作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

要實施多功能自動化測試系統(tǒng)，對工業(yè)、消費品、汽車、醫(yī)療和其他電子系統(tǒng)進行設計驗證、元器件測試和生產測試，需要使用多種測試和測量儀器。此外，現(xiàn)代設計中使用的大量傳感器需要多個模擬通道和數(shù)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足這些要求非常具有挑戰(zhàn)性。不過，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力，同時將成本保持在最低水平。

本文將簡要介紹 PXI，并使用一個示例測試設置來重點說明它的優(yōu)勢。隨后將介紹 [NI]的 PXI 多功能 I/O 套件，并討論如何對其進行配置。

為何使用 PXI？

隨著試驗臺變得越來越復雜，使用獨立設備會涉及多個屏幕、前面板、線纜以及緩慢的儀器計算機接口。這樣會造成混亂和不必要的錯誤，進而導致測試時間變長、生產率下降。此外，通過更新或重新配置“機架堆疊式”測試系統(tǒng)來增加功能（例如更多的通道）不但非常困難，而且代價不菲。功能單一的儀器需要整體更換才能改變功能，而相關的通信、同步和重新編程會讓問題變得更加復雜。

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）并排安裝在一個公用機箱中。PXI 還簡化了示波器、萬用表和信號發(fā)生器等更復雜儀器的添加和集成。這些儀器通過公共總線結構進行內部通信，可確保同步運行，一臺運行統(tǒng)一軟件的 PC 可通過一個公用屏幕控制所有儀器。

常見的測試場景

下面的示例展示了多功能 I/O 模塊設計處理的測量類型，其中在智能運動控制系統(tǒng)中包含一個變速驅動器 (VSD)，需要使用多種類型的傳感器（圖 1）。

[]圖 1：VSD 使用多個模擬傳感器和數(shù)字傳感器，需要對這些傳感器進行測試并驗證它們的功能。（圖片來源：Art Pini）

通過對 VSD 的傳感器元器件進行測試，可確保電機溫度、轉速、軸位置、扭矩和振動水平傳感器正確運行。大多數(shù)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，需要在測量儀器中使用差分輸入。一些傳感器（例如轉速計）可能是數(shù)字式傳感器，需要使用一個或多個數(shù)字輸入進行監(jiān)控。

多功能 I/O 測試模塊非常適合測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試數(shù)據(jù)速率的數(shù)字 I/O 通道。

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

多功能 I/O 測試套件

NI 的 PXI 套件包括一個五插槽 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(shù)字 I/O、計數(shù)器/定時器和觸發(fā)功能的組合（圖 2）。

[]圖 2：PXI 多功能 I/O 套件提供了一個獨立的自動化測試和測量系統(tǒng)，包括一個多功能 PXI I/O 模塊和四個用來安裝其他儀器的閑置插槽。（圖片來源：NI）

機箱負責供電并提供了一個內部總線結構，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 USB 3.0 連接器與計算機快速連接。兩個 USB 3.0 連接器可通過菊花鏈連接多個 PXIe 機箱。四個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 套件包括一個 [PXIe-1083] 五插槽機箱、一個 [PXIe-6345] 多功能 I/O 模塊和相關電纜。此外，[867124-01] 套件使用相同的機箱和布線，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：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) 通道內部配置完全相同。多個輸入通道共享一個模數(shù)轉換器 (ADC)，并使用一個模擬多路復用器 (Mux) 為每個輸入定序（圖 4）。

圖 4：模擬通道輸入配置包括一個多路復用器，用來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 連接器來連接。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模擬輸入；此輸入可以是用于多個測量的單通道，也可以是用于順序測量的多通道。選擇的通道通過模擬輸入配置選擇進行路由。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（建議用于浮動信號源）使用兩個可用的模擬輸入作為反相和非反相差分輸入。差分輸入不以地面為基準，并且可以連接到浮動信號源。差分輸入配置可抑制共模噪聲。

RSE 輸入配置將反相輸入 (AI-) 與單點接地相連，對于浮動信號源，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，并通過電阻返回至 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。

