什么是X系列?
X系列設(shè)備是National Instruments設(shè)計(jì)至今最高級的多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備。借由易用型NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件的X系列設(shè)備，引入高性能改良，可滿足最苛刻的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。結(jié)合NI-STC3定時(shí)與同步技術(shù)、高處理能力的PCI Express總線、以及針對多核處理器的驅(qū)動(dòng)軟件，X系列設(shè)備將基于PC的多功能I/O的性能提升至新高度。
NI-STC3定時(shí)和同步技術(shù)
所有多功能數(shù)據(jù)采集硬件都通過板載定時(shí)電路控制模擬、數(shù)字和計(jì)數(shù)器I/O線；定時(shí)ASIC技術(shù)的演進(jìn)已逾數(shù)十年。歷經(jīng)三年的發(fā)展，X系列DAQ家族融入可提供4個(gè)改進(jìn)式計(jì)數(shù)器的新型NI-STC3技術(shù)、100 MHz時(shí)基，以及其它針對I/O定時(shí)和觸發(fā)的功能。
4個(gè)改進(jìn)式計(jì)數(shù)器
以前，E系列設(shè)備上提供的原始NI-STC ASIC包含2個(gè)具有24位分辨率的20 MHz計(jì)數(shù)器。盡管那些計(jì)數(shù)器用途豐富，脈沖寬度調(diào)制(PWM)或編碼器測量等諸多操作仍需要2個(gè)計(jì)數(shù)器執(zhí)行單一任務(wù)。創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，計(jì)數(shù)器資源時(shí)常比預(yù)想的更早耗盡。2004年，NI-STC2 ASIC被引入M系列設(shè)備并提供2個(gè)具有32位分辨率的80 MHz計(jì)數(shù)器。除了提升速度和分辨率，兩個(gè)計(jì)數(shù)器均可提供更多功能因?yàn)槊總€(gè)都能單獨(dú)用作PWM輸出或編碼器輸入通道。新型NI-STC3技術(shù)進(jìn)一步拓展了計(jì)數(shù)器通道，可提供4個(gè)配有32位分辨率的100 MHz計(jì)數(shù)器。不僅單一X系列設(shè)備具有4個(gè)計(jì)數(shù)器，而且以前需要2個(gè)計(jì)數(shù)器的操作現(xiàn)在都能通過單一計(jì)數(shù)器通道實(shí)現(xiàn)。例如：您正在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，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(gè)計(jì)數(shù)器連續(xù)生成脈沖并使用另一個(gè)計(jì)數(shù)器為這些傳送至電機(jī)的脈沖加門限信號。單個(gè)NI-STC3計(jì)數(shù)器即可完成該任務(wù)，即：單一X系列設(shè)備可控制最多4個(gè)步進(jìn)電機(jī)。
100 MHz時(shí)基
各款數(shù)據(jù)采集設(shè)備的板載時(shí)基，仿若驅(qū)動(dòng)所有數(shù)字電路的心臟。從采樣時(shí)鐘至觸發(fā)線的各類應(yīng)用，均使用此時(shí)基作為板載參考，繼而生成時(shí)鐘頻率并鎖存數(shù)字邊緣。NI-STC3技術(shù)使用新型100 MHz時(shí)基實(shí)現(xiàn)各類模擬和數(shù)字定時(shí)，速率比之前發(fā)行的各類NI DAQ設(shè)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(shí)于10 ns內(nèi)作出響應(yīng)。
獨(dú)立定時(shí)引擎, 針對模擬和數(shù)字I/O
數(shù)據(jù)采集設(shè)備的高級定時(shí)和觸發(fā)功能，時(shí)常仰賴板載計(jì)數(shù)器和復(fù)雜信號路由獲得特定的硬件定時(shí)性能。NI-STC3技術(shù)為多功能設(shè)備上的各類I/O，提供完全獨(dú)立的采樣時(shí)鐘和觸發(fā)。例如：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(zhǔn)備新一輪采樣。使用驅(qū)動(dòng)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(cuò)過新一輪觸發(fā)；因此，獲得最佳性能可能需要硬件定時(shí)方式。過去，計(jì)數(shù)器是執(zhí)行硬件定時(shí)重觸發(fā)的唯一途徑；計(jì)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(shí)鐘。結(jié)合新型X系列DAQ板卡提供的NI-STC3技術(shù)，模擬通道不再需要使用計(jì)數(shù)器執(zhí)行可重觸發(fā)式采集，觸發(fā)器也能獨(dú)立對自身進(jìn)行重新裝配而無需軟件干預(yù)。新型獨(dú)立定時(shí)功能的另一典型范例是新型專用時(shí)鐘，它能夠采集或生成硬件定時(shí)的數(shù)字波形。
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模塊
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模擬輸入
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最高AI采樣率
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總體AI吞吐率 (所有通道)
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模擬輸出
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數(shù)字I/O
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DIO最大時(shí)鐘頻率
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16
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250 kS/s
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250 kS/s
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0
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24
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1 MHz
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16
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250 kS/s
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250 kS/s
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2
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24
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1 MHz
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32
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250 kS/s
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250 kS/s
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4
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48
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1 MHz
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16
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500 kS/s
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500 kS/s
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2
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24
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1 MHz
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32
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500 kS/s
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500 kS/s
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4
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48
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1 MHz
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16
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1.25 MS/s
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1 MS/s
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2
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24
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10 MHz
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32
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1.25 MS/s
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1 MS/s
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4
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48
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10 MHz
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16
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2 MS/s
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1 MS/s
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2
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24
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10 MHz
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32
