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(shù)據(jù)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、PCIExpress和PXIExpress總線，每種設備都包含模擬I/O、數(shù)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PCIExpress接口以及針對多核處理器的驅動軟件。

　　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(chǎn)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PCIExpress/PXIExpress的高速總線接口

　　3.并行軟件執(zhí)行

　　NI-STC3定時及同步技術

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

　　4個改進式計數(shù)器

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

　　100MHz時基

　　各款數(shù)據(jù)采集設備的板載時基，是驅動所有數(shù)字電路的心臟。從采樣時鐘至觸發(fā)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(shù)字邊緣。NI-STC3技術使用新型100MHz時基實現(xiàn)各類模擬和數(shù)字定時，速率比之前發(fā)行的各類NIDAQ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(fā)器能夠在觸發(fā)條件滿足時于10ns內(nèi)作出響應。

　　獨立定時引擎,針對模擬和數(shù)字I/O

　　數(shù)據(jù)采集設備的高級定時和觸發(fā)功能，經(jīng)常需要通過板載計數(shù)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(fā)。舉例來說，可重觸發(fā)式采集需要等待觸發(fā)條件得到滿足，采獲數(shù)量有限的樣本，再立即重新裝配觸發(fā)器準備新一輪采樣。使用驅動軟件函數(shù)來重新裝配觸發(fā)器又有可能因軟件延遲而錯過新一輪觸發(fā);因此，獲得最佳性能可能需要硬件定時方式。過去，計數(shù)器是執(zhí)行硬件定時重觸發(fā)的唯一途徑;計數(shù)器生成的可重觸發(fā)脈沖序列被內(nèi)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(shù)器執(zhí)行可重觸發(fā)式采集，觸發(fā)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(shù)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(nèi)存?zhèn)鬏敾蚪邮艽罅繑?shù)據(jù)的應用。USBX系列設備包含了NI信號流技術。PCIExpress和PXIExpressX系列設備包含PCIExpress本地接口，實現(xiàn)最大吞吐率和低延遲。

　　專利NI信號流技術

　　USBX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(shù)據(jù)傳輸。

　　圖2.USBX系列包含NI-STC3技術用于高級定時和觸發(fā)，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(xiàn)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1.25MS/s和2MS/s，并包含32或64MS的板載內(nèi)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(tài)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(shù)。

　　本地PCIExpress接口

　　隨著PCIExpress的引入以及它融入PXIExpress標準，測量系統(tǒng)中曾經(jīng)存在的數(shù)據(jù)瓶頸逐漸消失。不同于提供132MB/s共享帶寬的PCI，PCIExpress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250MB/s。

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

　　圖3.面向PCIExpress的X系列可在各類PCIExpress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(nèi)存之間直接讀寫數(shù)據(jù)。這8條通道提供的并行數(shù)據(jù)讀寫，針對模擬I/O、數(shù)字I/O和全部4個計數(shù)器/定時器?？扇菁{127個樣本的擴展型FIFO面向全部4個32位計數(shù)器，現(xiàn)在能夠以遠高于先前設備的速度執(zhí)行緩沖式定時器操作(如：事件計數(shù)或生成PWM輸出)。

　　與大多數(shù)內(nèi)部總線相同，PCIExpress極低的延遲非常適合封閉循環(huán)控制應用程序。X系列設備還拓展了設備中所有子系統(tǒng)的硬件定時型單點執(zhí)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(tǒng)，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(fā)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NILabVIEW、NILabWindows?/CV、C/C++、VisualBasic6和.NET等多個編程環(huán)境，均可調入NI-DAQmx。

　　結合NILabVIEW，用戶能夠最便捷地連接NI-DAQmx并優(yōu)化數(shù)據(jù)采集應用，實現(xiàn)在多核計算機上的使用。用戶可為各個測量任務創(chuàng)建While循環(huán);NILabVIEW自動將您的應用程序劃分為多個線程。操作系統(tǒng)繼而能夠在一個或多個CPU內(nèi)核里，管理這些線程的最優(yōu)化執(zhí)行。例如，一個While循環(huán)用于比例積分微分(PID)控制并在一個內(nèi)核上運行，一個While循環(huán)在另一個內(nèi)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(huán)，在不同CPU內(nèi)核上處理DAQ設備I/O

　　PCIExpress和PXIExpressX系列設備需要NI-DAQmx9.0或更高版本，USBX系列設備需要NI-DAQmx9.2或更高版本。NI-DAQmx9.0添加了2項強大特性：

　　1.快速、輕松的數(shù)據(jù)記錄。用戶往往需要將采集的數(shù)據(jù)記錄至磁盤，進行后期處理或趨勢追蹤。用戶現(xiàn)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(shù)據(jù)記入技術數(shù)據(jù)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1GB/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(shù)應用，您能夠輕松實現(xiàn)多個設備間的同步。對于PCIExpressX系列，您需要將它們和實時系統(tǒng)集成(RTSI)電纜相互連接。對于PXIExpressX系列，模塊能夠通過PXIExpress背板上的定時和觸發(fā)總線彼此同步。NI-DAQmx9.0將多設備任務引入X系列，這意味著用戶可創(chuàng)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

　　結論

　　改進定時和觸發(fā)、總線傳輸和數(shù)據(jù)處理之后的NIX系列設備，代表美國國家儀器公司設計且處于技術最前沿的DAQ設備。利用PCIExpress和多核處理器等最先進的PC技術，它現(xiàn)在能夠創(chuàng)建經(jīng)濟的測量和控制系統(tǒng)，提供信號至軟件級的并行技術。