藝術(shù)·皮尼

　　實(shí)施用于工業(yè)、消費(fèi)電子、車輛、醫(yī)療和其他電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、組件測(cè)試和生產(chǎn)測(cè)試的多功能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)需要各種測(cè)試和測(cè)量?jī)x器。此外，現(xiàn)代設(shè)計(jì)中使用的大量傳感器需要多個(gè)模擬和數(shù)字通道，并且給定的測(cè)試臺(tái)必須能夠輕松且經(jīng)濟(jì)高效地?cái)U(kuò)展。

　　使用獨(dú)立測(cè)試設(shè)備滿足這些要求可能具有挑戰(zhàn)性。相反，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用標(biāo)準(zhǔn)化外形尺寸的模塊化方法，例如用于儀器的 PCI 擴(kuò)展 (PXI)。這樣做可以為快速變化的多功能和多通道測(cè)試環(huán)境提供必要的靈活性和生產(chǎn)力增益，同時(shí)將成本保持在最低水平。

　　本文簡(jiǎn)要介紹了 PXI，并使用示例測(cè)試設(shè)置來(lái)強(qiáng)調(diào)其優(yōu)勢(shì)。然后介紹NI的 PXI 多功能 I/O 捆綁包并討論如何配置它們。

　　為什么使用 PXI?

　　隨著測(cè)試臺(tái)變得越來(lái)越復(fù)雜，使用獨(dú)立設(shè)備會(huì)導(dǎo)致多個(gè)屏幕、前面板、電線和緩慢的儀器計(jì)算機(jī)接口。這會(huì)導(dǎo)致混亂和不必要的錯(cuò)誤，從而延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間并降低生產(chǎn)率。此外，更新或重新配置“機(jī)架堆疊”測(cè)試系統(tǒng)以添加更多通道等功能可能會(huì)很困難且昂貴。單功能儀器需要更換整個(gè)儀器才能改變功能，而相關(guān)的通信、同步和重新編程使問(wèn)題變得復(fù)雜。

　　PXI 儀器以標(biāo)準(zhǔn)且緊湊的外形提供所需的功能。在這種情況下，多個(gè)儀器(例如模擬和數(shù)字輸入/輸出 (I/O) 通道)并排安裝在一個(gè)通用機(jī)箱中。 PXI 還簡(jiǎn)化了示波器、萬(wàn)用表和信號(hào)發(fā)生器等更復(fù)雜儀器的添加和集成。這些儀器通過(guò)公共總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部通信，確保同步操作，而運(yùn)行統(tǒng)一軟件的 PC 允許從公共屏幕控制所有儀器。

　　常見(jiàn)的測(cè)試場(chǎng)景

　　演示多功能 I/O 模塊設(shè)計(jì)用于處理的測(cè)量類型的一個(gè)示例包括智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD)，該系統(tǒng)需要多種類型的傳感器(圖 1)。

　　圖 1：VSD 使用多個(gè)模擬和數(shù)字傳感器，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試并驗(yàn)證其功能。 (圖片來(lái)源：Art Pini)

　　測(cè)試 VSD 的傳感器組件可確保電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、軸位置、扭矩和振動(dòng)水平傳感器的正確運(yùn)行。大多數(shù)傳感器輸出是信號(hào)帶寬小于 1 兆赫茲 (MHz) 的模擬信號(hào)。一些模擬傳感器，例如各向異性磁阻 (AMR) 電流傳感器和軸位置傳感器，使用電阻電橋，并且需要測(cè)量?jī)x器中的差分輸入。某些傳感器(例如轉(zhuǎn)速計(jì))可能是數(shù)字傳感器，需要一個(gè)或多個(gè)數(shù)字輸入進(jìn)行監(jiān)控。

　　多功能 I/O 測(cè)試模塊非常適合測(cè)試這些類型的傳感器，提供與模擬傳感器輸出匹配的模擬電壓范圍、帶寬和采樣率。它們還包括采樣率大于所測(cè)試數(shù)據(jù)率的數(shù)字 I/O 通道。

　　機(jī)器人、汽車和工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用也有類似的測(cè)試要求，其中每個(gè)應(yīng)用都使用多個(gè)傳感器。

