什麼是 NI X 系列？

X 系列裝置是 NI 眾多多功能資料擷取 (DAQ) 裝置設計中最先進的一款。其特色在於能因應最高需求的測試、量測與控制用途的增強功能。

每台 X 系列裝置均含類比 I/O、數位 I/O 和四個 32 位元計數器/計時器，適用於 USB、PCI Express 及 PXI Express。

X 系列用於 PC 架構的多功能 I/O 能發揮前所未有的優異效能。裝置含 NI-STC3 時序與同步技術、用於 USB 的 NI 訊號串流技術和用於 PCI Express 的原生介面，以及適用於多核心的驅動程式軟體。

圖 1. NI 提供適用於 USB、PCI Express 以及 PXI Express 的 X 系列裝置。

NI 提供多款 X 系列裝置，從平價裝置到有同步取樣功能的高速裝置全數齊備。表 1 整理可供選擇的機型，以及各機型的重要規格。

表 1.通道數、取樣率與匯流排組選擇相當廣泛。

根據用途選擇適合的匯流排時，有幾個需要列入考量的要點。舉例來說，USB 適合需要攜帶便利度與隨插即用功能的用途。PCI Express 和 PXI Express 很容易實現多台裝置同步，也能達到最高頻寬與最低潛時。

表 2 整理選擇 USB 和 PCI Express/PXI Express 的重要因素。

	USB	PCI Express 與 PXI Express
NI-STC3 技術
並行的類比、數位與計數器作業
可攜性		–
隨插即用作業		–
整合式訊號連線		–
高頻寬	–
低潛時	–
支援 LabVIEW Real-Time	–
多台裝置同步化	–

表 2.選擇 USB 或 PCI Express/PXI Express 時應考量的重要因素。

為盡可能提升多功能裝置的功能與彈性，使其效能得以大幅超越舊款裝置，X 系列裝置結合以下三大技術：

1. NI-STC3 時序與同步技術
2. USB 與 PCI Express/PXI Express 規格的高速匯流排介面
3. 平行執行軟體

所有多功能資料擷取硬體皆須內建時序電路，用於控制類比、數位與計數器 I/O 線路，而時序 ASIC 技術已經發展了數十年之久。X 系列 DAQ 產品採用新的 NI-STC3 技術，內建四個改良版計數器、100 MHz 時基 (Timebase)，以及更多的 I/O 時序與觸發選項。

四個改良版計數器

X 系列所採用的 NI-STC3 新技術提供四組 32 位元解析度的 100 MHz 計數器，更大幅提升了計數器的效能。除了一台 X 系列裝置就有四個計數器之外，現在只要一個計數器通道，就能完成之前必須用到兩台計數器的作業。以控制步進馬達為例，您通常需要產生有限數量的數位脈衝，在此之前的做法是先用一台計數器連續產生脈衝，再以另一台計數器控制要傳送到馬達的脈衝。不過，現在只要一台 NI-STC3 計數器就能完成這項工作；也就是說，一台 X 系列裝置最多能控制四個步進馬達。

100 MHz 時基

任何資料擷取裝置內建的時基，都可以當做驅動所有數位電路的主力。包括取樣時脈到觸發器通道在內的所有組件，都會參考內建的時基，以產生時脈頻率與閂鎖數位邊緣。NI-STC3 技術採用新的 100 MHz 時基處理所有類比和數位時序，相較於任何舊款 NI DAQ 裝置，速度快了五倍。這就表示，取樣頻率的準確度得以提高五倍，且只要符合觸發條件，類比觸發器在 10 ns 內就能回應。

適用於類比與數位 I/O 的獨立時序引擎

資料擷取裝置的進階時序與觸發功能，往往需依賴內建的計數器與複雜的訊號路由作業，以達到特定的硬體時序效能。NI-STC3 技術提供完全獨立的取樣時脈與觸發器，適用於多功能裝置上每個不同的 I/O 群組。舉例來說，可再觸發的擷取作業必須先等待觸發條件達成，進行有限次數的取樣，然後立即重新設定觸發器，以進行下一個擷取作業。若透過驅動軟體的函式呼叫來重新設定觸發，即有可能因軟體延遲之故，而衍生遺失下一個觸發的風險；因此，若要實現最理想的效能，勢必得仰賴硬體時序方法。過去，計數器是執行硬體時序再觸發作業的唯一途徑，正因如此，才會使用計數器產生可再觸發的脈波列，進而從內部加以路由，將其當做類比輸入的取樣時脈。

此外，由於新款 X 系列 DAQ 機板採用 NI-STC3 技術，類比通道不必使用計數器也能執行能重複觸發的擷取作業，而觸發器也能自動重新設定，不需要等待軟體操作。專用於擷取或產生硬體時脈數位波形的新時脈是另一項新的獨立時序功能。

高傳輸率用途是指會在裝置與電腦記憶體之間互傳大量資料的應用方式，X 系列裝置針對這類用途提供數項增強功能。USB 規格的 X 系列裝置採用 NI 訊號串流技術。PCI Express/PXI Express 規格的 X 系列裝置則內建 PCI Express 原生介面，能發揮最高傳輸量與低潛時。

