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來(lái)源：DigiKey 作者：Art Pini 要實(shí)施多功能自動(dòng)化測試系統，對工業(yè)、消費品、汽車(chē)、醫療和其他電子系統進(jìn)行設計驗證、元器件測試和生產(chǎn)測試，需要使用多種測試和測量?jì)x器。此外，現代設計中使用的大量傳感器需要多個(gè)模擬通道和數字通道，因此給定的試驗臺必須能夠輕松擴展并且經(jīng)濟高效。 要使用獨立測試設備滿(mǎn)足這些要求非常具有挑戰性。不過(guò)，設計人員可以選擇使用 PCI 儀器擴展 (PXI) 等標準化外形尺寸的模塊化方法。這樣可以為快速變化的多功能和多通道測試環(huán)境提供所需的靈活性和生產(chǎn)力，同時(shí)將成本保持在最低水平。 本文將簡(jiǎn)要介紹 PXI，并使用一個(gè)示例測試設置來(lái)重點(diǎn)說(shuō)明它的優(yōu)勢。隨后將介紹 NI 的 PXI 多功能 I/O 套件，并討論如何對其進(jìn)行配置。 為何使用 PXI？ 隨著(zhù)試驗臺變得越來(lái)越復雜，使用獨立設備會(huì )涉及多個(gè)屏幕、前面板、線(xiàn)纜以及緩慢的儀器計算機接口。這樣會(huì )造成混亂和不必要的錯誤，進(jìn)而導致測試時(shí)間變長(cháng)、生產(chǎn)率下降。此外，通過(guò)更新或重新配置“機架堆疊式”測試系統來(lái)增加功能（例如更多的通道）不但非常困難，而且代價(jià)不菲。功能單一的儀器需要整體更換才能改變功能，而相關(guān)的通信、同步和重新編程會(huì )讓問(wèn)題變得更加復雜。 而 PXI 儀器能以標準、緊湊的外形尺寸提供所需的功能。在這種情況下，多個(gè)儀器（例如模擬和數字輸入/輸出 (I/O) 通道）并排安裝在一個(gè)公用機箱中。PXI 還簡(jiǎn)化了示波器、萬(wàn)用表和信號發(fā)生器等更復雜儀器的添加和集成。這些儀器通過(guò)公共總線(xiàn)結構進(jìn)行內部通信，可確保同步運行，一臺運行統一軟件的 PC 可通過(guò)一個(gè)公用屏幕控制所有儀器。 常見(jiàn)的測試場(chǎng)景 下面的示例展示了多功能 I/O 模塊設計處理的測量類(lèi)型，其中在智能運動(dòng)控制系統中包含一個(gè)變速驅動(dòng)器 (VSD)，需要使用多種類(lèi)型的傳感器（圖 1）。 
圖 1：VSD 使用多個(gè)模擬傳感器和數字傳感器，需要對這些傳感器進(jìn)行測試并驗證它們的功能。（圖片來(lái)源：Art Pini） 通過(guò)對 VSD 的傳感器元器件進(jìn)行測試，可確保電機溫度、轉速、軸位置、扭矩和振動(dòng)水平傳感器正確運行。大多數傳感器輸出為模擬信號，信號帶寬較低，小于 1 MHz。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）使用電阻橋，需要在測量?jì)x器中使用差分輸入。一些傳感器（例如轉速計）可能是數字式傳感器，需要使用一個(gè)或多個(gè)數字輸入進(jìn)行監控。 多功能 I/O 測試模塊非常適合測試這些類(lèi)型的傳感器，可提供與模擬傳感器輸出相匹配的模擬電壓范圍、帶寬和采樣率。它們還包括采樣率高于所測試數據速率的數字 I/O 通道。 機器人、汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中的每種應用都要使用多個(gè)傳感器，因此也提出了類(lèi)似的測試要求。 多功能 I/O 測試套件 NI 的 PXI 套件包括一個(gè)五插槽 PXI 機箱以及兩款 NI 多功能 I/O 模塊之一。PXI 多功能模塊提供了模擬 I/O、數字 I/O、計數器/定時(shí)器和觸發(fā)功能的組合（圖 2）。
圖 2：PXI 多功能 I/O 套件提供了一個(gè)獨立的自動(dòng)化測試和測量系統，包括一個(gè)多功能 PXI I/O 模塊和四個(gè)用來(lái)安裝其他儀器的閑置插槽。（圖片來(lái)源：NI） 機箱負責供電并提供了一個(gè)內部總線(xiàn)結構，可通過(guò)背板連接所有模塊。PXIe 總線(xiàn)允許多儀器觸發(fā)和同步。PXIe 是 PXI 的一個(gè)子集，使用高速串行接口代替 PXI 的并行數據總線(xiàn)。Thunderbolt 3 接口通過(guò)一個(gè) USB 3.0 連接器與計算機快速連接。兩個(gè) USB 3.0 連接器可通過(guò)菊花鏈連接多個(gè) PXIe 機箱。四個(gè)閑置插槽可安裝其他儀器，例如示波器、數字萬(wàn)用表、波形發(fā)生器、多路復用器開(kāi)關(guān)、源測量單元和電源。 例如，NI 的 867123-01 多功能 I/O 套件包括一個(gè) PXIe-1083 五插槽機箱、一個(gè) PXIe-6345 多功能 I/O 模塊和相關(guān)電纜。此外，867124-01 套件使用相同的機箱和布線(xiàn)，但使用 PXIe-6363 模塊，前面板上具有大規模端接輸入連接器（圖 3）。
