利用多功能 PXI I/O 套件，實(shí)現(xiàn)緊湊、靈活、自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

要實(shí)施多功能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)、消費(fèi)品、汽車、醫(yī)療和其他電子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證、元器件測(cè)試和生產(chǎn)測(cè)試，需要使用多種測(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)模擬通道和數(shù)字通道，因此給定的試驗(yàn)臺(tái)必須能夠輕松擴(kuò)展并且經(jīng)濟(jì)高效。

要使用獨(dú)立測(cè)試設(shè)備滿足這些要求非常具有挑戰(zhàn)性。不過，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用 PCI 儀器擴(kuò)展 (PXI) 等標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(cè)試設(shè)置來重點(diǎn)說明它的優(yōu)勢(shì)。隨后將介紹 [NI]的 PXI 多功能 I/O 套件，并討論如何對(duì)其進(jìn)行配置。

為何使用 PXI？

隨著試驗(yàn)臺(tái)變得越來越復(fù)雜，使用獨(dú)立設(shè)備會(huì)涉及多個(gè)屏幕、前面板、線纜以及緩慢的儀器計(jì)算機(jī)接口。這樣會(huì)造成混亂和不必要的錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間變長(zhǎng)、生產(chǎn)率下降。此外，通過更新或重新配置“機(jī)架堆疊式”測(cè)試系統(tǒng)來增加功能（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)讓問題變得更加復(fù)雜。

而 PXI 儀器能以標(biāo)準(zhǔn)、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(shù)字輸入/輸出 (I/O) 通道）并排安裝在一個(gè)公用機(jī)箱中。PXI 還簡(jiǎn)化了示波器、萬用表和信號(hào)發(fā)生器等更復(fù)雜儀器的添加和集成。這些儀器通過公共總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部通信，可確保同步運(yùn)行，一臺(tái)運(yùn)行統(tǒng)一軟件的 PC 可通過一個(gè)公用屏幕控制所有儀器。

常見的測(cè)試場(chǎng)景

下面的示例展示了多功能 I/O 模塊設(shè)計(jì)處理的測(cè)量類型，其中在智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中包含一個(gè)變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD)，需要使用多種類型的傳感器（圖 1）。

[]圖 1：VSD 使用多個(gè)模擬傳感器和數(shù)字傳感器，需要對(duì)這些傳感器進(jìn)行測(cè)試并驗(yàn)證它們的功能。（圖片來源：Art Pini）

通過對(duì) VSD 的傳感器元器件進(jìn)行測(cè)試，可確保電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、軸位置、扭矩和振動(dòng)水平傳感器正確運(yùn)行。大多數(shù)傳感器輸出為模擬信號(hào)，信號(hào)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(cè)量?jī)x器中使用差分輸入。一些傳感器（例如轉(zhuǎn)速計(jì)）可能是數(shù)字式傳感器，需要使用一個(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，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(cè)試數(shù)據(jù)速率的數(shù)字 I/O 通道。

機(jī)器人、汽車和工業(yè)環(huán)境中的每種應(yīng)用都要使用多個(gè)傳感器，因此也提出了類似的測(cè)試要求。

多功能 I/O 測(cè)試套件

NI 的 PXI 套件包括一個(gè)五插槽 PXI 機(jī)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(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 套件提供了一個(gè)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)用來安裝其他儀器的閑置插槽。（圖片來源：NI）

機(jī)箱負(fù)責(zé)供電并提供了一個(gè)內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，可通過背板連接所有模塊。PXIe 總線允許多儀器觸發(fā)和同步。PXIe 是 PXI 的一個(gè)子集，使用高速串行接口代替 PXI 的并行數(shù)據(jù)總線。Thunderbolt 3 接口通過一個(gè) USB 3.0 連接器與計(jì)算機(jī)快速連接。兩個(gè) USB 3.0 連接器可通過菊花鏈連接多個(gè) PXIe 機(jī)箱。四個(gè)閑置插槽可安裝其他儀器，例如示波器、數(shù)字萬用表、波形發(fā)生器、多路復(fù)用器開關(guān)、源測(cè)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(jī)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(jī)箱和布線，但使用 [PXIe-6363]模塊，前面板上具有大規(guī)模端接輸入連接器（圖 3）。

