Официальная информация о многофункциональных платах сбора данных М серии

Введение

Новые устройства сбора данных М серии производства National Instruments за счет использования новейшей революционной архитектуры формируют новые требования, предъявляемые к возможностям современных плат сбора данных. Благодаря использованию современных технологий и улучшенному дизайну, устройства М серии обладают существенно более высокими производительностью, точностью и числом каналов ввода/вывода:

NI-STC 2 - специализированный контроллер тактирования и синхронизации
NI-MCal technology - революционная методика калибровки и лианеризации
NI-PGIA 2 technology - специализированные усилители сигналов

Рисунок 1. Новейшие технологии, используемые в платах М серии, обеспечивают лучшую производительность при одновременном увеличении числа каналов ввода/вывода и уменьшении стоимости системы.

Использование специализированного (application-specific integrated circuit - ASIC) контроллера тактирования и синхронизации NI-STC 2, разработанного для плат М серии, позволило существенно увеличить число каналов ввода/вывода и повысить пропускную способность шины передачи данных на 1200%. Технология калибровки NI-MCal обеспечивает существенное повышение точности во всех диапазонах измерения сигналов. Кроме этого использование специализированных усилителей NI-PGIA 2 гарантирует более высокую точность измерений на высоких частотах оцифровки сигналов. Три версии усилителей NI-PGIA 2 оптимизированы для применения в недорогих, высокоскоростных и высокоточных приложениях.

1. NI-STC 2

NI-STC 2 - это специализированный контроллер синхронизации, тактирования и передачи данных, обеспечивающий выполнение всех возможных операций ввода/вывода. NI-STC 2 обеспечивает:

Тактируемый цифровой ввод/вывод (с частотой до 10 МГц)
Передачу данных в память по 6 каналам DMA
Работу двух 32-разрядных счетчиков/таймеров с поддержкой энкодеров
Генерацию и маршрутизацию сигналов по шине RTSI (Real Time Synchronization Interface) для синхронизации с внешними устройствами
Генерацию и маршрутизацию внутренних и внешних тактовых сигналов
Подстройку фаз синхросигналов по технологии phase-locked loop (PLL)
NI-STC 2 - 6 каналов DMA

Возможности многих устройств сбора данных ограничены не только частотами оцифровки сигналов, но и скоростью передачи собранных данных в память компьютера. Большинство устройств сбора данных используют для этой цели прерывания (IRQ) и конфигурируются с помощью перемычек на плате, для избегания конфликтов с другими устройствами. Прерывания используют процессор для управления передачей данных, что является неэффективным решением, т.к. приводит к приостановке выполнения процессором других операций. Современные устройства сбора данных позволяют предавать данные в память компьютера, используя каналы прямого доступа в память (DMA) без вовлечения процессора. Передача данных с использованием DMA происходит на значительно более высоких скоростях и сохраняет ресурсы процессора для параллельного выполнения других операций.
Новое поколение устройств сбора данных, включающее в себя семейство карт М серии, обладает шестью каналами прямого доступа в память. Используя данную технологию, реализованную в контроллере тактирования и синхронизации NI-STC 2, одно устройство сбора данных может параллельно производить до 6 операций ввода/вывода (аналоговый ввод, аналоговый вывод, цифровой ввод, цифровой вывод, использование 2 счетчиков/таймеров) без вовлечения ресурсов процессора, возлагая на него лишь функции преобразования и анализа данных. В силу того, что большинство устройств сбора данных других производителей обладают одним каналом DMA, выполнение параллельных разнотипных операций на них требует использования прерываний. По мере роста скоростей передачи данных и числа параллельных задач использование прерываний приводит к монополизации процессорного времени, что приводит к появлению ошибок переполнения буфера и выключению системы. Устройства сбора данных М серии с контроллером NI-STC 2 позволяют выполнять до 6 параллельных разнотипных задач высокоскоростного ввода/вывода с минимальным риском появления ошибок, связанных с переполнением буфера или потерей данных.

Рисунок 2. Контроллер тактирования и синхронизации NI-STC 2 обладает 6 каналами DMA для существенного увеличения скорости передачи данных.

NI-STC 2 - Цифровой ввод/вывод и счетчики/таймеры.

