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NI——什么是X系列?

摘要： X系列設備是美國國家儀器公司設計至今最高級的多功能數據采集(DAQ)設備。其增強特性可滿足最苛刻的測量、測試和控制應用。 X系列設備可采用USB、PCI Express和PXI Express總線，每種設備都包含模擬I/O、數字I/O和4個32位計時器/定時器。

關鍵詞： 傳感器與數據采集數據采集 DAQ USB PCIe PXI

Abstract：

Key words :

X系列設備是美國國家儀器公司設計至今最高級的多功能數據采集(DAQ)設備。其增強特性可滿足最苛刻的測量、測試和控制應用。

X系列設備可采用USB、PCI Express和PXI Express總線，每種設備都包含模擬I/O、數字I/O和4個32位計時器/定時器。

X系列設備將基于PC的多功能I/O的性能提升至新高度。設備包含了NI-STC3定時與同步技術、針對USB的NI信號流技術和本地 PCI Express接口以及針對多核處理器的驅動軟件。

產品概述

圖1. NI提供面向USB、PCI Express和PXI Express的X系列設備

NI提供了各類X系列設備，從低成本到高速同步采樣。表1總結了用戶可選擇的型號及其主要規格。

型號	模擬輸入	最大AI 采樣率	總體AI 吞吐率 (所有通道)	模擬輸出	數字 I/O	DIO 最大時鐘頻率
NI USB-6341	16	500 kS/s	500 kS/s	2	24	1 MHz
NI USB-6343	32	500 kS/s	500 kS/s	4	48	1 MHz
NI USB-6351	16	1.25 MS/s	1 MS/s	2	24	10 MHz
NI USB-6353	32	1.25 MS/s	1 MS/s	4	48	10 MHz
NI USB-6361	16	2 MS/s	1 MS/s	2	24	10 MHz
NI USB-6363	32	2 MS/s	1 MS/s	4	48	10 MHz
NI USB-6356	8 路同步	1.25 MS/s/ch	10 MS/s	2	24	10 MHz
NI USB-6366	8 路同步	2 MS/s/ch	16 MS/s	2	24	10 MHz
NI PCIe-6320	16	250 kS/s	250 kS/s	0	24	1 MHz
NI PCIe-6321	16	250 kS/s	250 kS/s	2	24	1 MHz
NI PCIe-6323	32	250 kS/s	250 kS/s	4	48	1 MHz
NI PCIe-6341	16	500 kS/s	500 kS/s	2	24	1 MHz
NI PCIe-6343	32	500 kS/s	500 kS/s	4	48	1 MHz
NI PCIe-6351	16	1.25 MS/s	1 MS/s	2	24	10 MHz
NI PCIe-6353	32	1.25 MS/s	1 MS/s	4	48	10 MHz
NI PCIe-6361	16	2 MS/s	1 MS/s	2	24	10 MHz
NI PCIe-6363	32	2 MS/s	1 MS/s	4	48	10 MHz
NI PXIe-6341	16	500 kS/s	500 kS/s	2	24	1 MHz
NI PXIe-6361	16	2 MS/s	1 MS/s	2	24	10 MHz
NI PXIe-6363	32	2 MS/s	1 MS/s	4	48	10 MHz
NI PXIe-6356	8 路同步	1.25 MS/s/ch	10 MS/s	2	24	10 MHz
NI PXIe-6358	16 路同步	1.25 MS/s/ch	20 MS/s	4	48	10 MHz
NI PXIe-6366	8 路同步	2 MS/s/ch	16 MS/s	2	24	10 MHz
NI PXIe-6368	16 路同步	2 MS/s/ch	32 MS/s	4	48	10 MHz

表1. 您擁有眾多通道數、采樣率和總線選項

為您的應用選擇合適的總線

對于應用選型來說，您需要考慮幾個因素。例如，對于需要便攜性和即插即用功能的應用，USB是理想的選擇。PCI Express和PXI Express提供了簡單的多設備同步和最高速的帶寬和最低的延遲。