　　多功能 I/O 測(cè)試包

　　NI 的 PXI 套件包含一個(gè)五槽 PXI 機(jī)箱和兩個(gè) NI 多功能 I/O 模塊之一。 PXI 多功能模塊提供模擬 I/O、數(shù)字 I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和觸發(fā)功能的組合(圖 2)。

　　圖 2：PXI 多功能 I/O 套件提供獨(dú)立的自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)多功能 PXI I/O 模塊和四個(gè)用于其他儀器的開(kāi)放插槽。 (圖片來(lái)源：NI)

　　機(jī)箱提供電源和內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)其背板連接所有模塊。 PXIe 總線允許多儀器觸發(fā)和同步。 PXIe 是 PXI 的一個(gè)子集，它使用高速串行接口而不是 PXI 的并行數(shù)據(jù)總線。 Thunderbolt 3 接口通過(guò) USB 3.0 連接器提供與計(jì)算機(jī)的快速接口。兩個(gè) USB 3.0 連接器允許以菊花鏈方式連接多個(gè) PXIe 機(jī)箱。四個(gè)開(kāi)放插槽可容納其他儀器，例如示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、波形發(fā)生器、多路復(fù)用器開(kāi)關(guān)、源測(cè)量單元和電源。

　　例如，NI 的867123-01多功能 I/O 套件由PXIe-1083五插槽機(jī)箱、PXIe-6345多功能 I/O 模塊以及相關(guān)電纜組成。或者，867124-01捆綁包使用相同的機(jī)箱和布線，但使用PXIe-6363模塊，并在前面板上配備輸入大量端接連接器(圖 3)。

　　圖 3：PXIe-6363 多功能 I/O 模塊的詳細(xì)視圖包括前面板上輸入海量端接連接器的視圖。 (圖片來(lái)源：NI)

　　這兩個(gè)產(chǎn)品包的不同之處在于模擬輸入通道數(shù)、模擬輸出通道數(shù)、數(shù)字 I/O 通道數(shù)以及最大采樣率(以每秒千個(gè)樣本 (kS/s) 和每秒兆樣本為單位) (MS/s))(表 1)。

　　表 1：所示為 PXIe-867123 和 PXIe-867124 多功能 I/O 套件的比較。 (表格來(lái)源：Art Pini)

　　模擬通道

　　兩個(gè)捆綁包的模擬輸入 (AI) 通道內(nèi)部配置相同。單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 在多個(gè)輸入通道上共享，使用模擬多路復(fù)用器 (Mux) 對(duì)每個(gè)輸入進(jìn)行排序(圖 4)。

　　圖 4：模擬通道輸入的配置包括一個(gè)多路復(fù)用器，用于將單獨(dú)配置的輸入路由到單個(gè) ADC。 (圖片來(lái)源：NI)

　　輸入信號(hào)通過(guò)前面板 I/O 連接器連接。此外，AI 傳感連接和 AI 接地還可用于建立準(zhǔn)確的測(cè)量參考電平。多路復(fù)用器選擇模擬輸入之一;這可以是用于多次測(cè)量的單個(gè)通道，也可以是用于順序測(cè)量的多個(gè)通道。所選通道通過(guò)模擬輸入配置選擇進(jìn)行路由。共有三種輸入配置：差分、參考單端 (RSE) 或非參考單端 (NRSE)。建議用于浮動(dòng)源的差分連接使用兩個(gè)可用的模擬輸入作為反相和非反相差分輸入。差分輸入不以地為參考，可以連接到浮動(dòng)源。差分輸入配置可抑制共模噪聲。

　　RSE 輸入配置將反相輸入 (AI-) 在單點(diǎn)接地，對(duì)于浮動(dòng)源，在 AI 接地處，或者對(duì)于接地源，在源接地處。

　　浮動(dòng)源的 NRSE 配置將 AI- 輸入連接到源的負(fù)端子，并通過(guò)電阻返回 AI 接地連接到 AI 檢測(cè)線。對(duì)于以地為參考的源，AI- 端子直接連接到源地和 AI 檢測(cè)線。

