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，對工業、消費品、汽車、醫療和其他電子系統進行設計驗證、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，現代設計中使用的大量傳感器需要多個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濟高效。

要使用獨立測試設備滿足這些要求非常具有挑戰性。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）可能是數字式傳感器，需要使用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，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、汽車和工業環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 套件提供了一個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 的并行數據總線。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。（圖片來源：NI）

這兩款產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 傳輸到數模轉換器 (DAC) 的數據進行時鐘控制，后者會將數字采樣值轉換為模擬電壓。“AO 基準選擇”功能用來更改模擬輸出范圍。可以將“AO 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。

數字通道

數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字信號（圖 6）。

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

P0.x 線路作為輸入或輸出與靜態或高速數字線路配合使用。[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，用來對數字輸入信號進行消抖。根據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，可以使用數字輸入對軸位置進行解碼。軸位置可從光學編碼器的數字輸出中讀取。該光學編碼器具有三個數字輸出：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。

計數器/定時器

兩個 PXIe 模塊都包括四個通用 32 位計數器/定時器級和一個頻率發生器級。每個計數器/定時器級各有八個信號輸入路徑，計數器/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；并未規定要對計數器/定時器輸入進行倒計時。計數器/定時器可用來對邊沿計數、測量頻率或周期或者執行脈沖測量，例如寬度、占空比或者兩個邊沿之間的時間。

計數器/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出的索引脈沖頻率。可以縮放此頻率，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、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境，可簡化數據采集、處理和分析。它還可以創建用來執行測試、監視、控制和數據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、保存和分析測試數據。它能夠為測量值設置限值，并對超出限值的情況發出警報。用戶還可以使用 FlexLogger 添加圖形、數字指示器和量表，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）顯示了振動水平與頻率的關系。

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計數器/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濟高效測試所需的可擴展性。