表2總結了在選擇USB還是PCI Express或PXI Express時需要考慮的一些重要因素。

	USB	PCI Express 和 PXI Express
NI-STC3 技術
并發模擬、數字和計數器選項
便攜性		–
即插即用		–
集成信號連結性		–
高帶寬	–
低延時	–
支持LabVIEW Real-Time	–
多設備同步	–

表2. 在USB和PCI Express或PXI Express之間選型時考慮的重要因素

X系列技術

為了拓展多功能設備的功能性和靈活性，使其遠遠超越過去的產品，X系列設備集成了三項主要技術：

1. NI-STC3定時和同步技術

2. 面向USB和PCI Express/PXI Express的高速總線接口

3. 并行軟件執行

NI-STC3 定時及同步技術

所有多功能數據采集硬件都通過板載定時電路控制模擬、數字和計數器I/O線；定時ASIC技術的演變已逾數十年。X系列DAQ家族融入可提供4個改進式計數器的新型NI-STC3技術、100 MHz時基，以及其它針對I/O定時和觸發的功能。

4個改進式計數器

新型NI-STC3技術進一步拓展了計數器通道，可提供4個具有32位分辨率的100 MHz計數器。不僅單一X系列設備具有4個計數器，而且以前需要2個計數器的操作現在都能通過單一計數器通道實現。舉例來說，您正在控制步進電機時，往往就需要生成數量有限的數字脈沖；過去，這需要使用一個計數器連續生成脈沖并使用另一個計數器為這些傳送至電機的脈沖加門限信號。單個NI-STC3計數器即可完成該任務，即：單一X系列設備可控制最多4個步進電機。

100 MHz時基

各款數據采集設備的板載時基，是驅動所有數字電路的心臟。從采樣時鐘至觸發線的各類應用，均使用此時基作為板載參考，繼而生成時鐘頻率并鎖存數字邊緣。NI-STC3技術使用新型100 MHz時基實現各類模擬和數字定時，速率比之前發行的各類NI DAQ設備快5倍。這意味著：采樣頻率的精度是先前的5倍，而且模擬觸發器能夠在觸發條件滿足時于10 ns內作出響應。

獨立定時引擎, 針對模擬和數字I/O

數據采集設備的高級定時和觸發功能，經常需要通過板載計數器和復雜信號路由獲得特定的硬件定時性能。NI-STC3技術為多功能設備上的各類I/O，提供完全獨立的采樣時鐘和觸發。舉例來說，可重觸發式采集需要等待觸發條件得到滿足，采獲數量有限的樣本，再立即重新裝配觸發器準備新一輪采樣。使用驅動軟件函數來重新裝配觸發器又有可能因軟件延遲而錯過新一輪觸發；因此，獲得最佳性能可能需要硬件定時方式。過去，計數器是執行硬件定時重觸發的唯一途徑；計數器生成的可重觸發脈沖序列被內部路由并作為模擬輸入采樣時鐘。

同時，結合新型X系列DAQ板卡提供的NI-STC3技術，模擬通道不再需要使用計數器執行可重觸發式采集，觸發器也能獨立對自身進行重新裝配而無需軟件干預。新型獨立定時功能的另一典型范例是新型專用時鐘，它能夠采集或生成硬件定時的數字波形。

高速總線接口

X系列設備針對高吞吐率應用集成了多項增強功能，即需要從設備和PC內存傳輸或接受大量數據的應用。USB X系列設備包含了NI信號流技術。PCI Express和PXI Express X系列設備包含PCI Express本地接口，實現最大吞吐率和低延遲。

專利NI信號流技術

USB X系列設備包含專利的NI信號流技術，它采用基于消息的傳輸和設備端智能來確保USB上的高速雙向數據傳輸。

圖2. USB X系列包含NI-STC3技術用于高級定時和觸發，以及NI信號流技術可最大化USB總線吞吐率。

利用該技術，NI能夠首次在多功能USB設備上實現兩臺設備的同步采集，兩臺設備8條模擬輸入的采樣率分別為1.25 MS/s和2 MS/s，并包含32或64 MS的板載內存。所有通道上的高采樣率使該設備成為便攜式超聲波測試和瞬態記錄應用的理想選擇。此類設備的長期運行取決于主機PC、采樣率和通道數。

