利用多功能 PXI I/O 套件，实现紧凑、灵活、自动化的测试系统

来源：DigiKey
作者：Art Pini

要实施多功能自动化测试系统，对工业、消费品、汽车、医疗和其他电子系统进行设计验证、元器件测试和生产测试，需要使用多种测试和测量仪器。此外，现代设计中使用的大量传感器需要多个模拟通道和数字通道，因此给定的试验台必须能够轻松扩展并且经济高效。

要使用独立测试设备满足这些要求非常具有挑战性。不过，设计人员可以选择使用 PCI 仪器扩展 (PXI) 等标准化外形尺寸的模块化方法。这样可以为快速变化的多功能和多通道测试环境提供所需的灵活性和生产力，同时将成本保持在最低水平。

本文将简要介绍 PXI，并使用一个示例测试设置来重点说明它的优势。随后将介绍 NI 的 PXI 多功能 I/O 套件，并讨论如何对其进行配置。

为何使用 PXI？

随着试验台变得越来越复杂，使用独立设备会涉及多个屏幕、前面板、线缆以及缓慢的仪器计算机接口。这样会造成混乱和不必要的错误，进而导致测试时间变长、生产率下降。此外，通过更新或重新配置“机架堆叠式”测试系统来增加功能（例如更多的通道）不但非常困难，而且代价不菲。功能单一的仪器需要整体更换才能改变功能，而相关的通信、同步和重新编程会让问题变得更加复杂。

而 PXI 仪器能以标准、紧凑的外形尺寸提供所需的功能。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）并排安装在一个公用机箱中。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，可确保同步运行，一台运行统一软件的 PC 可通过一个公用屏幕控制所有仪器。

常见的测试场景

下面的示例展示了多功能 I/O 模块设计处理的测量类型，其中在智能运动控制系统中包含一个变速驱动器 (VSD)，需要使用多种类型的传感器（图 1）。


图 1：VSD 使用多个模拟传感器和数字传感器，需要对这些传感器进行测试并验证它们的功能。（图片来源：Art Pini）

通过对 VSD 的传感器元器件进行测试，可确保电机温度、转速、轴位置、扭矩和振动水平传感器正确运行。大多数传感器输出为模拟信号，信号带宽较低，小于 1 MHz。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）使用电阻桥，需要在测量仪器中使用差分输入。一些传感器（例如转速计）可能是数字式传感器，需要使用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，可提供与模拟传感器输出相匹配的模拟电压范围、带宽和采样率。它们还包括采样率高于所测试数据速率的数字 I/O 通道。

机器人、汽车和工业环境中的每种应用都要使用多个传感器，因此也提出了类似的测试要求。

多功能 I/O 测试套件

NI 的 PXI 套件包括一个五插槽 PXI 机箱以及两款 NI 多功能 I/O 模块之一。PXI 多功能模块提供了模拟 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 套件提供了一个独立的自动化测试和测量系统，包括一个多功能 PXI I/O 模块和四个用来安装其他仪器的闲置插槽。（图片来源：NI）

机箱负责供电并提供了一个内部总线结构，可通过背板连接所有模块。PXIe 总线允许多仪器触发和同步。PXIe 是 PXI 的一个子集，使用高速串行接口代替 PXI 的并行数据总线。Thunderbolt 3 接口通过一个 USB 3.0 连接器与计算机快速连接。两个 USB 3.0 连接器可通过菊花链连接多个 PXIe 机箱。四个闲置插槽可安装其他仪器，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 套件包括一个 PXIe-1083 五插槽机箱、一个 PXIe-6345 多功能 I/O 模块和相关电缆。此外，867124-01 套件使用相同的机箱和布线，但使用 PXIe-6363 模块，前面板上具有大规模端接输入连接器（图 3）。


图 3：PXIe-6363 多功能 I/O 模块的细节图，包括前面板上的大规模端接输入连接器。（图片来源：NI）

这两款产品套件在模拟输入通道数、模拟输出通道数、数字 I/O 通道数和最大采样率（以每秒千样本 (kS/s) 和每秒百万样本 (MS/s) 为单位）方面有所不同（表 1）。


表 1：PXIe-867123 与 PXIe-867124 多功能 I/O 套件比较。（表来源：Art Pini）

模拟通道

两款套件的模拟输入 (AI) 通道内部配置完全相同。多个输入通道共享一个模数转换器 (ADC)，并使用一个模拟多路复用器 (Mux) 为每个输入定序（图 4）。


图 4：模拟通道输入配置包括一个多路复用器，用来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 连接器来连接。此外，也可以使用 AI 感测连接和 AI 接地建立精确的测量基准电平。多路复用器选择其中一个模拟输入；此输入可以是用于多个测量的单通道，也可以是用于顺序测量的多通道。选择的通道通过模拟输入配置选择进行路由。有三种输入配置：差分、基准单端 (RSE) 或非基准单端 (NRSE)。差分连接（建议用于浮动信号源）使用两个可用的模拟输入作为反相和非反相差分输入。差分输入不以地面为基准，并且可以连接到浮动信号源。差分输入配置可抑制共模噪声。

RSE 输入配置将反相输入 (AI-) 与单点接地相连，对于浮动信号源，可将其连接到 AI 接地，对于接地信号源，可将其连接到信号源接地。

用于浮动信号源的 NRSE 配置将 AI- 输入连接到信号源的负极和 AI 感测线，并通过电阻返回至 AI 接地。对于接地基准信号源，AI- 端子直接连接到信号源接地和 AI 感测线。