[]圖 3：PXIe-6363 多功能 I/O 模塊的細(xì)節(jié)圖，包括前面板上的大規(guī)模端接輸入連接器。（圖片來源：NI）

這兩款產(chǎn)品套件在模擬輸入通道數(shù)、模擬輸出通道數(shù)、數(shù)字 I/O 通道數(shù)和最大采樣率（以每秒千樣本 (kS/s) 和每秒百萬樣本 (MS/s) 為單位）方面有所不同（表 1）。

| | | PXIE-MIO100
零件編號(hào)：867123-01 | PXIE-MIO101

表 1：PXIe-867123 與 PXIe-867124 多功能 I/O 套件比較。（表來源：Art Pini）

模擬通道

兩款套件的模擬輸入 (AI) 通道內(nèi)部配置完全相同。多個(gè)輸入通道共享一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，并使用一個(gè)模擬多路復(fù)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(fù)用器，用來將單獨(dú)配置的輸入路由到單個(gè) ADC。（圖片來源：NI）

輸入信號(hào)通過前面板 I/O 連接器來連接。此外，也可以使用 AI 感測(cè)連接和 AI 接地建立精確的測(cè)量基準(zhǔn)電平。多路復(fù)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(cè)量的單通道，也可以是用于順序測(cè)量的多通道。選擇的通道通過模擬輸入配置選擇進(jìn)行路由。有三種輸入配置：差分、基準(zhǔn)單端 (RSE) 或非基準(zhǔn)單端 (NRSE)。差分連接（建議用于浮動(dòng)信號(hào)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(zhǔn)，并且可以連接到浮動(dòng)信號(hào)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(duì)于浮動(dòng)信號(hào)源，可將其連接到 AI 接地，對(duì)于接地信號(hào)源，可將其連接到信號(hào)源接地。

用于浮動(dòng)信號(hào)源的 NRSE 配置將 AI- 輸入連接到信號(hào)源的負(fù)極和 AI 感測(cè)線，并通過電阻返回至 AI 接地。對(duì)于接地基準(zhǔn)信號(hào)源，AI- 端子直接連接到信號(hào)源接地和 AI 感測(cè)線。

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(hào)，以匹配 ADC 的輸入電壓范圍。模擬信號(hào)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(hào)通道的輸入范圍均可單獨(dú)編程，增益隨輸入信號(hào)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(cè)量精度。

兩個(gè)數(shù)字化儀的 ADC 都具有 16 位振幅分辨率。模擬信號(hào)被量化為 65,536 個(gè)可能的電平。這樣可以在 ±10 V 范圍內(nèi)提供 320 mV 的分辨率，在 ±100 mV 范圍內(nèi)提供 3.2 mV 的分辨率。

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。

這些多功能模塊還具有模擬輸出 (AO) 功能。根據(jù)型號(hào)，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(jí)中，AO FIFO 存儲(chǔ)器緩沖器保存從主機(jī)下載的波形采樣值。（圖片來源：NI）

AO FIFO 存儲(chǔ)器緩沖器保存從主機(jī)下載的波形采樣值。將樣本存儲(chǔ)在 FIFO 中意味著無需連接計(jì)算機(jī)即可輸出模擬波形。AO 樣本時(shí)鐘對(duì)從 FIFO 傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/數(shù)模轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘控制，后者會(huì)將數(shù)字采樣值轉(zhuǎn)換為模擬電壓?！癆O 基準(zhǔn)選擇”功能用來更改模擬輸出范圍?？梢詫ⅰ癆O 基準(zhǔn)選擇”設(shè)置為 10 V 或 5 V，也可以通過模擬 PFI (APFI) 應(yīng)用一個(gè)外部基準(zhǔn)。

數(shù)字通道

數(shù)字通道包括輸入和輸出功能，可以在一條公用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 線路 (P0.x) 可采集和生成數(shù)字信號(hào)。（圖片來源：NI）

