NI数据采集设备技术总览

NI数据采集设备技术总览

M系列技术

NI M系列设备为定时、性能和精度整合了三种主要技术：NI-STC 2、NI-PGIA 2和NI-MCal。NI USB M系列设备在USB总线上提供了高性能信号流特性。所有工业M系列设备和部分选定的USB M系列设备都带有设备保护和去除接地回路的隔离。

NI-STC 2

NI-STC 2是自定义设计的专用集成电路（ASIC），能够控制系统的定时、同步和所有输入输出数据采集操作。NI-STC 2提供了：

• 6个DMA通道——为每个功能提供了专用DMA控制器

• 带有时钟的数字I/O线（高达10 MHz）

• 带有编码兼容性的32位计数器/定时器

• 为多设备间同步提供RTSI总线信号的发生和布线

• 提供内部和外部定时信号的发生和布线

• 用于时钟同步的PLL

NI-PGIA 2

为了确保测量精度，NI为M系列设备设计了定制的NI-PGIA 2技术。每个M系列设备上的NI-PGIA 2都为成本、速度和精度进行了优化。举例而言，高精度M系列家族的NI-PGIA 2为18位快速稳定、低噪声和高线性性进行了优化。NI-PGIA 2技术通过减少稳定时间、维持设备最大采样速率下的指定分辨率，从而提高了设备精度。

NI-MCal

M系列设备还包含NI-MCal技术，这是一个正在申请专利的线性与校准引擎，它能够对数千个电平和所有输入范围进行校准。NI-MCal将脉冲宽 度调制（PWM）和高精度电压参照结合在一起使用。PWM的占空比用于改变电平，因此自校准可以在多个点上进行。校准常数被生成并存储在板载EEPROM 上，以便对ADC的非线性性进行建模，改正将来的测量。与传统的两点校准相比，NI-MCal技术的应用将测量精度提高了五倍。此外，在大多数M系列设备 上改进的精度参照使得建议的校准间隔从一年延长到两年，降低了设备的维护成本。

信号流

为了在USB M系列设备上进行高性能数据采集，NI设计了NI数据流技术。NI数据流将创新的硬件和软件设计元素整合在一起，在USB总线上实现了持续高速和双向数据 流传输。这项新技术帮助工程师在USB总线上实现了高性能应用，而这在过去只可能在PCI等内部总线上才能实现。

隔离

电气隔离将可能会受到危险电压影响的模拟输入信号与测量系统的低电压背板进行隔离。NI在工业M系列设备和部分选定的总线供电的USB M设备上提供了隔离。隔离能够带来以下好处：

• 保护昂贵的仪器、用户和数据免受瞬态大电压的危害

• 改进噪声抑止

• 去除接地回路

• 改进共模电压抑止

隔离测量系统提供了隔离接地面板，以便让模拟前端和系统背板能够将传感器测量与系统其他部分进行隔离。隔离前端接地连接是一个浮动管脚，能够在与物 理地不同的电势下工作。图1显示了模拟电压测量设备。任何在传感器地和测量系统地之间存在的共模电压都得到了抑止。这样就防止接地回路的形成，去除了来自 输入信号的噪声。

图1：隔离将浮动前端和测量设备与低电压后端进行了物理上和电气上的隔离。

S系列技术

大多数数据采集设备都是通过一个模拟数字转换器（ADC）与多路复用器从而提供多通道模拟采样。尽管这样可以让厂商以更低的成本制造高通道数的数据 采集设备，但是在所有采样通道之间共享同一个模拟数字转换器，每个通道的采样速率会降低。例如，对于一个具有16个通道能够以250 kS/s进行采样的多路复用设备而言，采样速率是每通道15.625 kS/s（250 kS/s除以16个通道）。

由于使用了多路复用器，在每个模拟输入（AI）通道被采样之后都会出现一个小小的延迟。这对于大多数应用而言是可以接受的，但是一些应用需要保持模拟输入之间的相位关系。

图2：多路复用数据采集设备在多个模拟输入通道之间使用同一个模拟数字转换器

对比而言，NI的S系列设备为每个通道提供了专用模拟数字转换器，它提供了以下好处：

• 模拟输入的同步采样

• 大大提高了总采样速率

• 在进行多通道采集的情况下提供了每个通道更高的采样速率

• 保持输入信号的相位关系

图3：同步数据采集设备的每个模拟输入通道都带有专用模拟数字转换器（图中显示了一个通道）

R系列智能数据采集技术

NI 的R系列设备并没有使用一块固定的ASIC进行设备功能的控制，它使用了一块不同大小的用户可配置的现场可编程门阵列（FPGA）芯片，提供了板载处理和灵活的I/O操作。

您可以使用LabVIEW FPGA模块，通过建立NI LabVIEW程序框图对FPGA进行配置。您的程序框图在硬件中运行，为您提供了对所有I/O信号直接的快捷控制。

在最高层次上看，FPGA是可编程的硅芯片。使用预先建立好的逻辑模块和可编程布线资源，您可以配置这些芯片实现自定义的硬件功能，而无需学习面包 板或电烙铁的使用。您可以在软件中开发数字计算任务，然后将它们编译下载到配置文件或包含信息的二进制流中，控制各个组件应该如何相互工作。此 外，FPGA还是完全可重复配置的，在您重新编译一个不同的电路配置之后，就可以立即实现全新的功能。

图4：您可以通过使用LabVIEW FPGA模块编写图形化代码来配置FPGA