自校準(zhǔn)的含義。

　　選擇靈活的軟件開發(fā)環(huán)境

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　　圖4. 利用LabVIEW圖形化編程縮短開發(fā)時(shí)間

　　NI PXI模塊化儀器與Windows操作系統(tǒng)、用于需要確定性操作應(yīng)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和常見的Linux版本兼容，提供了設(shè)計(jì)模塊化儀器系統(tǒng)所需的靈活性。

　　Windows操作系統(tǒng)

　　基于Windows的PXI系統(tǒng)的開發(fā)和操作與標(biāo)準(zhǔn)的基于Windows的PC相同。 因此，在基于PC和基于PXI的系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，用戶不必重寫現(xiàn)有的應(yīng)用軟件或?qū)W習(xí)新的編程技術(shù)。

　　假如選擇PXI，您可以使用NI LabVIEW(直觀的圖形化編程語言，測試行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)環(huán)境)或基于C語言的NI LabWindows?/CVI來減小您的開發(fā)時(shí)間，并快速地自動化您的儀器。 也可以選擇其他編程語言，如Visual Studio .NET、Visual Basic和C/C++。

　　此外，PXI控制器可以運(yùn)行基于NI TestStand等測試管理軟件開發(fā)的應(yīng)用。 欲知更多有關(guān)開發(fā)PXI測試架構(gòu)的信息，請參閱開發(fā)模塊化軟件架構(gòu)白皮書。

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　除了基于Windows系統(tǒng)，您還可使用實(shí)時(shí)軟件構(gòu)架實(shí)現(xiàn)具有時(shí)間確定性的應(yīng)用，這類應(yīng)用要求確定性循環(huán)速率及無干預(yù)操作(不使用鍵盤、鼠標(biāo)、及監(jiān)測器)。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)幫助您排列任務(wù)的優(yōu)先級，確保最重要任務(wù)總是能及時(shí)得到處理，從而減少抖動。 工程師通過使用實(shí)時(shí)版本的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)環(huán)境，如LabVIEW Real-Time和LabWindows/CVI Real-Time模塊，可以簡化實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā)。訪問實(shí)時(shí)測量門戶，進(jìn)一步了解確定性測試。

　　Linux操作系統(tǒng)

　　NI還在常見的Linux版本上支持許多硬件設(shè)備，其中包括PXI模塊化儀器。 訪問NI Linux門戶，進(jìn)一步了解Linux支持信息。

　　測量和控制服務(wù)

　　NI模塊化儀器具有功能強(qiáng)大的軟件接口，例如，NI Measurement & Automation Explorer(MAX)、NI-DAQmx、虛擬儀器軟件架構(gòu)(VISA)、LabVIEW即插即用驅(qū)動和可互換虛擬儀器(IVI)驅(qū)動。 這種測量和控制服務(wù)軟件為測試配置和編程提供了模塊化硬件接口。 大部分NI模塊化儀器都有軟件前面板(SFPs)，可用來快速故障診斷或調(diào)試儀器。這些測試和控制服務(wù)軟件包有助于在您的測試系統(tǒng)中省去用于特定硬件和通道的測試程序的開發(fā)，有助于代碼復(fù)用。 進(jìn)一步了解以下組件。

　　配置管理器

　　配置管理器，例如MAX，展現(xiàn)出測量硬件統(tǒng)一的系統(tǒng)視圖。 借助MAX，用戶可通過定義通道名稱來管理信號，或通過指定尺度函數(shù)(scaling function)將數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換為測量值。 配置管理器的主要優(yōu)勢是與應(yīng)用開發(fā)環(huán)境(ADE)的集成。 它使得開發(fā)者無需繁瑣編程，即可將多種測量輕松集成到單個(gè)應(yīng)用程序。 若缺少了這些配置工具，開發(fā)者只能將時(shí)間浪費(fèi)在通過編程配置這些測量函數(shù)上。

