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美國國家儀器公司（簡稱NI）近期推出了新一代多功能數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品X系列數(shù)據(jù)采集卡(圖1)，也是該類別的第三代產(chǎn)品。多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備作為NI最重要的產(chǎn)品之一，歷來備受關(guān)注。第二代M系列推出時(shí)曾經(jīng)引起過巨大轟動，其功能和特性較第一代E系列有著顯著地提升，至今多年過去仍然保持著很好的銷量和口碑，滿足著測試行業(yè)各式各樣的需求，成就了一代輝煌。那么X系列是否能將M系列的優(yōu)勢延續(xù)下去？能否在日益激烈的市場競爭下繼續(xù)保持同類產(chǎn)品的領(lǐng)先地位，滿足更多的測量需求？和M系列相比又有了哪些性能上的提升呢？
圖1 X系列多功能數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品
PCIe總線
M系列產(chǎn)品中，總線類型既有PCI也有PCIe，其中PCI種類更多；而在X系列中只有PCIe總線產(chǎn)品，不再提供支持PCI總線的產(chǎn)品。PCI(Peripheral Component Interconnect)總線是英特爾（Intel）公司1991年推出的用于定義局部總線的標(biāo)準(zhǔn)，是目前使用較多的內(nèi)部總線之一。最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬為133MB/s(33MHz*32bit/s)，目前理論帶寬最多可達(dá)到1G。 PCI Express則是近年發(fā)布的一種總線結(jié)構(gòu)，采用了點(diǎn)對點(diǎn)串行連接，比起PCI的共享并行架構(gòu)，可以讓每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率，以達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬。相對于傳統(tǒng)PCI總線在單一時(shí)間周期內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)單向傳輸，PCIe的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質(zhì)量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。PCIe連接的每條線路包含兩對導(dǎo)線，其中一對用于發(fā)送，另一對用于接收。數(shù)據(jù)包以每周期一位的速度在線路間傳輸。×1連接，即最小的PCIe連接，有一條由四根導(dǎo)線組成的線路。各方向上每周期都傳輸一位。×2鏈接包含八根導(dǎo)線，一次傳輸兩位，×4鏈接傳輸四位，以此類推。其他配置還有×12、×16和×32。X系列PCIe板卡屬于×1連接（圖2）。
圖2 PCIe連接器示例
PCIe總線主要優(yōu)勢就是數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前速度最高可以達(dá)到10GB/s以上，而且還有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿ΑＶ靼迳a(chǎn)的成本上，使用PCIe也低于PCI，且PCIe和PCI完全兼容，適用于當(dāng)前的操作系統(tǒng)，所以不遠(yuǎn)的將來PCIe必將取代PCI成為新一代通用總線接口，而X系列依然可以適用于新一代的PC主板（圖3）。X系列PCIe產(chǎn)品的帶寬為250M/s。
更高的采樣率和精度
X系列PCIe總線的產(chǎn)品依然選擇了所有AI通道復(fù)用一個(gè)ADC的工作方式，多通道輪詢采集節(jié)約了用戶的成本。在進(jìn)行多通道切換時(shí)，X系列產(chǎn)品ADC的穩(wěn)定時(shí)間只有M系列的五分之一，即僅為10ns，甚至可以滿足一些要求不高的同步采集。
眾所周知，數(shù)據(jù)采集卡的絕對精度不僅僅等同于分辨率，還和偏置誤差，增益誤差等多個(gè)參數(shù)有關(guān)。X系列使用的ADC分辨率仍然為16位，但各量程的精度和M系列同樣分辨率的產(chǎn)品相比卻有大幅提升，使得測試可以更加精確。下面表1和表2給出了M系列和X系列中同級別板卡的精度對比。
X系列產(chǎn)品采樣率也提供了更多的選擇范圍，16位分辨率產(chǎn)品單通道采樣率可選擇250K，500K，1.25M和2M（表3）。其他模擬輸入性能上，X系列共模抑制比也有所提升，和計(jì)算機(jī)傳遞數(shù)據(jù)默認(rèn)采樣DMA方式，并不再支持中斷方式。一切細(xì)節(jié)變化均是為了使板卡達(dá)到更好的性能，滿足越來越高的測試要求。
表3 X系列PCIe產(chǎn)品(采樣率為單通道采集時(shí)可達(dá)到的最高采樣率)
X系列AO對比M系列同級別產(chǎn)品，更新率均有提升，有900K和2.86M兩種可以選擇，DAC的穩(wěn)定時(shí)間也由原來的50ns提高到10ns。另外，X系列產(chǎn)品對過電流保護(hù)以及上電斷電出現(xiàn)毛刺的保護(hù)也都做了改善。
X系列產(chǎn)品AI和AO都有1路DMA通道負(fù)責(zé)與PC之間的數(shù)據(jù)傳遞。
NI STC3芯片
X系列在數(shù)字I/O和Counter的功能上有了很大提升，主要是因?yàn)槭褂昧诵乱淮南到y(tǒng)定時(shí)控制芯片NI STC3。
板載時(shí)基對于數(shù)據(jù)采集卡來說尤為重要，內(nèi)部定時(shí)設(shè)置采樣率需要板載時(shí)基生成時(shí)鐘頻率，設(shè)置觸發(fā)信號需要板載時(shí)基鎖定數(shù)字邊沿。NI STC3技術(shù)使用100MHz時(shí)基，可以對模擬任務(wù)和數(shù)字任務(wù)設(shè)置定時(shí)，速度是M系列卡的5倍，這意味著采樣率可以精確5倍，一次觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到10ns。
M系列所使用的STC2芯片提供了2個(gè)32位，80MHz的Counter，可以測量TTL脈沖信號的各種信息，如周期、頻率、邊沿間隔等，以及生成脈沖。NI STC2還是一款直接支持正交編碼器的芯片，可直接將編碼器的A,B,Z連接到計(jì)數(shù)器的Source,AUX,Gate口，通過配置參數(shù)直接讀取角度或位移信息，十分方便。NI STC3的功能在STC2上更進(jìn)一步，提供了4個(gè)32位，100MHz的增強(qiáng)型Counter。每個(gè)增強(qiáng)型Counter通過一個(gè)內(nèi)部嵌入式Counter，甚至可以完成過去M系列產(chǎn)品2個(gè)Counter才能完成的工作（圖4）。比如控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要生成一個(gè)有限點(diǎn)的數(shù)字脈沖，在M系列產(chǎn)品中我們使用1個(gè)Counter連續(xù)生成脈沖，另一個(gè)則控制第一個(gè)Counter的Gate信號決定何時(shí)送到電機(jī)。而X系列產(chǎn)品中單個(gè)Counter就可以完成這個(gè)任務(wù)，這就意味著一塊X系列卡可以同時(shí)控制4臺步進(jìn)電機(jī)。同樣，X系列板產(chǎn)品每個(gè)Counter都有一路專用的DMA通道負(fù)責(zé)和PC之間的數(shù)據(jù)傳遞，無需占用CPU資源。
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