Was ist die X-Serie von NI?

Bei den Geräten der X-Serie handelt es sich um die fortschrittlichsten Multifunktions-DAQ-Geräte, die NI bisher auf den Markt gebracht hat. Sie bieten Verbesserungen, die auf die Anforderungen anspruchsvoller Mess-, Prüf-, Steuer- und Regelanwendungen abgestimmt sind.

Die Geräte der X-Serie sind für USB, PCI Express und PXI Express erhältlich und umfassen jeweils Analog- und Digital-I/O sowie vier 32-bit-Zähler/Timer.

Die PC-basierten Multifunktions-I/O-Geräte der X-Serie bieten herausragende Leistung. Die Geräte umfassen die Timing- und Synchronisationstechnologie NI-STC3, NI-Streaming-Technologie für USB, eine native Schnittstelle für PCI Express sowie Multicore-fähige Treibersoftware.

Abbildung 1:  NI bietet Geräte der X-Serie für USB, PCI Express und PXI Express an.

NI bietet eine umfangreiche Palette von Geräten der X-Serie an, angefangen bei kostengünstigen Geräten bis zu Hochgeschwindigkeitsgeräten mit simultaner Erfassung. Tabelle 1 bietet einen Überblick über die Modelle der X-Serie und ihre jeweiligen Hauptspezifikationen.

Tabelle 1: Anwendern steht bei Kanalanzahl, Sample-Rate und Bussystem eine breite Palette von Optionen zur Verfügung.

Bei der Auswahl des passenden Bussystems für eine Anwendung spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Beispielsweise eignet sich USB insbesondere für mobile Anwendungen, die Plug-and-play-Funktionen erfordern. PCI Express und PXI Express ermöglichen die einfache Synchronisation mehrerer Geräte und bieten die höchstmögliche Bandbreite und die geringste Latenz.

In Tabelle 2 werden einige wichtige Faktoren für die Auswahl zwischen USB und PCI Express bzw. PXI Express zusammengefasst.

	USB	PCI Express und PXI Express
NI-STC3-Technologie
Parallele Ausführung von Analog-, Digital- und Zähler-Operationen
Portabilität		–
Plug-and-play-Operation		–
Integrierte Anschlußtechnik		–
Hohe Bandbreite	–
Geringe Latenzzeit	–
Unterstützung für LabVIEW Real-Time	–
Synchronisation mehrerer Messgeräte	–

Tabelle 2. Wichtige Faktoren für die Auswahl zwischen USB und PCI Express bzw. PXI Express.

Um die Funktionalität und Flexibilität von Multifunktionsgeräten weit über die Vorgängergeneration hinaus zu erweitern, sind in den Geräten der X-Serie drei wichtige Technologien integriert:

1. Timing- und Synchronisationstechnologie NI-STC3
2. Hochgeschwindigkeits-Busschnittstellen für USB und PCI Express/PXI Express
3. Parallele Softwareausführung

Jede Multifunktions-DAQ-Hardware benötigt einen integrierten Timing-Schaltkreis, um analoge, digitale und zählergestützte I/O-Kanäle zu steuern. Die ASIC-Timing-Technologie hat sich dabei über Jahrzehnte hinweg weiterentwickelt. Die DAQ-Geräte der X-Serie umfassen die Timing- und Synchronisationstechnologie NI-STC3, die vier erweiterte Zähler, einen 100-MHz-Takt sowie zusätzliche Optionen für I/O-Timing und -Triggerung zur Verfügung stellt.

Vier erweiterte Zähler

Die neue NI-STC3-Technologie der X-Serie bietet jetzt vier 100-MHz-Zähler mit einer Auflösung von 32 bit. Jedes einzelne Gerät der X-Serie ist nicht nur mit vier Zählern ausgestattet. Es können nun auch Operationen, die bisher zwei Zähler erforderten, mit einem einzelnen Zähler-Kanal durchgeführt werden. Soll beispielsweise ein Schrittmotor gesteuert werden, muss häufig eine endliche Zahl digitaler Impulse erzeugt werden. Bisher hätte dafür ein Zähler kontinuierliche Impulse erzeugen und ein zweiter Zähler als Gate-Eingang für die an den Motor gesendeten Impulse dienen müssen. Bei der NI-STC3-Technologie reicht ein einzelner Zähler für diese Aufgabe, sodass ein einziges Gerät der X-Serie bis zu vier Schrittmotoren steuern könnte.

100-MHz-Zeitbasis

Die Onboard-Zeitbasis jedes DAQ-Geräts stellt den internen „Herzschlag“ dar, der alle digitalen Schaltungen betreibt. Von den Sample-Takten bis zu den Triggerkanälen wird die Zeitbasis als Onboard-Referenz verwendet, um Taktfrequenzen zu erzeugen und Digitalflanken zu verriegeln. Die NI-STC3-Technologie nutzt eine neue 100-MHz-Zeitbasis für analoges und digitales Timing, die fünfmal schneller ist als die bisheriger DAQ-Geräte von NI. Somit sind Sample-Frequenzen fünfmal genauer, während analoge Trigger innerhalb von 10 ns reagieren können, sobald eine Triggerbedingung erfüllt wird.

