藝術·皮尼

　　實施用于工業、消費電子、車輛、醫療和其他電子系統的設計驗證、組件測試和生產測試的多功能自動化測試系統需要各種測試和測量儀器。此外，現代設計中使用的大量傳感器需要多個模擬和數字通道，并且給定的測試臺必須能夠輕松且經濟高效地擴展。

　　使用獨立測試設備滿足這些要求可能具有挑戰性。相反，設計人員可以選擇使用標準化外形尺寸的模塊化方法，例如用于儀器的 PCI 擴展 (PXI)。這樣做可以為快速變化的多功能和多通道測試環境提供必要的靈活性和生產力增益，同時將成本保持在最低水平。

　　本文簡要介紹了 PXI，并使用示例測試設置來強調其優勢。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?

　　隨著測試臺變得越來越復雜，使用獨立設備會導致多個屏幕、前面板、電線和緩慢的儀器計算機接口。這會導致混亂和不必要的錯誤，從而延長測試時間并降低生產率。此外，更新或重新配置“機架堆疊”測試系統以添加更多通道等功能可能會很困難且昂貴。單功能儀器需要更換整個儀器才能改變功能，而相關的通信、同步和重新編程使問題變得復雜。

　　PXI 儀器以標準且緊湊的外形提供所需的功能。在這種情況下，多個儀器(例如模擬和數字輸入/輸出 (I/O) 通道)并排安裝在一個通用機箱中。 PXI 還簡化了示波器、萬用表和信號發生器等更復雜儀器的添加和集成。這些儀器通過公共總線結構進行內部通信，確保同步操作，而運行統一軟件的 PC 允許從公共屏幕控制所有儀器。

　　常見的測試場景

　　演示多功能 I/O 模塊設計用于處理的測量類型的一個示例包括智能運動控制系統中的變速驅動器 (VSD)，該系統需要多種類型的傳感器(圖 1)。

　　圖 1：VSD 使用多個模擬和數字傳感器，需要對其進行測試并驗證其功能。 (圖片來源：Art Pini)

　　測試 VSD 的傳感器組件可確保電機溫度、轉速、軸位置、扭矩和振動水平傳感器的正確運行。大多數傳感器輸出是信號帶寬小于 1 兆赫茲 (MHz) 的模擬信號。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，并且需要測量儀器中的差分輸入。某些傳感器(例如轉速計)可能是數字傳感器，需要一個或多個數字輸入進行監控。

　　多功能 I/O 測試模塊非常適合測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試數據率的數字 I/O 通道。

　　機器人、汽車和工業環境中的應用也有類似的測試要求，其中每個應用都使用多個傳感器。

　　多功能 I/O 測試包

　　NI 的 PXI 套件包含一個五槽 PXI 機箱和兩個 NI 多功能 I/O 模塊之一。 PXI 多功能模塊提供模擬 I/O、數字 I/O、計數器/定時器和觸發功能的組合(圖 2)。

　　圖 2：PXI 多功能 I/O 套件提供獨立的自動化測試和測量系統，包括一個多功能 PXI I/O 模塊和四個用于其他儀器的開放插槽。 (圖片來源：NI)

　　機箱提供電源和內部總線結構，通過其背板連接所有模塊。 PXIe 總線允許多儀器觸發和同步。 PXIe 是 PXI 的一個子集，它使用高速串行接口而不是 PXI 的并行數據總線。 Thunderbolt 3 接口通過 USB 3.0 連接器提供與計算機的快速接口。兩個 USB 3.0 連接器允許以菊花鏈方式連接多個 PXIe 機箱。四個開放插槽可容納其他儀器，例如示波器、數字萬用表、波形發生器、多路復用器開關、源測量單元和電源。

　　例如，NI 的867123-01多功能 I/O 套件由PXIe-1083五插槽機箱、PXIe-6345多功能 I/O 模塊以及相關電纜組成。或者，867124-01捆綁包使用相同的機箱和布線，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 模塊的詳細視圖包括前面板上輸入海量端接連接器的視圖。 (圖片來源：NI)

　　這兩個產品包的不同之處在于模擬輸入通道數、模擬輸出通道數、數字 I/O 通道數以及最大采樣率(以每秒千個樣本 (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。 (表格來源：Art Pini)

　　模擬通道

　　兩個捆綁包的模擬輸入 (AI) 通道內部配置相同。單個模數轉換器 (ADC) 在多個輸入通道上共享，使用模擬多路復用器 (Mux) 對每個輸入進行排序(圖 4)。

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

　　輸入信號通過前面板 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確的測量參考電平。多路復用器選擇模擬輸入之一;這可以是用于多次測量的單個通道，也可以是用于順序測量的多個通道。所選通道通過模擬輸入配置選擇進行路由。共有三種輸入配置：差分、參考單端 (RSE) 或非參考單端 (NRSE)。建議用于浮動源的差分連接使用兩個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-) 在單點接地，對于浮動源，在 AI 接地處，或者對于接地源，在源接地處。

　　浮動源的 NRSE 配置將 AI- 輸入連接到源的負端子，并通過電阻返回 AI 接地連接到 AI 檢測線。對于以地為參考的源，AI- 端子直接連接到源地和 AI 檢測線。