圖 3：PXIe-6363 多功能 I/O 模塊的細節圖，包括前面板上的大規模端接輸入連接器。（圖片來(lái)源：NI） 這兩款產(chǎn)品套件在模擬輸入通道數、模擬輸出通道數、數字 I/O 通道數和最大采樣率（以每秒千樣本 (kS/s) 和每秒百萬(wàn)樣本 (MS/s) 為單位）方面有所不同（表 1）。
表 1：PXIe-867123 與 PXIe-867124 多功能 I/O 套件比較。（表來(lái)源：Art Pini） 模擬通道 兩款套件的模擬輸入 (AI) 通道內部配置完全相同。多個(gè)輸入通道共享一個(gè)模數轉換器 (ADC)，并使用一個(gè)模擬多路復用器 (Mux) 為每個(gè)輸入定序（圖 4）。
圖 4：模擬通道輸入配置包括一個(gè)多路復用器，用來(lái)將單獨配置的輸入路由到單個(gè) ADC。（圖片來(lái)源：NI） 輸入信號通過(guò)前面板 I/O 連接器來(lái)連接。此外，也可以使用 AI 感測連接和 AI 接地建立精確的測量基準電平。多路復用器選擇其中一個(gè)模擬輸入；此輸入可以是用于多個(gè)測量的單通道，也可以是用于順序測量的多通道。選擇的通道通過(guò)模擬輸入配置選擇進(jìn)行路由。有三種輸入配置：差分、基準單端 (RSE) 或非基準單端 (NRSE)。差分連接（建議用于浮動(dòng)信號源）使用兩個(gè)可用的模擬輸入作為反相和非反相差分輸入。差分輸入不以地面為基準，并且可以連接到浮動(dòng)信號源。差分輸入配置可抑制共模噪聲。 RSE 輸入配置將反相輸入 (AI-) 與單點(diǎn)接地相連，對于浮動(dòng)信號源，可將其連接到 AI 接地，對于接地信號源，可將其連接到信號源接地。 用于浮動(dòng)信號源的 NRSE 配置將 AI- 輸入連接到信號源的負極和 AI 感測線(xiàn)，并通過(guò)電阻返回至 AI 接地。對于接地基準信號源，AI- 端子直接連接到信號源接地和 AI 感測線(xiàn)。 所配置的輸入被路由到 NI 可編程增益儀表放大器 (NI-PGIA)，此放大器會(huì )放大或減弱輸入信號，以匹配 ADC 的輸入電壓范圍。模擬信號具有七個(gè)可編程的輸入電壓范圍，介于 ±100 mV 到 ±10 V 之間。每個(gè)輸入信號通道的輸入范圍均可單獨編程，增益隨輸入信號一起切換。NI-PGIA 可最大限度地縮短所有輸入電壓范圍的建立時(shí)間，從而盡可能提高電壓測量精度。 兩個(gè)數字化儀的 ADC 都具有 16 位振幅分辨率。模擬信號被量化為 65,536 個(gè)可能的電平。這樣可以在 ±10 V 范圍內提供 320 mV 的分辨率，在 ±100 mV 范圍內提供 3.2 mV 的分辨率。 ADC 的數字化輸出存儲在 AI 先進(jìn)先出 (AI FIFO) 存儲器中。 這些多功能模塊還具有模擬輸出 (AO) 功能。根據型號，具有兩個(gè)或四個(gè)模擬輸出，共用輸出時(shí)鐘（圖 5）。
圖 5：在一個(gè)典型的模擬輸出級中，AO FIFO 存儲器緩沖器保存從主機下載的波形采樣值。（圖片來(lái)源：NI） AO FIFO 存儲器緩沖器保存從主機下載的波形采樣值。將樣本存儲在 FIFO 中意味著(zhù)無(wú)需連接計算機即可輸出模擬波形。AO 樣本時(shí)鐘對從 FIFO 傳輸到數模轉換器 (DAC) 的數據進(jìn)行時(shí)鐘控制，后者會(huì )將數字采樣值轉換為模擬電壓�！癆O 基準選擇”功能用來(lái)更改模擬輸出范圍�？梢詫ⅰ癆O 基準選擇”設置為 10 V 或 5 V，也可以通過(guò)模擬 PFI (APFI) 應用一個(gè)外部基準。 數字通道 數字通道包括輸入和輸出功能，可以在一條公用線(xiàn)路上采集或生成數字信號（圖 6）。
