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美国国家仪器公司（简称NI）近期推出了新一代多功能数据采集产品X系列数据采集卡(图1)，也是该类别的第三代产品。多功能数据采集设备作为NI最重要的产品之一，历来备受关注。第二代M系列推出时曾经引起过巨大轰动，其功能和特性较第一代E系列有着显著地提升，至今多年过去仍然保持着很好的销量和口碑，满足着测试行业各式各样的需求，成就了一代辉煌。那么X系列是否能将M系列的优势延续下去？能否在日益激烈的市场竞争下继续保持同类产品的领先地位，满足更多的测量需求？和M系列相比又有了哪些性能上的提升呢？
图1 X系列多功能数据采集产品
PCIe总线
M系列产品中，总线类型既有PCI也有PCIe，其中PCI种类更多；而在X系列中只有PCIe总线产品，不再提供支持PCI总线的产品。PCI(Peripheral Component Interconnect)总线是英特尔（Intel）公司1991年推出的用于定义局部总线的标准，是目前使用较多的内部总线之一。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽为133MB/s(33MHz*32bit/s)，目前理论带宽最多可达到1G。 PCI Express则是近年发布的一种总线结构，采用了点对点串行连接，比起PCI的共享并行架构，可以让每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，以达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCIe的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。PCIe连接的每条线路包含两对导线，其中一对用于发送，另一对用于接收。数据包以每周期一位的速度在线路间传输。×1连接，即最小的PCIe连接，有一条由四根导线组成的线路。各方向上每周期都传输一位。×2链接包含八根导线，一次传输两位，×4链接传输四位，以此类推。其他配置还有×12、×16和×32。X系列PCIe板卡属于×1连接（图2）。
图2 PCIe连接器示例
PCIe总线主要优势就是数据传输速率高，目前速度最高可以达到10GB/s以上，而且还有相当大的发展潜力。主板生产的成本上，使用PCIe也低于PCI，且PCIe和PCI完全兼容，适用于当前的操作系统，所以不远的将来PCIe必将取代PCI成为新一代通用总线接口，而X系列依然可以适用于新一代的PC主板（图3）。X系列PCIe产品的带宽为250M/s。
更高的采样率和精度
X系列PCIe总线的产品依然选择了所有AI通道复用一个ADC的工作方式，多通道轮询采集节约了用户的成本。在进行多通道切换时，X系列产品ADC的稳定时间只有M系列的五分之一，即仅为10ns，甚至可以满足一些要求不高的同步采集。
众所周知，数据采集卡的绝对精度不仅仅等同于分辨率，还和偏置误差，增益误差等多个参数有关。X系列使用的ADC分辨率仍然为16位，但各量程的精度和M系列同样分辨率的产品相比却有大幅提升，使得测试可以更加精确。下面表1和表2给出了M系列和X系列中同级别板卡的精度对比。
X系列产品采样率也提供了更多的选择范围，16位分辨率产品单通道采样率可选择250K，500K，1.25M和2M（表3）。其他模拟输入性能上，X系列共模抑制比也有所提升，和计算机传递数据默认采样DMA方式，并不再支持中断方式。一切细节变化均是为了使板卡达到更好的性能，满足越来越高的测试要求。
表3 X系列PCIe产品(采样率为单通道采集时可达到的最高采样率)
X系列AO对比M系列同级别产品，更新率均有提升，有900K和2.86M两种可以选择，DAC的稳定时间也由原来的50ns提高到10ns。另外，X系列产品对过电流保护以及上电断电出现毛刺的保护也都做了改善。
X系列产品AI和AO都有1路DMA通道负责与PC之间的数据传递。
NI STC3芯片
X系列在数字I/O和Counter的功能上有了很大提升，主要是因为使用了新一代的系统定时控制芯片NI STC3。
板载时基对于数据采集卡来说尤为重要，内部定时设置采样率需要板载时基生成时钟频率，设置触发信号需要板载时基锁定数字边沿。NI STC3技术使用100MHz时基，可以对模拟任务和数字任务设置定时，速度是M系列卡的5倍，这意味着采样率可以精确5倍，一次触发的响应时间可以达到10ns。
M系列所使用的STC2芯片提供了2个32位，80MHz的Counter，可以测量TTL脉冲信号的各种信息，如周期、频率、边沿间隔等，以及生成脉冲。NI STC2还是一款直接支持正交编码器的芯片，可直接将编码器的A,B,Z连接到计数器的Source,AUX,Gate口，通过配置参数直接读取角度或位移信息，十分方便。NI STC3的功能在STC2上更进一步，提供了4个32位，100MHz的增强型Counter。每个增强型Counter通过一个内部嵌入式Counter，甚至可以完成过去M系列产品2个Counter才能完成的工作（图4）。比如控制一个步进电机需要生成一个有限点的数字脉冲，在M系列产品中我们使用1个Counter连续生成脉冲，另一个则控制第一个Counter的Gate信号决定何时送到电机。而X系列产品中单个Counter就可以完成这个任务，这就意味着一块X系列卡可以同时控制4台步进电机。同样，X系列板产品每个Counter都有一路专用的DMA通道负责和PC之间的数据传递，无需占用CPU资源。
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