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。模擬信號具有七個可編程的輸入電壓范圍，介于 ±100 mV 到 ±10 V 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間，從而盡可能提高電壓測量精度。

兩個數(shù)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(shù)字化輸出存儲在 AI 先進先出 (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(jù)型號，具有兩個或四個模擬輸出，共用輸出時鐘（圖 5）。

圖 5：在一個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 中意味著無需連接計算機即可輸出模擬波形。AO 樣本時鐘對從 FIFO 傳輸?shù)?a href="http://hljzzgx.com/tags/數(shù)模轉換器/" target="_blank">數(shù)模轉換器 (DAC) 的數(shù)據(jù)進行時鐘控制，后者會將數(shù)字采樣值轉換為模擬電壓?！癆O 基準選擇”功能用來更改模擬輸出范圍?？梢詫ⅰ癆O 基準選擇”設置為 10 V 或 5 V，也可以通過模擬 PFI (APFI) 應用一個外部基準。

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（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。（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)字輸出或計數(shù)器/定時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(shù)字輸入、數(shù)字輸出或計數(shù)器/定時器功能路由到每個 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)字線路的時鐘頻率高達 10 MHz。

每條數(shù)字線路上都有一個數(shù)字濾波器，用來對數(shù)字輸入信號進行消抖。根據(jù)所使用的濾波器時鐘頻率，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，中設置允許大于或等于 10.24 ms 的脈沖寬度通過，高設置允許大于或等于 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 電機為例，可以使用數(shù)字輸入對軸位置進行解碼。軸位置可從光學編碼器的數(shù)字輸出中讀取。該光學編碼器具有三個數(shù)字輸出：每轉一次的索引脈沖以及兩個相位差為 90? 的方波，稱為正交輸出。這兩個正交輸出通常稱為“A”和“B”。通過將索引脈沖與正交輸出相結合，可以計算出絕對軸方向和旋轉方向。

計數(shù)器/定時器

兩個 PXIe 模塊都包括四個通用 32 位計數(shù)器/定時器級和一個頻率發(fā)生器級。每個計數(shù)器/定時器級各有八個信號輸入路徑，計數(shù)器/定時器的輸入可以是 14 個可用信號中的任何一個。所選的信號必須應用于時鐘；并未規(guī)定要對計數(shù)器/定時器輸入進行倒計時。計數(shù)器/定時器可用來對邊沿計數(shù)、測量頻率或周期或者執(zhí)行脈沖測量，例如寬度、占空比或者兩個邊沿之間的時間。

計數(shù)器/定時器的一個應用示例是測量 VSD 電機示意圖中的光學編碼器發(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(shù)為單位）。

頻率發(fā)生器或計數(shù)器輸出可以生成簡單脈沖、脈沖串、恒定頻率、頻分或等效時間采樣 (ETS) 脈沖流。

ETS 脈沖流會產生一個脈沖輸出，與計數(shù)器柵極脈沖之間的延遲將會遞增。這樣可以為重復的波形提供采樣定時，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(huán)境，可簡化數(shù)據(jù)采集、處理和分析。它還可以創(chuàng)建用來執(zhí)行測試、監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)存檔的交互式用戶界面。

對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）的驅動程序。

NI 還提供了一個名為 [FlexLogger]的無代碼軟件包。借助 FlexLogger，用戶可以利用內置的處理工具和可定制的儀表盤查看、保存和分析測試數(shù)據(jù)。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和轉速計測量電機振動，以尋找機械共振。（圖片來源：NI）

在屏幕上部的圖表中，以 g 與時間的關系顯示了比例振動水平。轉速計讀數(shù)以 RPM 為單位測量轉速，并以刻度盤的形式顯示在右下角。在下部的圖表中，振動數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換 (FFT)（可用的信號處理工具之一）顯示了振動水平與頻率的關系。

總結

測試系統(tǒng)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化測試系統(tǒng)的基礎，并提供模擬和數(shù)字輸入和輸出通道與多個計數(shù)器/定時器的組合。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儀器的額外插槽，為用戶提供了進行經(jīng)濟高效測試所需的可擴展性。