　　配置的輸入被路由至 NI 可編程增益儀表放大器 (NI-PGIA)，該放大器會(huì)放大或衰減輸入信號(hào)以匹配 ADC 的輸入電壓范圍。模擬信號(hào)有七個(gè)可編程輸入電壓范圍，介于 ±100 毫伏 (mV) 和 ±10 伏之間。每個(gè)輸入信號(hào)通道的輸入范圍均可單獨(dú)編程，增益隨輸入信號(hào)而切換。 NI-PGIA 最大限度地縮短了所有輸入電壓范圍的穩(wěn)定時(shí)間，從而最大限度地提高了電壓測(cè)量精度。

　　兩個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 ADC 均具有 16 位幅度分辨率。模擬信號(hào)被量化為 65,536 個(gè)可能的級(jí)別。這可在 ±10 V 范圍內(nèi)提供 320 微伏 (mv) 分辨率，在 ±100 mV 范圍內(nèi)提供 3.2 mv 分辨率。

　　ADC 的數(shù)字化輸出存儲(chǔ)在 AI 先進(jìn)先出 (AI FIFO) 存儲(chǔ)器中。

　　多功能模塊還具有模擬輸出 (AO) 功能。根據(jù)型號(hào)的不同，有兩個(gè)或四個(gè)模擬輸出，具有公共輸出時(shí)鐘(圖 5)。

　　圖 5：在典型的模擬輸出級(jí)中，AO FIFO 內(nèi)存緩沖區(qū)保存從主機(jī)下載的波形樣本值。 (圖片來(lái)源：NI)

　　AO FIFO 內(nèi)存緩沖區(qū)保存從主機(jī)下載的波形樣本值。將樣本存儲(chǔ)在 FIFO 中意味著無(wú)需連接計(jì)算機(jī)即可輸出模擬波形。 AO 采樣時(shí)鐘將 FIFO 中的數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)至數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字采樣值轉(zhuǎn)換為模擬電壓。 AO 參考選擇用于更改模擬輸出范圍。 AO 參考選擇可以設(shè)置為 10 或 5 伏，或者可以通過(guò)模擬 PFI (APFI) 應(yīng)用外部參考。

　　數(shù)字頻道

　　數(shù)字通道包括輸入和輸出功能，可在公共線路上采集或生成數(shù)字信號(hào)(圖 6)。

　　圖 6：雙向數(shù)字 I/O 線 (P0.x) 可以采集和生成數(shù)字信號(hào)。 (圖片來(lái)源：NI)

　　P0。x線與靜態(tài)或高速數(shù)字線一起用作輸入或輸出。 PXIe -63xx系列模塊還具有 16 條可編程功能接口 (PFI) 線路，用戶可以將其配置為 PFI 接口或數(shù)字 I/O 通道。作為輸入，PFI 通道可以路由外部源以實(shí)現(xiàn)模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。作為輸出，許多模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能可以路由到每個(gè) PFI 端子。

　　所有這些線路接受 2.2 至 5.25 伏之間的邏輯高電平和 0 至 0.8 伏之間的邏輯低電平。數(shù)字線路的時(shí)鐘頻率高達(dá) 10 MHz。

　　每條數(shù)字線路上都有一個(gè)數(shù)字濾波器，用于對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行去抖處理。根據(jù)所使用的濾波器時(shí)鐘頻率，存在三種濾波器設(shè)置：短、中或高。短設(shè)置可確保大于 160 納秒 (ns) 的脈沖寬度通過(guò)，中設(shè)置可確保 10.24 微秒 (ms) 或更大的脈沖寬度通過(guò)，高設(shè)置可確保 5.12 毫秒 (ms) 或更大的脈沖寬度通過(guò)。保證抑制寬度小于所通過(guò)脈沖寬度一半的脈沖。

　　回到 VSD 電機(jī)示例，數(shù)字輸入可用于解碼軸位置。軸位置可以從光學(xué)編碼器的數(shù)字輸出中讀取。光學(xué)編碼器具有三個(gè)數(shù)字輸出：一個(gè)每轉(zhuǎn)一次的索引脈沖和兩個(gè)相位差為 90° 的方波(稱為正交輸出)。這些正交輸出通常稱為“A”和“B”。通過(guò)將索引脈沖與正交輸出相結(jié)合，可以計(jì)算絕對(duì)軸方向和旋轉(zhuǎn)方向。

