艺术·皮尼

　　实施用于工业、消费电子、车辆、医疗和其他电子系统的设计验证、组件测试和生产测试的多功能自动化测试系统需要各种测试和测量仪器。此外，现代设计中使用的大量传感器需要多个模拟和数字通道，并且给定的测试台必须能够轻松且经济高效地扩展。

　　使用独立测试设备满足这些要求可能具有挑战性。相反，设计人员可以选择使用标准化外形尺寸的模块化方法，例如用于仪器的 PCI 扩展 (PXI)。这样做可以为快速变化的多功能和多通道测试环境提供必要的灵活性和生产力增益，同时将成本保持在最低水平。

　　本文简要介绍了 PXI，并使用示例测试设置来强调其优势。然后介绍NI的 PXI 多功能 I/O 捆绑包并讨论如何配置它们。

　　为什么使用 PXI?

　　随着测试台变得越来越复杂，使用独立设备会导致多个屏幕、前面板、电线和缓慢的仪器计算机接口。这会导致混乱和不必要的错误，从而延长测试时间并降低生产率。此外，更新或重新配置“机架堆叠”测试系统以添加更多通道等功能可能会很困难且昂贵。单功能仪器需要更换整个仪器才能改变功能，而相关的通信、同步和重新编程使问题变得复杂。

　　PXI 仪器以标准且紧凑的外形提供所需的功能。在这种情况下，多个仪器(例如模拟和数字输入/输出 (I/O) 通道)并排安装在一个通用机箱中。 PXI 还简化了示波器、万用表和信号发生器等更复杂仪器的添加和集成。这些仪器通过公共总线结构进行内部通信，确保同步操作，而运行统一软件的 PC 允许从公共屏幕控制所有仪器。

　　常见的测试场景

　　演示多功能 I/O 模块设计用于处理的测量类型的一个示例包括智能运动控制系统中的变速驱动器 (VSD)，该系统需要多种类型的传感器(图 1)。

　　图 1：VSD 使用多个模拟和数字传感器，需要对其进行测试并验证其功能。 (图片来源：Art Pini)

　　测试 VSD 的传感器组件可确保电机温度、转速、轴位置、扭矩和振动水平传感器的正确运行。大多数传感器输出是信号带宽小于 1 兆赫兹 (MHz) 的模拟信号。一些模拟传感器，例如各向异性磁阻 (AMR) 电流传感器和轴位置传感器，使用电阻电桥，并且需要测量仪器中的差分输入。某些传感器(例如转速计)可能是数字传感器，需要一个或多个数字输入进行监控。

　　多功能 I/O 测试模块非常适合测试这些类型的传感器，提供与模拟传感器输出匹配的模拟电压范围、带宽和采样率。它们还包括采样率大于所测试数据率的数字 I/O 通道。

　　机器人、汽车和工业环境中的应用也有类似的测试要求，其中每个应用都使用多个传感器。

　　多功能 I/O 测试包

　　NI 的 PXI 套件包含一个五槽 PXI 机箱和两个 NI 多功能 I/O 模块之一。 PXI 多功能模块提供模拟 I/O、数字 I/O、计数器/定时器和触发功能的组合(图 2)。

　　图 2：PXI 多功能 I/O 套件提供独立的自动化测试和测量系统，包括一个多功能 PXI I/O 模块和四个用于其他仪器的开放插槽。 (图片来源：NI)

　　机箱提供电源和内部总线结构，通过其背板连接所有模块。 PXIe 总线允许多仪器触发和同步。 PXIe 是 PXI 的一个子集，它使用高速串行接口而不是 PXI 的并行数据总线。 Thunderbolt 3 接口通过 USB 3.0 连接器提供与计算机的快速接口。两个 USB 3.0 连接器允许以菊花链方式连接多个 PXIe 机箱。四个开放插槽可容纳其他仪器，例如示波器、数字万用表、波形发生器、多路复用器开关、源测量单元和电源。