Кроме 16 статических цифровых линий ввода/вывода, контроллер NI-STC 2 включает до 32 аппаратно-тактируемых цифровых линий ввода/вывода, которые могут применяться для чтения или генерации последовательностей цифровых импульсов с частотой до 10 МГц. При этом каждая линия может быть настроена для осуществления цифрового ввода, статического вывода или генерации импульсов. Контроллер NI-STC 2 назначает FIFO буферы (очереди) и каналы прямого доступа в память операциям цифрового ввода и вывода для чтения и записи данных в буфер и оперативную память компьютера. При этом несколько линий могут быть сгруппированы для генерации или чтения цифровых данных с шириной кода до 32 разрядов (1 цифровая линия на 1 разряд). Применение аппаратно-тактируемых цифровых линий удобно в таких приложениях, как создание собственных цифровых интерфейсов, чтение штрих-кодов, анализ работоспособности цифрового оборудования, а также в задачах, требующих синхронизации и тактирования с частотой свыше нескольких кГц. Операции цифрового ввода/вывода могут быть синхронизированы и с другими аппаратно-тактируемыми операциями, такими как аналоговый ввод/вывод и работа со счетчиками таймерами.
Все устройства М серии обладают 32-разрядными счетчиками/таймерами для генерации импульсов и измерения частот. Счетчики/таймеры устройств М серии обладают в 256 раз большей емкостью в сравнении с аналогичными 24-разрядными устройствами. Кроме этого внутренняя тактовая частота платы 80 МГц позволяет повысить точность счета импульсов в 4 раза и позволяет осуществлять их более быструю генерацию по сравнению с ранее выпускавшимися устройствами сбора данных с тактовым генератором 20 МГц. Вы можете использовать счетчики, встроенные в устройства М серии, для работы с квадратурными или 2-ух импульсными энкодерами в задачах управления движением, а также для определения угловых положений при работе с энкодерами X1, X2, X3 и X4 типов.

NI-STC 2 - Timing and Synchronization.

NI-STC 2 генерирует несколько вариантов тактовых частот, посредством деления частоты 80 МГц основного генератора. Данные сигналы используются устройством в качестве опорных частот при выполнении операций аналогового и цифрового ввода/вывода и при работе со счетчиками/таймерами. Путем преобразования тактовой частоты 80 МГц каждое устройство М серии также генерирует опорную частоту 10 МГц, используемую для синхронизации различных частей платы. Сигналы с частотой 10 МГц используются также и для синхронизации различных устройств, входящих в систему с использованием шины RTSI.
Обычно использование шины RTSI для синхронизации различных устройств ввода/вывода ограничивает их внутреннюю тактовую частоту величиной частоты синхронизации 10 МГц. Устройства М серии с контроллером NI-STC 2 обладают цепями подстройки фаз синхроимпульсов (phase-locked loop - PLL), что позволяет каждому устройству в составе системы синхронизировать свою внутреннюю тактовую частоту 80 МГц с частотой синхронизации 10 МГц. С помощью данной технологии все устройства могут быть синхронизированы одной и той же частотой 10 МГц, но при этом могут использовать свою собственную внутреннюю частоту 80 МГц для генерации сигналов в пределах платы ввода/вывода.

Рисунок 3. Устройства М серии генерируют внутреннюю тактовую частоту 80 МГц и осуществляют подстройку фаз синхроимпульсов для синхронизации с различными устройствами.

2. Технология NI-MCal - методика калибровки и лианеризации

Различные электронные компоненты, такие как АЦП и усилители, характеризуются внутренней нелинейностью и зависимостью своих параметров от времени работы и температуры. Для компенсации этих внутренних источников ошибок измерений используются процедуры самокалибровки измерительных устройств. Обычно измерительные устройства используют встроенный высокоточный источник опорного напряжения для осуществления калибровки измерительных цепей по двум точкам в единственном диапазоне измерений. Данный метод, представляющий калибровочную кривую в линейном виде, не приводит к устранению ошибок, связанных с ее нелинейностью в пределах диапазона измерений АЦП, что проявляется в уменьшении точности измерительного устройства. Кроме этого из-за калибровки устройства в одном единственном измерительном диапазоне также оказывается заниженной точность измерений в режиме сканирования нескольких каналов, проводящих измерения в различных диапазонах.
Многофункциональные устройства ввода/вывода М серии используют технологию NI-MCal - запатентованную методику лианеризации и калибровки, для осуществления калибровки по тысячам уровней входного сигнала во всех входных диапазонах. NI-MCal использует методику широтно-импульсной модуляции совместно с высокоточным стабилизированным источником питания. Контролируя скважность импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора, NI-MCal управляет величиной опорного напряжения на выходе калибровочного источника питания, что позволяет осуществлять калибровку устройства по многим точкам. В результате полученные калибровочные константы сохраняются в ПЗУ, расположенном на плате сбора данных, и используются для учета нелинейности отклика АЦП и корректировки результатов измерений.
Использование технологии NI-MCal повышает точность измерений в 5 раз в сравнении с устройствами, использующими традиционную двухточечную калибровку. Кроме этого улучшенная технология калибровки устройств М серии увеличивает максимальный интервал между необходимой калибровкой устройств до 2 лет.