　　計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

　　兩個(gè) PXIe 模塊均包含四個(gè)通用 32 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器級(jí)和一個(gè)頻率發(fā)生器級(jí)。每個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器級(jí)有八個(gè)信號(hào)輸入路徑，并且計(jì)數(shù)器定時(shí)器的輸入可以是十四個(gè)可用信號(hào)中的任何一個(gè)。所選信號(hào)必須應(yīng)用于時(shí)鐘;沒(méi)有規(guī)定對(duì)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器輸入進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。計(jì)數(shù)器/定時(shí)器可用于對(duì)邊沿進(jìn)行計(jì)數(shù)、測(cè)量頻率或周期，或進(jìn)行脈沖測(cè)量，例如寬度、占空比或兩個(gè)邊沿之間的時(shí)間。

　　計(jì)數(shù)器/定時(shí)器應(yīng)用示例是測(cè)量 VSD 電機(jī)插圖中光學(xué)編碼器的索引脈沖頻率?？梢钥s放頻率以讀取電機(jī)轉(zhuǎn)速(以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位)。

　　頻率發(fā)生器或計(jì)數(shù)器輸出可以生成簡(jiǎn)單脈沖、脈沖串、恒定頻率、分頻或等效時(shí)間采樣 (ETS) 脈沖流。

　　ETS 脈沖流產(chǎn)生脈沖輸出，該脈沖輸出具有來(lái)自計(jì)數(shù)器門脈沖的遞增延遲。這可以為重復(fù)波形提供采樣定時(shí)，并為頻率高于數(shù)字化儀奈奎斯特頻率的模擬輸入提供更高的采樣率。

　　軟件支持

　　多個(gè)軟件包支持多功能 I/O 模塊。 NI 的LabVIEW提供了一個(gè)圖形化編程環(huán)境，可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集、處理和分析。它還允許創(chuàng)建用于測(cè)試、監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)歸檔的交互式用戶界面。

　　對(duì)于希望生成自己的代碼的用戶，NI 提供了支持所選編程語(yǔ)言的驅(qū)動(dòng)程序，包括 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB。

　　NI 還提供了名為FlexLogger的無(wú)代碼軟件包。 FlexLogger 允許用戶使用內(nèi)置處理工具和可定制的儀表板查看、保存和分析測(cè)試數(shù)據(jù)。它能夠?qū)y(cè)量值設(shè)置限制并發(fā)出超出限制條件的警報(bào)。 FlexLogger 還允許用戶通過(guò)添加圖形、數(shù)字指示器和儀表來(lái)自定義用戶界面可視化工具(圖 7)。

顯示屏的圖像顯示了電機(jī)振動(dòng)的測(cè)量結(jié)果（點(diǎn)擊放大）" src="https://supp.iczoom.com/images/public/202311/1700805018811083532.jpg" width="600" height="338"/>

　　圖 7：FlexLogger 顯示屏顯示了使用加速度計(jì)和轉(zhuǎn)速計(jì)來(lái)測(cè)量電機(jī)振動(dòng)以尋找機(jī)械共振。 (圖片來(lái)源：NI)

　　屏幕在上圖中顯示了以 g 為單位的振動(dòng)水平與時(shí)間的關(guān)系。轉(zhuǎn)速表讀數(shù)以 RPM 為單位測(cè)量轉(zhuǎn)速，顯示為右下角的千分表。振動(dòng)數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換 (FFT)(可用的信號(hào)處理工具之一)在下圖中顯示了振動(dòng)水平與頻率的關(guān)系。

　　結(jié)論

　　測(cè)試系統(tǒng)必須適應(yīng)需要大量 I/O 的應(yīng)用程序不斷變化的需求。 NI 多功能 I/O 套件可以構(gòu)成多通道自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，提供模擬和數(shù)字輸入和輸出通道以及多個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的組合。它封裝在 PXIe 機(jī)箱中，并帶有用于其他模塊化測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的額外插槽，為用戶提供了經(jīng)濟(jì)高效的測(cè)試所需的可擴(kuò)展性。