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

　　兩個數字轉換器的 ADC 均具有 16 位幅度分辨率。模擬信號被量化為 65,536 個可能的級別。這可在 ±10 V 范圍內提供 320 微伏 (mv) 分辨率，在 ±100 mV 范圍內提供 3.2 mv 分辨率。

　　ADC 的數字化輸出存儲在 AI 先進先出 (AI FIFO) 存儲器中。

　　多功能模塊還具有模擬輸出 (AO) 功能。根據型號的不同，有兩個或四個模擬輸出，具有公共輸出時鐘(圖 5)。

　　圖 5：在典型的模擬輸出級中，AO FIFO 內存緩沖區保存從主機下載的波形樣本值。 (圖片來源：NI)

　　AO FIFO 內存緩沖區保存從主機下載的波形樣本值。將樣本存儲在 FIFO 中意味著無需連接計算機即可輸出模擬波形。 AO 采樣時鐘將 FIFO 中的數據計時至數模轉換器 (DAC)，數模轉換器將數字采樣值轉換為模擬電壓。 AO 參考選擇用于更改模擬輸出范圍。 AO 參考選擇可以設置為 10 或 5 伏，或者可以通過模擬 PFI (APFI) 應用外部參考。

　　數字頻道

　　數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字信號(圖 6)。

　　圖 6：雙向數字 I/O 線 (P0.x) 可以采集和生成數字信號。 (圖片來源：NI)

　　P0。x線與靜態或高速數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 接口或數字 I/O 通道。作為輸入，PFI 通道可以路由外部源以實現模擬輸入、模擬輸出、數字輸入、數字輸出或計數器/定時器功能。作為輸出，許多模擬輸入、模擬輸出、數字輸入、數字輸出或計數器/定時器功能可以路由到每個 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。數字線路的時鐘頻率高達 10 MHz。

　　每條數字線路上都有一個數字濾波器，用于對數字輸入信號進行去抖處理。根據所使用的濾波器時鐘頻率，存在三種濾波器設置：短、中或高。短設置可確保大于 160 納秒 (ns) 的脈沖寬度通過，中設置可確保 10.24 微秒 (ms) 或更大的脈沖寬度通過，高設置可確保 5.12 毫秒 (ms) 或更大的脈沖寬度通過。保證抑制寬度小于所通過脈沖寬度一半的脈沖。

　　回到 VSD 電機示例，數字輸入可用于解碼軸位置。軸位置可以從光學編碼器的數字輸出中讀取。光學編碼器具有三個數字輸出：一個每轉一次的索引脈沖和兩個相位差為 90° 的方波(稱為正交輸出)。這些正交輸出通常稱為“A”和“B”。通過將索引脈沖與正交輸出相結合，可以計算絕對軸方向和旋轉方向。

　　計數器/定時器

　　兩個 PXIe 模塊均包含四個通用 32 位計數器/定時器級和一個頻率發生器級。每個計數器/定時器級有八個信號輸入路徑，并且計數器定時器的輸入可以是十四個可用信號中的任何一個。所選信號必須應用于時鐘;沒有規定對計數器/定時器輸入進行倒計時。計數器/定時器可用于對邊沿進行計數、測量頻率或周期，或進行脈沖測量，例如寬度、占空比或兩個邊沿之間的時間。

　　計數器/定時器應用示例是測量 VSD 電機插圖中光學編碼器的索引脈沖頻率。可以縮放頻率以讀取電機轉速(以每分鐘轉數為單位)。

　　頻率發生器或計數器輸出可以生成簡單脈沖、脈沖串、恒定頻率、分頻或等效時間采樣 (ETS) 脈沖流。

　　ETS 脈沖流產生脈沖輸出，該脈沖輸出具有來自計數器門脈沖的遞增延遲。這可以為重復波形提供采樣定時，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

　　多個軟件包支持多功能 I/O 模塊。 NI 的LabVIEW提供了一個圖形化編程環境，可簡化數據采集、處理和分析。它還允許創建用于測試、監視、控制和數據歸檔的交互式用戶界面。

　　對于希望生成自己的代碼的用戶，NI 提供了支持所選編程語言的驅動程序，包括 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB。

　　NI 還提供了名為FlexLogger的無代碼軟件包。 FlexLogger 允許用戶使用內置處理工具和可定制的儀表板查看、保存和分析測試數據。它能夠對測量值設置限制并發出超出限制條件的警報。 FlexLogger 還允許用戶通過添加圖形、數字指示器和儀表來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振動的測量結果（點擊放大）" 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和轉速計來測量電機振動以尋找機械共振。 (圖片來源：NI)

　　屏幕在上圖中顯示了以 g 為單位的振動水平與時間的關系。轉速表讀數以 RPM 為單位測量轉速，顯示為右下角的千分表。振動數據的快速傅立葉變換 (FFT)(可用的信號處理工具之一)在下圖中顯示了振動水平與頻率的關系。

　　結論

　　測試系統必須適應需要大量 I/O 的應用程序不斷變化的需求。 NI 多功能 I/O 套件可以構成多通道自動測試系統的基礎，提供模擬和數字輸入和輸出通道以及多個計數器/定時器的組合。它封裝在 PXIe 機箱中，并帶有用于其他模塊化測試和測量儀器的額外插槽，為用戶提供了經濟高效的測試所需的可擴展性。