圖 6：雙向數字 I/O 線(xiàn)路 (P0.x) 可采集和生成數字信號。（圖片來(lái)源：NI） P0.x 線(xiàn)路作為輸入或輸出與靜態(tài)或高速數字線(xiàn)路配合使用。PXIe-63xx 系列模塊還有 16 條可編程功能接口 (PFI) 線(xiàn)路，用戶(hù)可以將它們配置為 PFI 接口或數字 I/O 通道。作為輸入，PFI 通道可以為模擬輸入、模擬輸出、數字輸入、數字輸出或計數器/定時(shí)器功能路由外部信號源。作為輸出，可以將很多模擬輸入、模擬輸出、數字輸入、數字輸出或計數器/定時(shí)器功能路由到每個(gè) PFI 端子。 所有這些線(xiàn)路都可接受 2.2 到 5.25 V 之間的邏輯高電平和 0 到 0.8 V 之間的邏輯低電平。數字線(xiàn)路的時(shí)鐘頻率高達 10 MHz。 每條數字線(xiàn)路上都有一個(gè)數字濾波器，用來(lái)對數字輸入信號進(jìn)行消抖。根據所使用的濾波器時(shí)鐘頻率，有三種濾波器設置：短、中或高。短設置可以保證大于 160 ns 的脈沖寬度能夠通過(guò)，中設置允許大于或等于 10.24 ms 的脈沖寬度通過(guò)，高設置允許大于或等于 5.12 ms 的脈沖寬度通過(guò)。寬度小于通過(guò)脈沖寬度一半的脈沖保證被抑制。 還是以 VSD 電機為例，可以使用數字輸入對軸位置進(jìn)行解碼。軸位置可從光學(xué)編碼器的數字輸出中讀取。該光學(xué)編碼器具有三個(gè)數字輸出：每轉一次的索引脈沖以及兩個(gè)相位差為 90˚ 的方波，稱(chēng)為正交輸出。這兩個(gè)正交輸出通常稱(chēng)為“A”和“B”。通過(guò)將索引脈沖與正交輸出相結合，可以計算出絕對軸方向和旋轉方向。 計數器/定時(shí)器 兩個(gè) PXIe 模塊都包括四個(gè)通用 32 位計數器/定時(shí)器級和一個(gè)頻率發(fā)生器級。每個(gè)計數器/定時(shí)器級各有八個(gè)信號輸入路徑，計數器/定時(shí)器的輸入可以是 14 個(gè)可用信號中的任何一個(gè)。所選的信號必須應用于時(shí)鐘；并未規定要對計數器/定時(shí)器輸入進(jìn)行倒計時(shí)。計數器/定時(shí)器可用來(lái)對邊沿計數、測量頻率或周期或者執行脈沖測量，例如寬度、占空比或者兩個(gè)邊沿之間的時(shí)間。 計數器/定時(shí)器的一個(gè)應用示例是測量 VSD 電機示意圖中的光學(xué)編碼器發(fā)出的索引脈沖頻率�？梢钥s放此頻率，以讀取電機轉速（以每分鐘轉數為單位）。 頻率發(fā)生器或計數器輸出可以生成簡(jiǎn)單脈沖、脈沖串、恒定頻率、頻分或等效時(shí)間采樣 (ETS) 脈沖流。 ETS 脈沖流會(huì )產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出，與計數器柵極脈沖之間的延遲將會(huì )遞增。這樣可以為重復的波形提供采樣定時(shí)，并為頻率高于數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 有多個(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)化數據采集、處理和分析。它還可以創(chuàng )建用來(lái)執行測試、監視、控制和數據存檔的交互式用戶(hù)界面。 對于希望自行生成代碼的用戶(hù)，NI 提供了支持所選編程語(yǔ)言（包括 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB）的驅動(dòng)程序。 NI 還提供了一個(gè)名為 FlexLogger 的無(wú)代碼軟件包。借助 FlexLogger，用戶(hù)可以利用內置的處理工具和可定制的儀表盤(pán)查看、保存和分析測試數據。它能夠為測量值設置限值，并對超出限值的情況發(fā)出警報。用戶(hù)還可以使用 FlexLogger 添加圖形、數字指示器和量表，以定制用戶(hù)界面可視化工具（圖 7）。
圖 7：FlexLogger 顯示屏顯示了如何使用加速計和轉速計測量電機振動(dòng)，以尋找機械共振。（圖片來(lái)源：NI） 在屏幕上部的圖表中，以 g 與時(shí)間的關(guān)系顯示了比例振動(dòng)水平。轉速計讀數以 RPM 為單位測量轉速，并以刻度盤(pán)的形式顯示在右下角。在下部的圖表中，振動(dòng)數據的快速傅立葉變換 (FFT)（可用的信號處理工具之一）顯示了振動(dòng)水平與頻率的關(guān)系。 總結 測試系統必須適應需要大量 I/O 的應用中不斷變化的需求。NI 多功能 I/O 套件可構成多通道自動(dòng)化測試系統的基礎，并提供模擬和數字輸入和輸出通道與多個(gè)計數器/定時(shí)器的組合。該套件采用 PXIe 機箱封裝，并配備用于其他模塊化測試和測量?jì)x器的額外插槽，為用戶(hù)提供了進(jìn)行經(jīng)濟高效測試所需的可擴展性。 |