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2 MS/s
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1 MS/s
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4
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48
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10 MHz
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16
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500 kS/s
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500 kS/s
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2
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24
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1 MHz
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16
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2 MS/s
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1 MS/s
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2
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24
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10 MHz
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32
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2 MS/s
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1 MS/s
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4
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48
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10 MHz
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8路同步
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1.25 MS/s/通道
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10 MS/s
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2
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24
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10 MHz
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16路同步
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1.25 MS/s/通道
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20 MS/s
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4
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48
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10 MHz
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8路同步
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2 MS/s/通道
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16 MS/s
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2
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24
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10 MHz
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16路同步
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2 MS/s/通道
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32 MS/s
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4
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48
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10 MHz
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實(shí)現(xiàn)高吞吐能力和低延遲的改進(jìn)
X系列設(shè)備為構(gòu)建高吞吐能力的應(yīng)用程序進(jìn)行了數(shù)項(xiàng)改進(jìn)；換言之，這些應(yīng)用程序向設(shè)備和PC內(nèi)存之間往來傳遞大量數(shù)據(jù)。
隨著PCI Express的引入以及它融入PXI Express標(biāo)準(zhǔn)，測量系統(tǒng)中曾經(jīng)存在的數(shù)據(jù)瓶頸(data bottleneck)逐漸消失。不同于提供132 MB/s共享帶寬的PCI，PCI Express可向各款設(shè)備提供專用串行通道(serial lane)，而且各個(gè)方向上的理論帶寬達(dá)250 MB/s。
某些數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過橋接器的方式將PCI設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為PCI Express，這樣得到的帶寬與PCI相同并加入了時(shí)延。相反，NI X系列自行提供配有完整PCI Express帶寬的x1（“乘1”） PCI Express和PXI Express接口。面向PCI Express的X系列可在PCI Express插槽中使用，從x1直至x16。
圖1. 面向PCI Express的X系列可在各類PCI Express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(shè)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(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器?？扇菁{512個(gè)樣本的擴(kuò)展型FIFO面向全部4個(gè)32位計(jì)數(shù)器，現(xiàn)在能夠以遠(yuǎn)高于先前設(shè)備的速度執(zhí)行緩沖式定時(shí)器操作（如：事件計(jì)數(shù)或生成PWM輸出）。
與大多數(shù)內(nèi)部總線相同，PCI Express極低的延遲非常適合封閉循環(huán)控制應(yīng)用程序。X系列設(shè)備還拓展了設(shè)備中所有子系統(tǒng)的硬件定時(shí)型單點(diǎn)執(zhí)行性能。
多核PC上的并行處理
若要充分利用DAQ設(shè)備上的并行硬件子系統(tǒng)，您需要借助高性能驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件。
NI-DAQmx作為面向X系列的驅(qū)動(dòng)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(yīng)用程序能夠?qū)y量與生成任務(wù)的處理分割為單獨(dú)的線程。通過NI LabVIEW、NI LabWindows™/CVI、C/C++、Visual Basic 6和.NET等多個(gè)編程環(huán)境，均可調(diào)入NI-DAQmx。
結(jié)合NI LabVIEW，用戶能夠最便捷地連接NI-DAQmx并優(yōu)化數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在多核計(jì)算機(jī)上的使用。用戶可為各個(gè)測量任務(wù)創(chuàng)建While循環(huán)；NI LabVIEW自動(dòng)將您的應(yīng)用程序劃分為多個(gè)線程。操作系統(tǒng)繼而能夠在一個(gè)或多個(gè)CPU內(nèi)核里，管理這些線程的最優(yōu)化執(zhí)行。例如，一個(gè)While循環(huán)用于比例積分微分(PID)控制并在一個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行，一個(gè)While循環(huán)在另一個(gè)內(nèi)核上處理快速傅里葉變換(FFT)。
圖2. 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(shè)備I/O。
X系列需要NI-DAQmx 9.0或更高版本。NI-DAQmx 9.0添加了2項(xiàng)強(qiáng)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(jìn)行后期處理或趨勢追蹤。用戶現(xiàn)在可借助NI-DAQmx將單個(gè)“DAQmx配置記錄” VI添加至NI-DAQmx任務(wù)，繼而將數(shù)據(jù)記入TDM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1 GB/s。
2. 面向X系列的多設(shè)備任務(wù)。對于結(jié)合X系列的高通道數(shù)應(yīng)用，您能夠輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備間的同步。對于PCI Express X系列，您需要將它們和實(shí)時(shí)系統(tǒng)集成(RTSI)電纜相互連接。對于PXI Express X系列，模塊能夠通過PXI Express背板上的定時(shí)和觸發(fā)總線彼此同步。NI-DAQmx 9.0將多設(shè)備任務(wù)引入X系列，這意味著用戶可創(chuàng)建1組包含2個(gè)設(shè)備的測量代碼，NI-DAQmx自動(dòng)管理著采樣時(shí)鐘的共享。
圖3. NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件借助多設(shè)備任務(wù)，輕松同步2個(gè)或者更多的X系列設(shè)備。
結(jié)論
改進(jìn)定時(shí)和觸發(fā)、總線傳輸和數(shù)據(jù)處理之后的NI X系列設(shè)備，代表National Instruments設(shè)計(jì)且處于技術(shù)最前沿的DAQ設(shè)備。利用PCI Express和多核(multicore)處理器等最先進(jìn)的PC技術(shù)，它現(xiàn)在能夠創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)的測量和控制系統(tǒng)，提供信號至軟件級的并行技術(shù)。
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