P0.x 線路作為輸入或輸出與靜態(tài)或高速數(shù)字線路配合使用。[PXIe-63xx] 系列模塊還有 16 條可編程功能接口 (PFI) 線路，用戶可以將它們配置為 PFI 接口或數(shù)字 I/O 通道。作為輸入，PFI 通道可以為模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能路由外部信號(hào)源。作為輸出，可以將很多模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能路由到每個(gè) PFI 端子。

所有這些線路都可接受 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(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，用來對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行消抖。根據(jù)所使用的濾波器時(shí)鐘頻率，有三種濾波器設(shè)置：短、中或高。短設(shè)置可以保證大于 160 ns 的脈沖寬度能夠通過，中設(shè)置允許大于或等于 10.24 ms 的脈沖寬度通過，高設(shè)置允許大于或等于 5.12 ms 的脈沖寬度通過。寬度小于通過脈沖寬度一半的脈沖保證被抑制。

還是以 VSD 電機(jī)為例，可以使用數(shù)字輸入對(duì)軸位置進(jìn)行解碼。軸位置可從光學(xué)編碼器的數(shù)字輸出中讀取。該光學(xué)編碼器具有三個(gè)數(shù)字輸出：每轉(zhuǎn)一次的索引脈沖以及兩個(gè)相位差為 90? 的方波，稱為正交輸出。這兩個(gè)正交輸出通常稱為“A”和“B”。通過將索引脈沖與正交輸出相結(jié)合，可以計(jì)算出絕對(duì)軸方向和旋轉(zhuǎn)方向。

計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

兩個(gè) PXIe 模塊都包括四個(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)各有八個(gè)信號(hào)輸入路徑，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的輸入可以是 14 個(gè)可用信號(hào)中的任何一個(gè)。所選的信號(hào)必須應(yīng)用于時(shí)鐘；并未規(guī)定要對(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)器可用來對(duì)邊沿計(jì)數(shù)、測(cè)量頻率或周期或者執(zhí)行脈沖測(cè)量，例如寬度、占空比或者兩個(gè)邊沿之間的時(shí)間。

計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的一個(gè)應(yīng)用示例是測(cè)量 VSD 電機(jī)示意圖中的光學(xué)編碼器發(fā)出的索引脈沖頻率。可以縮放此頻率，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、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(jì)數(shù)器柵極脈沖之間的延遲將會(huì)遞增。這樣可以為重復(fù)的波形提供采樣定時(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

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(shù)據(jù)采集、處理和分析。它還可以創(chuàng)建用來執(zhí)行測(cè)試、監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)存檔的交互式用戶界面。

對(duì)于希望自行生成代碼的用戶，NI 提供了支持所選編程語言（包括 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB）的驅(qū)動(dòng)程序。

NI 還提供了一個(gè)名為 [FlexLogger]的無代碼軟件包。借助 FlexLogger，用戶可以利用內(nèi)置的處理工具和可定制的儀表盤查看、保存和分析測(cè)試數(shù)據(jù)。它能夠?yàn)闇y(cè)量值設(shè)置限值，并對(duì)超出限值的情況發(fā)出警報(bào)。用戶還可以使用 FlexLogger 添加圖形、數(shù)字指示器和量表，以定制用戶界面可視化工具（圖 7）。

[]圖 7：FlexLogger 顯示屏顯示了如何使用加速計(jì)和轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電機(jī)振動(dòng)，以尋找機(jī)械共振。（圖片來源：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(zhuǎn)速計(jì)讀數(shù)以 RPM 為單位測(cè)量轉(zhuǎn)速，并以刻度盤的形式顯示在右下角。在下部的圖表中，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）顯示了振動(dòng)水平與頻率的關(guān)系。

總結(jié)

測(cè)試系統(tǒng)必須適應(yīng)需要大量 I/O 的應(yīng)用中不斷變化的需求。NI 多功能 I/O 套件可構(gòu)成多通道自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并提供模擬和數(shù)字輸入和輸出通道與多個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的組合。該套件采用 PXIe 機(jī)箱封裝，并配備用于其他模塊化測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的額外插槽，為用戶提供了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效測(cè)試所需的可擴(kuò)展性。