　　例如，NI 的867123-01多功能 I/O 套件由PXIe-1083五插槽机箱、PXIe-6345多功能 I/O 模块以及相关电缆组成。或者，867124-01捆绑包使用相同的机箱和布线，但使用PXIe-6363模块，并在前面板上配备输入大量端接连接器(图 3)。

　　图 3：PXIe-6363 多功能 I/O 模块的详细视图包括前面板上输入海量端接连接器的视图。 (图片来源：NI)

　　这两个产品包的不同之处在于模拟输入通道数、模拟输出通道数、数字 I/O 通道数以及最大采样率(以每秒千个样本 (kS/s) 和每秒兆样本为单位) (MS/s))(表 1)。

　　表 1：所示为 PXIe-867123 和 PXIe-867124 多功能 I/O 套件的比较。 (表格来源：Art Pini)

　　模拟通道

　　两个捆绑包的模拟输入 (AI) 通道内部配置相同。单个模数转换器 (ADC) 在多个输入通道上共享，使用模拟多路复用器 (Mux) 对每个输入进行排序(图 4)。

　　图 4：模拟通道输入的配置包括一个多路复用器，用于将单独配置的输入路由到单个 ADC。 (图片来源：NI)

　　输入信号通过前面板 I/O 连接器连接。此外，AI 传感连接和 AI 接地还可用于建立准确的测量参考电平。多路复用器选择模拟输入之一;这可以是用于多次测量的单个通道，也可以是用于顺序测量的多个通道。所选通道通过模拟输入配置选择进行路由。共有三种输入配置：差分、参考单端 (RSE) 或非参考单端 (NRSE)。建议用于浮动源的差分连接使用两个可用的模拟输入作为反相和非反相差分输入。差分输入不以地为参考，可以连接到浮动源。差分输入配置可抑制共模噪声。

　　RSE 输入配置将反相输入 (AI-) 在单点接地，对于浮动源，在 AI 接地处，或者对于接地源，在源接地处。

　　浮动源的 NRSE 配置将 AI- 输入连接到源的负端子，并通过电阻返回 AI 接地连接到 AI 检测线。对于以地为参考的源，AI- 端子直接连接到源地和 AI 检测线。

　　配置的输入被路由至 NI 可编程增益仪表放大器 (NI-PGIA)，该放大器会放大或衰减输入信号以匹配 ADC 的输入电压范围。模拟信号有七个可编程输入电压范围，介于 ±100 毫伏 (mV) 和 ±10 伏之间。每个输入信号通道的输入范围均可单独编程，增益随输入信号而切换。 NI-PGIA 最大限度地缩短了所有输入电压范围的稳定时间，从而最大限度地提高了电压测量精度。

　　两个数字转换器的 ADC 均具有 16 位幅度分辨率。模拟信号被量化为 65,536 个可能的级别。这可在 ±10 V 范围内提供 320 微伏 (mv) 分辨率，在 ±100 mV 范围内提供 3.2 mv 分辨率。

　　ADC 的数字化输出存储在 AI 先进先出 (AI FIFO) 存储器中。

　　多功能模块还具有模拟输出 (AO) 功能。根据型号的不同，有两个或四个模拟输出，具有公共输出时钟(图 5)。

　　图 5：在典型的模拟输出级中，AO FIFO 内存缓冲区保存从主机下载的波形样本值。 (图片来源：NI)

　　AO FIFO 内存缓冲区保存从主机下载的波形样本值。将样本存储在 FIFO 中意味着无需连接计算机即可输出模拟波形。 AO 采样时钟将 FIFO 中的数据计时至数模转换器 (DAC)，数模转换器将数字采样值转换为模拟电压。 AO 参考选择用于更改模拟输出范围。 AO 参考选择可以设置为 10 或 5 伏，或者可以通过模拟 PFI (APFI) 应用外部参考。

　　数字频道

　　数字通道包括输入和输出功能，可在公共线路上采集或生成数字信号(图 6)。

　　图 6：双向数字 I/O 线 (P0.x) 可以采集和生成数字信号。 (图片来源：NI)

