详解NI数据采集设备技术

　　M系列技术

　　NI M系列设备为定时、性能和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是专门为M系列DAQ设备设计的专用集成电路(ASIC)。它增加了每个设备的I/O通道数目，并将数据总吞吐率提高了1200%。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，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、速度和进行了优化。举例而言，高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、维持设备采样速率下的指定分辨率，从而提高了设备。

　　NI-MCal

　　NI-MCal技术 是一种线性化校准工具，可在所有输入范围内获得无与伦比的改善。另外，NI-PGIA 2的可自定义放大器技术，提供了更快的采样速率和更高的分辨率。

　　ADC以及可编程放大器等电子元件，都具有非线性特征以及由于时间和温度影响而引起的漂移。要补偿这些固有误差，就需要设备的自校准。老式的数据采集设备使用板上的参考电压，在某个测量范围内进行两点式修正。这种方法无法避免ADC元件本身的非线性误差，因此降低了设备的测量。另外，这种方法只能在某一输入范围内进行校准，那么对多个不同输入范围的通道而言，测量就会受限于电阻网络的容差。

　　M系列设备则采用了NI-MCal技术。这是一种线性化与校准引擎(申请中)，可以在所有输入范围内校准数千个电压准位。NI-MCal将脉冲宽度调制(PWM)和高的参考电压结合在一起使用。PWM的占空比用来改变电平，以便能在多点进行自校准。在板载EEPROM中生成并存储校准参数，以模拟ADC元件的非线性特性，并更正后续的测量任务。

　　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

　　智能DAQ作为多功能数据采集设备，提供自定义板载处理功能，以及灵活自如的I/O定时和触发。用户可通过使用NI LabVIEW程序框图的LabVIEW FPGA模块，配置各项设备功能。程序框图在硬件中执行，帮助您在PXI或PCI设备上直接、即时地控制所有I/O信号。用户凭借R系列设备和LabVIEW FPGA，可配置自定义的硬件，用于需要定时和控制的各种应用程序，例如：

　　配有板载处理的数据采集

　　高速模拟和离散控制回路

　　脉冲宽度调制 (PWM)和编码器接口

　　用户自定义的数字通信协议

　　具有64位分辨率的自定义计数器

　　速率高达40 MHz的硬件定时决策

　　NI R系列智能数据采集产品

　　多功能R系列

　　多功能R系列智能DAQ设备具有：高达750 kS/s、16位分辨率的8路独立式模拟输入；高达1 MS/s、16位分辨率的的8路独立式模拟输出；96条用户自定义式硬件定时数字I/O线；1块可接受LabVIEW FPGA配置的板载FPGA芯片；灵活的触发、定时和板载决策；面向计数器、PWM、编码器和数字协议的各项范例。

　　数字R系列

　　数字R系列智能DAQ设备具有：160条用户自定义式硬件定时数字I/O线；3.3V TTL（兼容5V TTL）；1块可接受LabVIEW FPGA配置的板载FPGA芯片；灵活的触发、定时和板载决策；面向计数器、PWM、编码器和数字协议的各项范例。

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