Unabhängige Timing-Engines für Analog- und Digital-I/O

Die Implementierung spezieller hardwaregetakteter DAQ-Anwendungen mittels erweiterter Timing- und Triggerfunktionalität hing in der Vergangenheit oft von Onboard-Zählern und komplexem Signal-Routing ab. Die NI-STC3-Technologie bietet unabhängige Sample-Takte und -Trigger für jede I/O-Gruppe auf einem Multifunktionsgerät. Bei wiederholt triggerbaren Erfassungen wird abgewartet, bis eine Triggerbedingung erfüllt wird. Anschließend wird eine endliche Anzahl von Samples durchgeführt und die Triggererkennung anschließend wieder für die nächste Erfassung vorbereitet. Werden für Letzteres Funktionsaufrufe der Treibersoftware genutzt, besteht aufgrund von Softwarelatenz das Risiko, den nächsten Trigger zu verpassen. Die bestmögliche Leistung kann deshalb nur mit einer hardwaregetakteten Methode erzielt werden. Bisher stellten Zähler die einzige Möglichkeit dar, hardwaregetaktete kontinuierliche Triggerung zu implementieren. Somit würden Zähler verwendet, um eine wiederholt triggerbare Pulsfolge zu erzeugen, die dann intern so geroutet wird, dass sie als Sample-Takt des Analogeingangs fungiert.

Aufgrund der verwendeten NI-STC3-Technologie erfordern analoge Kanäle keine Zähler mehr, um wiederholt triggerbare Erfassungen zu implementieren. Darüber hinaus können sich Trigger selbständig und ohne Softwareintervention wieder bereit schalten. Ein weiteres Beispiel für die neuen Timing-Fähigkeiten ist der neue dedizierte Takt für die Erfassung oder Erzeugung hardwaregetakteter digitaler Signalverläufe.

Die DAQ-Geräte der X-Serie sind speziell für Anwendungen mit hohen Durchsatzanforderungen optimiert. Das sind Anwendungen, die große Datenmengen zum und vom Gerät und PC-Speicher übertragen. Geräte der X-Serie für USB bieten hierfür die NI-Streaming-Technologie. Geräte für PCI Express und PXI Express bieten eine native Schnittstelle für PCI Express, um einen höchstmöglichen Durchsatz und geringe Latenz zu ermöglichen.

Patentierte Streaming-Technologie von NI

Die USB-Geräte der X-Serie sind mit der patentierten NI-Streaming-Technologie ausgestattet, die nachrichtenbasierte Übertragungen und geräteseitige Intelligenz nutzt, um einen Hochgeschwindigkeits-Datentransfer in beide Richtungen über USB zur Verfügung zu stellen.

Abbildung 2:  Die USB-Geräte der X-Serie umfassen die NI-STC3-Technologie für erweitertes Timing und Triggern und die NI-Streaming-Technologie für einen maximalen USB-Busdurchsatz.

Durch die Nutzung der NI-Streaming-Technologie ist NI in der Lage, die ersten Multifunktions-USB-Geräte mit gleichzeitiger Abtastung mehrerer Signale auf den Markt zu bringen. Die beiden Geräte bieten eine Abtastung von 1,25 MS/s bzw. 2 MS/s auf jedem der acht Analogeingänge und umfassen einen Onboard-Speicher von 32 bzw. 64 MS. Aufgrund der hohen Sample-Raten auf allen Kanälen eignen sich die Geräte insbesondere für mobile Ultraschalltests sowie für die Aufzeichnung transienter Signale. Ein langfristiger, kontinuierlicher Betrieb der Geräte hängt vom Host-PC, der Sample-Rate und der Kanalanzahl ab.

Native PCI-Express-Schnittstelle

Mit der Einführung von PCI Express und seiner Integration in den Standard PXI Express verschwinden die Datenengpässe, die Messsysteme bisher einschränkten. Im Gegensatz zur gemeinsam genutzten Bandbreite von 132 MB/s bei PCI stellt PCI Express jedem Gerät dedizierte, serielle Datenleitungen und eine theoretische Bandbreite von 250 MB/s pro Richtung zur Verfügung.

Einige DAQ-Geräte verwenden eine Implementierung in Brückenschaltung, um einen PCI-Entwurf in PCI Express umzuwandeln. Dabei wird allerdings die Bandbreite auf den Stand von PCI beschränkt und zusätzliche Latenz aufgeschlagen. Die X-Serie von NI bietet stattdessen eine native x1-Schnittstelle („mal eins“) für PCI Express und PXI Express und stellt damit die volle Bandbreite von PCI Express bereit. Die X-Serie mit PCI Express kann in PCI-Express-Steckplätzen von x1 bis zu x16 eingesetzt werden.

Abbildung 3:  Die X-Serie für PCI Express kann in jedem PCI-Express-Steckplatz eingesetzt werden, von x1 bis x16.