　　P0。x线与静态或高速数字线一起用作输入或输出。 PXIe -63xx系列模块还具有 16 条可编程功能接口 (PFI) 线路，用户可以将其配置为 PFI 接口或数字 I/O 通道。作为输入，PFI 通道可以路由外部源以实现模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出或计数器/定时器功能。作为输出，许多模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出或计数器/定时器功能可以路由到每个 PFI 端子。

　　所有这些线路接受 2.2 至 5.25 伏之间的逻辑高电平和 0 至 0.8 伏之间的逻辑低电平。数字线路的时钟频率高达 10 MHz。

　　每条数字线路上都有一个数字滤波器，用于对数字输入信号进行去抖处理。根据所使用的滤波器时钟频率，存在三种滤波器设置：短、中或高。短设置可确保大于 160 纳秒 (ns) 的脉冲宽度通过，中设置可确保 10.24 微秒 (ms) 或更大的脉冲宽度通过，高设置可确保 5.12 毫秒 (ms) 或更大的脉冲宽度通过。保证抑制宽度小于所通过脉冲宽度一半的脉冲。

　　回到 VSD 电机示例，数字输入可用于解码轴位置。轴位置可以从光学编码器的数字输出中读取。光学编码器具有三个数字输出：一个每转一次的索引脉冲和两个相位差为 90° 的方波(称为正交输出)。这些正交输出通常称为“A”和“B”。通过将索引脉冲与正交输出相结合，可以计算绝对轴方向和旋转方向。

　　计数器/定时器

　　两个 PXIe 模块均包含四个通用 32 位计数器/定时器级和一个频率发生器级。每个计数器/定时器级有八个信号输入路径，并且计数器定时器的输入可以是十四个可用信号中的任何一个。所选信号必须应用于时钟;没有规定对计数器/定时器输入进行倒计时。计数器/定时器可用于对边沿进行计数、测量频率或周期，或进行脉冲测量，例如宽度、占空比或两个边沿之间的时间。

　　计数器/定时器应用示例是测量 VSD 电机插图中光学编码器的索引脉冲频率。可以缩放频率以读取电机转速(以每分钟转数为单位)。

　　频率发生器或计数器输出可以生成简单脉冲、脉冲串、恒定频率、分频或等效时间采样 (ETS) 脉冲流。

　　ETS 脉冲流产生脉冲输出，该脉冲输出具有来自计数器门脉冲的递增延迟。这可以为重复波形提供采样定时，并为频率高于数字化仪奈奎斯特频率的模拟输入提供更高的采样率。

　　软件支持

　　多个软件包支持多功能 I/O 模块。 NI 的LabVIEW提供了一个图形化编程环境，可简化数据采集、处理和分析。它还允许创建用于测试、监视、控制和数据归档的交互式用户界面。

　　对于希望生成自己的代码的用户，NI 提供了支持所选编程语言的驱动程序，包括 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB。

　　NI 还提供了名为FlexLogger的无代码软件包。 FlexLogger 允许用户使用内置处理工具和可定制的仪表板查看、保存和分析测试数据。它能够对测量值设置限制并发出超出限制条件的警报。 FlexLogger 还允许用户通过添加图形、数字指示器和仪表来自定义用户界面可视化工具(图 7)。

显示屏的图像显示了电机振动的测量结果（点击放大）" src="https://supp.iczoom.com/images/public/202311/1700805018811083532.jpg" width="600" height="338"/>

　　图 7：FlexLogger 显示屏显示了使用加速度计和转速计来测量电机振动以寻找机械共振。 (图片来源：NI)

　　屏幕在上图中显示了以 g 为单位的振动水平与时间的关系。转速表读数以 RPM 为单位测量转速，显示为右下角的千分表。振动数据的快速傅立叶变换 (FFT)(可用的信号处理工具之一)在下图中显示了振动水平与频率的关系。

　　结论

　　测试系统必须适应需要大量 I/O 的应用程序不断变化的需求。 NI 多功能 I/O 套件可以构成多通道自动测试系统的基础，提供模拟和数字输入和输出通道以及多个计数器/定时器的组合。它封装在 PXIe 机箱中，并带有用于其他模块化测试和测量仪器的额外插槽，为用户提供了经济高效的测试所需的可扩展性。