本地PCI Express接口

隨著PCI Express的引入以及它融入PXI Express標準，測量系統中曾經存在的數據瓶頸逐漸消失。不同于提供132 MB/s共享帶寬的PCI，PCI Express可向各款設備提供專用串行通道，而且各個方向上的理論帶寬達250 MB/s。

某些數據采集設備通過橋接器的方式將PCI設計轉換為PCI Express，這樣得到的帶寬與PCI相同并加入了時延。相反，NI X系列自行提供配有完整PCI Express帶寬的x1（“乘1”） PCI Express和PXI Express接口。面向PCI Express的X系列可在PCI Express插槽中使用，從x1直至x16。

圖3. 面向PCI Express的X系列可在各類PCI Express插槽中使用，從x1到x16.

此外，X系列包含8條DMA通道，無需CPU交互或另行編程，即可在設備和PC內存之間直接讀寫數據。這8條通道提供的并行數據讀寫，針對模擬I/O、數字I/O和全部4個計數器/定時器。可容納127個樣本的擴展型FIFO面向全部4個32位計數器，現在能夠以遠高于先前設備的速度執行緩沖式定時器操作（如：事件計數或生成PWM輸出）。

與大多數內部總線相同，PCI Express極低的延遲非常適合封閉循環控制應用程序。X系列設備還拓展了設備中所有子系統的硬件定時型單點執行性能。

多核PC上的并行處理

若要充分利用DAQ設備上的并行硬件子系統，您需要借助高性能驅動程序和應用軟件。

NI-DAQmx作為面向X系列的驅動軟件，為各類信號測量和生成提供簡單、一致的API。NI-DAQmx屬于多線程，這意味著：用戶開發的應用程序能夠將測量與生成任務的處理分割為單獨的線程。通過NI LabVIEW、NI LabWindows™/CV、C/C++、Visual Basic 6和.NET等多個編程環境，均可調入NI-DAQmx。

結合NI LabVIEW，用戶能夠最便捷地連接NI-DAQmx并優化數據采集應用，實現在多核計算機上的使用。用戶可為各個測量任務創建While循環；NI LabVIEW自動將您的應用程序劃分為多個線程。操作系統繼而能夠在一個或多個CPU內核里，管理這些線程的最優化執行。例如，一個While循環用于比例積分微分(PID)控制并在一個內核上運行，一個While循環在另一個內核上處理快速傅里葉變換(FFT)。

圖4. 用戶能夠使用LabVIEW中的并行While循環，在不同CPU內核上處理DAQ設備I/O

PCI Express和PXI Express X系列設備需要NI-DAQmx 9.0或更高版本，USB X系列設備需要NI-DAQmx 9.2或更高版本。NI-DAQmx 9.0 添加了2項強大特性：

1. 快速、輕松的數據記錄。用戶往往需要將采集的數據記錄至磁盤，進行后期處理或趨勢追蹤。用戶現在可借助NI-DAQmx將單個“DAQmx配置記錄” VI添加至NI-DAQmx任務，繼而將數據記入技術數據管理流(TDMS)測量文件。這種編寫TDMS文件的方法也極為快捷：之前的測試表明磁盤上的寫入速率可能超過1 GB/s。
2. 面向X系列的多設備任務。 對于結合X系列的高通道數應用，您能夠輕松實現多個設備間的同步。對于PCI Express X系列，您需要將它們和實時系統集成(RTSI)電纜相互連接。對于PXI Express X系列，模塊能夠通過PXI Express背板上的定時和觸發總線彼此同步。NI-DAQmx 9.0將多設備任務引入X系列，這意味著用戶可創建1組包含2個設備的測量代碼，NI-DAQmx自動管理著采樣時鐘的共享。

圖5. NI-DAQmx驅動軟件借助多設備任務，輕松同步2個或者更多的X系列設備