Таблица 1. Сравнение процессов калибровки многофункциональных устройств сбора данных М и Е серии

3. Технология NI-PGIA 2 - специализированные усилители

Время установления усилителя сигнала оказывает значительное влияние на точность измерений, особенно в режиме высокоскоростного сканирования каналов. Время установления характеризует время, необходимое усилителю для того, чтобы усилить входной сигнал до определенного уровня с заданной точностью. Если усилитель не обладает достаточно малым временем установления, то входной сигнал будет измерен некорректно, что проявится в уменьшении точности измерений. Для каждого заданного уровня разрешения (точности) АЦП желательны максимально низкие величины времени установления усилителей, т.к. это позволяет производить более быструю оцифровку каналов при сохранении точности измерений.
С целью повышения точности измерений National Instruments разработала на базе технологии NI-PGIA 2 новые специализированные усилители для плат М серии. Существует несколько типов усилителей NI-PGIA 2, оптимизированных для работы в недорогих, высокоскоростных либо высокоточных приложениях. Например, усилитель NI-PGIA 2, установленный на высокоточных платах М серии, оптимизирован для осуществления быстрого сбора данных с разрешением 18 бит, и является малошумящим устройством с высокой линейностью. Технология NI-PGIA 2 повышает точность измерений АЦП за счет уменьшения времени установления усилителей, сохраняя при этом высокие частоты оцифровки сигналов с разрешением до 18 бит. На рисунке 4 изображена зависимость ошибки измерений, вносимой эффектами, связанными с конечным временем установления усилителей, в условиях сканирования платами сбора данных каналов, на которые поданы сигналы существенно различного уровня (+9.5 В и -9.5 В). Из рисунка видно, что для устройств сбора данных М серии с усилителями NI-PGIA 2 время установления усилителей составляет около 1.5 мкс, что в два раза меньше, чем у плат Е серии, и приводит к существенному увеличению точности измерений при быстром сканировании каналов.

Рисунок 4. NI-PGIA 2 обеспечивает меньшее время установления усилителей, по сравнению с используемыми ранее усилителями NI-PGIA и коммерчески доступными усилителями других фирм

4. Большее число каналов ввода/вывода и другие возможности

Многофункциональные устройства М серии обладают рядом новых, ранее недоступных компьютерным системам сбора данных, возможностей, которые позволяют с минимальными затратами существенно повысить точность и надежность измерений. До настоящего времени стандартные устройства сбора данных обладали разрешением в 12 или 16 разрядов, однако новые устройства М серии позволяют вам проводить измерения с более высоким разрешением 18 бит. 18-разрядные АЦП позволяют вам детектировать сигналы с амплитудой в 4 раза меньшей, чем позволяют 16-разрядные АЦП, и в 64 раза меньшей по сравнению с 12-разрядными устройствами. Кроме этого, 18-разрядные устройства М серии обладают встроенным фильтром низких частот, подавляющим высокочастотные шумы на входе усилителя.
Цифровые линии устройств М серии обладают встроенной защитой от высокого напряжения, от понижения напряжения, от высоких токов, предотвращающей плату и компьютер от поломок, в случае подключения высоковольтных сигналов к цифровым линиям. Также линии счетчиков/таймеров обладают входными фильтрами, подавляющими случайные скачки входных сигналов. Как блоки защиты цифровых линий, так и фильтры счетчиков/таймеров, оказываются незаменимыми при разработке промышленных и управляющих систем.

С платами М серии поставляется новейший программный драйвер управления устройствами сбора данных NI-DAQmx, предоставляющий пользователям беспрецедентные возможности при создании высокопроизводительных  приложений сбора данных. Интегрированный программный мастер DAQ Assistant позволит вам в пошаговом режиме сконфигурировать, протестировать и запрограммировать контрольно-измерительное приложение. Кроме этого программный драйвер NI-DAQmx является многопотоковым, что позволяет вам осуществлять параллельное выполнение различных операций ввода/вывода сигналов на однопроцессорных машинах.
Устройства М серии разработаны для в том числе и для работы с интеллектуальными датчиками IEEE 1451.4. При использовании устройств М серии, систем согласования сигналов National Instruments и драйверов NI-DAQmx для чтения сигналов с интеллектуальных датчиков, данные с датчиков автоматически преобразуются в физические величины, на основе параметров записанных в электронную таблицу, входящую в состав датчика.
В таблице 2 представлены сводные параметры многофункциональных устройств ввода/вывода М серии в сравнении с устройствами Е серии.

Заключение

С выпуском устройств М серии National Instruments продолжает расширять функциональные возможности устройств сбора данных при одновременном снижении их стоимости (в частности стоимость одного канала ввода/вывода устройств М серии оказывается на 30% меньше величин, свойственных устройствам подобного класса ранее). Такие технологии, как NI-STC 2, NI-MCal и NI-PGIA 2 предоставляют пользователям ряд беспрецедентных возможностей, недоступных ранее, в то время как NI LabVIEW и NI-DAQmx позволяют вам разрабатывать приложения с большими возможностями, производительностью и с меньшей стоимостью.