Außerdem enthält die X-Serie acht DMA-Kanäle, sodass Daten direkt zwischen dem Gerät und dem PC-Speicher übertragen werden können, ohne dass der Hauptprozessor damit beansprucht wird oder zusätzlicher Programmieraufwand nötig ist. Diese acht Kanäle bieten parallele Datenströme für analoge I/O, digitale I/O und alle vier Zähler/Timer. Mit einem erweiterten FIFO für 127 Samples für jeden der vier 32-bit-Zähler sind jetzt auch gepufferte Zähler-Operationen viel schneller als bei bisherigen Geräten möglich, etwa bei der Ereigniszählung oder bei der Erzeugung eines PWM-Ausgangs.

Wie die meisten internen Busse weist PCI Express eine sehr geringe Latenz auf, sodass es sich hervorragend für Regelanwendungen eignet. Geräte der X-Serie erweitern auch die hardwaregetaktete Einzelwerterfassung auf allen Subsystemen des Geräts.

Um parallel arbeitende Subsysteme innerhalb eines DAQ-Geräts voll ausschöpfen zu können, sind leistungsstarke Treiber und eine Anwendungssoftware nötig.

Die Treibersoftware für die X-Serie ist NI-DAQmx. Sie sorgt für eine einfache, konsistente API für jede Art von Messung und Erzeugung. NI-DAQmx erlaubt Multithreading, sodass Anwendungen entwickelt werden können, welche die Verarbeitung von Mess- und Erzeugungsaufgaben in mehrere Threads aufteilen. Die Treibersoftware NI-DAQmx unterstützt verschiedene Programmierumgebungen, darunter NI LabVIEW, NI LabWindows™/CVI, C/C++, Visual Basic 6 und .NET.

Die einfachste Art der Anbindung an NI-DAQmx und der Optimierung einer DAQ-Anwendung für den Einsatz auf einem Multicore-Computer erfolgt mit der grafischen Entwicklungsumgebung LabVIEW. Dabei wird für jede Messaufgabe eine eigene Verarbeitungsschleife angelegt und LabVIEW teilt die Schleifen automatisch in mehrere Threads auf. Das Betriebssystem verwaltet dann die optimale Ausführung dieser Threads auf einem oder mehreren CPU-Kernen. So könnte eine Schleife für die PID-Regelung (Proportional Integral Derivative) erstellt werden, die auf einem Core abläuft, und eine weitere Schleife, die eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) auf einem anderen Core verarbeitet.

Abbildung 3:  Die Ein- und Ausgänge eines DAQ-Geräts können mittels Schleifen in LabVIEW auf separaten CPU-Kernen verarbeitet werden.

Die Geräte der X-Serie für PCI Express und PXI Express erfordern NI-DAQmx 9.0 oder höher, während Geräte der X-Serie für USB NI-DAQmx 9.2 oder höher benötigen. NI-DAQmx 9.0 verfügt über zwei neue leistungsstarke Funktionen:

1. 1. Schnelle und einfache Datenaufzeichnung. Erfasste Daten müssen häufig auf einer Festplatte protokolliert werden, um sie später zu verarbeiten oder Trends zu bestimmen. Mit NI-DAQmx ist es nun möglich, Daten im TDMS-Format zu protokollieren, indem dem NI-DAQmx-Task einfach das VI „DAQmx - Protokollierung konfigurieren“ hinzugefügt wird. Diese Art des Schreibens von TDMS-Dateien ist außerdem extrem schnell. Bisherige Leistungsvergleiche ergaben, dass mit mehr als 1 GB/s auf eine Festplatte geschrieben werden kann.
   2. Tasks mit mehreren Geräten für die X-Serie. Für Anwendungen mit der X-Serie, die eine hohe Kanalanzahl erfordern, lassen sich mehrere Geräte einfach synchronisieren. Bei der X-Serie für PCI Express müssen die Geräte dazu mit einem RTSI-Kabel (Real-Time System Integration) verbunden werden. Geräte der X-Serie für PXI Express können sich über die Timing- und Triggerbusse auf der PXI-Express-Backplane untereinander synchronisieren. NI-DAQmx 9.0 ermöglicht Tasks mit mehreren Geräten der X-Serie, d. h. dass ein einziger Satz Messcode erstellt werden kann, der mit zwei Geräten kommuniziert. NI-DAQmx verwaltet automatisch den gemeinsam genutzten Sample-Takt.

Abbildung 5:  Die Treibersoftware NI-DAQmx ermöglicht die einfache Synchronisation mehrerer Geräte der X-Serie.

Aufgrund von Fortschritten bei Timing und Triggerung, Busübertragung und Datenverarbeitung stellen Geräte der X-Serie die bisher technisch anspruchsvollsten DAQ-Geräte von NI dar. Durch Ausnutzung modernster PC-Technologien, darunter PCI Express und Multicore-Prozessoren, ist es jetzt möglich, kosteneffiziente Mess-, Steuer- und Regelsysteme zu erstellen, die vom Signal bis zur Software vollständig parallel ausgeführt werden können.

• Spezifikationen und Preise der X-Serie
  
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