　　儀器的連通性

　　?將現(xiàn)有的傳統(tǒng)儀器集成到測試軟件架構(gòu)應(yīng)該利用即插即用儀器驅(qū)動和IVI等技術(shù)，以促進(jìn)這些儀器間的通信并增強(qiáng)其可互換性。用來控制可編程儀器的即插即用儀器驅(qū)動是一系列函數(shù)，或是NI LabVIEW中的VI。 由于用戶無需學(xué)習(xí)針對各臺儀器的編程協(xié)議，儀器驅(qū)動在幫助用戶通過計(jì)算機(jī)使用儀器設(shè)備的同時(shí)，還能節(jié)省開發(fā)時(shí)間與成本。 通過開源(open-source)和具有完整文檔說明的儀器驅(qū)動，終端用戶能夠自定義操作，令性能更佳。

　　?將現(xiàn)有的傳統(tǒng)儀器集成到測試軟件架構(gòu)應(yīng)該利用即插即用儀器驅(qū)動和IVI等技術(shù)，以促進(jìn)這些儀器間的通信并增強(qiáng)其可互換性。用來控制可編程儀器的即插即用儀器驅(qū)動是一系列函數(shù)，或是NI LabVIEW中的VI。 由于用戶無需學(xué)習(xí)針對各臺儀器的編程協(xié)議，儀器驅(qū)動在幫助用戶通過計(jì)算機(jī)使用儀器設(shè)備的同時(shí)，還能節(jié)省開發(fā)時(shí)間與成本。 通過開源(open-source)和具有完整文檔說明的儀器驅(qū)動，終端用戶能夠自定義操作，令性能更佳。

　　編程工具

　　通過添加工具，驅(qū)動程序能夠進(jìn)一步提供一個(gè)易于使用的API，從而幫助系統(tǒng)的開發(fā)，節(jié)省時(shí)間。 I/O助手是用于迅速創(chuàng)建測量或激勵(lì)應(yīng)用的交互式工具。I/O助手的一個(gè)例子是DAQ助手，它是NI-DAQmx驅(qū)動的一部分。 DAQ助手向用戶提供無需編程即可配置常見數(shù)據(jù)采集參數(shù)的面板。 易于使用的助手與強(qiáng)大的編程環(huán)境相互結(jié)合，不僅提供了快速的開發(fā)，還能夠滿足廣泛的應(yīng)用需求。

　　范例程序

　　除了上述討論的測量和控制服務(wù)軟件，所有的NI模塊化儀器都附帶多個(gè)范例程序。 例如，NI-DCPower是針對NI高精度直流電源，IVI兼容的儀器驅(qū)動程序，其中的范例程序既有簡單的配置也有高級的掃描和監(jiān)控。

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　　圖5. NI-DCPower中的范例程序

　　模塊化儀器生產(chǎn)單元驗(yàn)證

　　NI PXI模塊化儀器從設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)移到大規(guī)模生產(chǎn)以后，NI對每個(gè)生產(chǎn)單元進(jìn)行評估，確保它們符合規(guī)范。 每個(gè)生產(chǎn)出的模塊化儀器都經(jīng)過數(shù)小時(shí)的嚴(yán)格測試，以確保其一旦在目標(biāo)應(yīng)用中部署完成后，能夠穩(wěn)定地運(yùn)行。 這些測試包括自動光學(xué)檢測(AOI)、在線測試(ICT)、初始功能測試(IFT)、環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS)和功能驗(yàn)證測試(FVT)。

　　第一個(gè)AOI檢測是將一個(gè)已知的合格產(chǎn)品的模型和部分方向錯(cuò)誤或缺少部件的新產(chǎn)品進(jìn)行比較。ICT通過測量電路板上所有測試點(diǎn)之間的阻值，來檢查短路、來開路或插反組件。 IFT檢查上電順序是否成功，從而確保產(chǎn)品的基本功能。 ESS由溫度調(diào)節(jié)測試(TCT)和高速應(yīng)力篩選(HASS)組成，在此期間，電路板將被放置于一定溫度環(huán)境中，同時(shí)包括非激勵(lì)和激勵(lì)在內(nèi)的所有響應(yīng)都將被監(jiān)視。 這樣的“燃燒”可以延續(xù)幾個(gè)小時(shí)到幾天的時(shí)間。 最后，生產(chǎn)單元經(jīng)過FVT測試，所有模塊化儀器都進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保符合規(guī)范。 對于某些儀器，它們的FVT測試站每周都會進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測試精度。

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　　圖6. NI HASS溫度控制室