所配置的输入被路由到 NI 可编程增益仪表放大器 (NI-PGIA)，此放大器会放大或减弱输入信号，以匹配 ADC 的输入电压范围。模拟信号具有七个可编程的输入电压范围，介于 ±100 mV 到 ±10 V 之间。每个输入信号通道的输入范围均可单独编程，增益随输入信号一起切换。NI-PGIA 可最大限度地缩短所有输入电压范围的建立时间，从而尽可能提高电压测量精度。

两个数字化仪的 ADC 都具有 16 位振幅分辨率。模拟信号被量化为 65,536 个可能的电平。这样可以在 ±10 V 范围内提供 320 mV 的分辨率，在 ±100 mV 范围内提供 3.2 mV 的分辨率。

ADC 的数字化输出存储在 AI 先进先出 (AI FIFO) 存储器中。

这些多功能模块还具有模拟输出 (AO) 功能。根据型号，具有两个或四个模拟输出，共用输出时钟（图 5）。


图 5：在一个典型的模拟输出级中，AO FIFO 存储器缓冲器保存从主机下载的波形采样值。（图片来源：NI）

AO FIFO 存储器缓冲器保存从主机下载的波形采样值。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 样本时钟对从 FIFO 传输到数模转换器 (DAC) 的数据进行时钟控制，后者会将数字采样值转换为模拟电压。“AO 基准选择”功能用来更改模拟输出范围。可以将“AO 基准选择”设置为 10 V 或 5 V，也可以通过模拟 PFI (APFI) 应用一个外部基准。

数字通道

数字通道包括输入和输出功能，可以在一条公用线路上采集或生成数字信号（图 6）。


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

P0.x 线路作为输入或输出与静态或高速数字线路配合使用。PXIe-63xx 系列模块还有 16 条可编程功能接口 (PFI) 线路，用户可以将它们配置为 PFI 接口或数字 I/O 通道。作为输入，PFI 通道可以为模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出或计数器/定时器功能路由外部信号源。作为输出，可以将很多模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出或计数器/定时器功能路由到每个 PFI 端子。

所有这些线路都可接受 2.2 到 5.25 V 之间的逻辑高电平和 0 到 0.8 V 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，用来对数字输入信号进行消抖。根据所使用的滤波器时钟频率，有三种滤波器设置：短、中或高。短设置可以保证大于 160 ns 的脉冲宽度能够通过，中设置允许大于或等于 10.24 ms 的脉冲宽度通过，高设置允许大于或等于 5.12 ms 的脉冲宽度通过。宽度小于通过脉冲宽度一半的脉冲保证被抑制。

还是以 VSD 电机为例，可以使用数字输入对轴位置进行解码。轴位置可从光学编码器的数字输出中读取。该光学编码器具有三个数字输出：每转一次的索引脉冲以及两个相位差为 90˚ 的方波，称为正交输出。这两个正交输出通常称为“A”和“B”。通过将索引脉冲与正交输出相结合，可以计算出绝对轴方向和旋转方向。

计数器/定时器

两个 PXIe 模块都包括四个通用 32 位计数器/定时器级和一个频率发生器级。每个计数器/定时器级各有八个信号输入路径，计数器/定时器的输入可以是 14 个可用信号中的任何一个。所选的信号必须应用于时钟；并未规定要对计数器/定时器输入进行倒计时。计数器/定时器可用来对边沿计数、测量频率或周期或者执行脉冲测量，例如宽度、占空比或者两个边沿之间的时间。

计数器/定时器的一个应用示例是测量 VSD 电机示意图中的光学编码器发出的索引脉冲频率。可以缩放此频率，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、频分或等效时间采样 (ETS) 脉冲流。

ETS 脉冲流会产生一个脉冲输出，与计数器栅极脉冲之间的延迟将会递增。这样可以为重复的波形提供采样定时，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

有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。它还可以创建用来执行测试、监视、控制和数据存档的交互式用户界面。

对于希望自行生成代码的用户，NI 提供了支持所选编程语言（包括 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB）的驱动程序。

NI 还提供了一个名为 FlexLogger 的无代码软件包。借助 FlexLogger，用户可以利用内置的处理工具和可定制的仪表盘查看、保存和分析测试数据。它能够为测量值设置限值，并对超出限值的情况发出警报。用户还可以使用 FlexLogger 添加图形、数字指示器和量表，以定制用户界面可视化工具（图 7）。


图 7：FlexLogger 显示屏显示了如何使用加速计和转速计测量电机振动，以寻找机械共振。（图片来源：NI）

在屏幕上部的图表中，以 g 与时间的关系显示了比例振动水平。转速计读数以 RPM 为单位测量转速，并以刻度盘的形式显示在右下角。在下部的图表中，振动数据的快速傅立叶变换 (FFT)（可用的信号处理工具之一）显示了振动水平与频率的关系。

总结

测试系统必须适应需要大量 I/O 的应用中不断变化的需求。NI 多功能 I/O 套件可构成多通道自动化测试系统的基础，并提供模拟和数字输入和输出通道与多个计数器/定时器的组合。该套件采用 PXIe 机箱封装，并配备用于其他模块化测试和测量仪器的额外插槽，为用户提供了进行经济高效测试所需的可扩展性。