專利認證的 NI 訊號串流技術

USB X 系列裝置內建 NI 訊號串流專利技術，採用訊息傳輸功能與裝置端智慧技術，透過 USB 確實進行高速的雙向資料傳輸作業。

圖 2. USB X 系列採用 NI-STC3 技術，用於進階時序與觸發功能；另採用 NI 訊號串流技術，發揮最高的 USB 匯流排傳輸率。

NI 充分運用 NI 訊號串流技術，首度以兩台裝置同步進行多功能 USB 裝置取樣，這兩台裝置能逐一在八個類比輸入中分別以每秒 1.25 MS 和每秒 2 MS 的速率進行取樣，且包含了 32 或 64 MS 的內建記憶體。這些裝置在所有通道都能發揮高取樣率，因此非常適合應用於可攜式超音波測試與暫態記錄用途。這些裝置的長期連續作業取決於主機電腦、取樣率以及通道數。

原生 PCI Express 介面

PCI Express 問世並結合 PXI Express 標準後，就得以突破曾經存在於量測系統的資料瓶頸了。相對於 PCI 的 132 MB/s 共用頻寬，PCI Express 現在能針對每台組裝置提供專用的序列通道，且雙向都能發揮 250 MB/s 理想頻寬。

某些資料擷取裝置採用橋接方式將 PCI 設計轉為 PCI Express 設計，但如此一來，其頻寬只能以 PCI 的頻寬為限寬，還會額外引發潛時。X 系列則提供原生的 x1 (「乘一」) PCI Express 和 PXI Express 介面，能充分運用完整的 PCI Express 頻寬。您可以在 x1 到 x16 的 PCI Express 插槽使用 PCI Express X 系列裝置。

圖 3. 從 x1 到 x16，任何一個 PCI Express 插槽都能使用 PCI Express 規格的 X 系列。

X 系列還配備八個 DMA 通道，不需透過 CPU 互動或另外設計程式就能直接在裝置與電腦記憶體之間串流資料。這八個通道能讓類比 I/O、數位 I/O 與全部 (四台) 的計數器/計時器全數做到平行的資料串流作業。由於四個 32 位元計數器全數擴大採用 127 個取樣 FIFO，現在執行事件計數或產生 PWM 輸出之類的計數器緩衝作業時，速度已經比舊款裝置快了許多。

PCI Express 用於大多數內部匯流排的潛時相對低，因此，非常適合應用於閉迴路控制用途。X 系列裝置也擴充了在裝置所有子系統上執行之硬體時脈單點的功能。

要充分運用 DAQ 裝置的平行硬體子系統，就需使用高效能驅動程式與應用程式軟體。

X 系列的驅動程式軟體是 NI-DAQmx，能提供簡單且一致的 API，一體適用於所有量測與產生類型的作業。NI-DAQmx 採多執行緒架構，也就是說，您可以開發出能將量測與產生作業分段在不同執行緒中進行處理的應用程式。您可以在數個程式設計環境中呼叫 NI-DAQmx，其中包括 NI LabVIEW、NI LabWindows™/CVI、C/C++、Visual Basic 6 和 .NET。

若要與 NI-DAQmx 介接，並且將資料擷取應用程式進行最佳化處理，以利應用於多核心電腦，最簡單的方法就是使用 LabVIEW。您可以為每一個量測工作建立一個 While Loop，LabVIEW 會自動將您的應用程式切割分配到多個執行緒。接下來就由作業系統管理這些執行緒在一或多個 CPU 核心當中的執行，使其發揮最佳效能。舉例來說，您可以為執行於一個核心的比例積分微分 (PID) 控制工作建立一個 While Loop，再另外建立一個 While Loop，用於處理另一個核心的快速傅立葉轉換 (FFT)。

圖 3. 您可以在 LabVIEW 中使用平行 While Loop，處理在不同 CPU 核心的 DAQ 裝置 I/O。

PCI Express 和 PXI Express 規格的 X 系列裝置皆須使用 NI-DAQmx 9.0 或更新版本；USB 規格的 X 系列則須使用 NI-DAQmx 9.2 或更新版本。NI-DAQmx 9.0 推出兩大功能：

1. 1. 快速輕鬆的資料記錄功能。使用者往往需要將擷取到的資料記錄至磁碟以進行後續處理或趨勢分析。有了 NI-DAQmx 之後，現在可以將資料記錄在技術資料管理串流 (Technical Data Management Streaming, TDMS) 量測檔案中，只要在 DAQmx 工作加入一個「DAQmx Configure Logging」VI 即可。這種寫入 TDMS 檔案的方式也相當迅速；初期基準指標顯示磁碟寫入速度能達 1 GB/s 以上。
   2. X 系列多裝置工作。將 X 系列應用於高通道數用途，很容易就能同步多台裝置。若使用 PCI Express 規格的 X 系列，則需使用 Real-Time System Integration (RTSI) 連接線進行連接。使用 PXI Express 規格的 X 系列時，可以透過 PXI Express 背板上的時序與觸發匯流排同步模組。NI-DAQmx 9.0 提供適用於 X 系列的多裝置工作，也就是說，您可以建立一組包含兩台裝置的量測程式碼，NI-DAQmx 會自動管理取樣時脈共用作業。

圖 5. NI-DAQmx 驅動程式軟體能進行多裝置作業，輕鬆同步兩台或兩台以上的 X 系列裝置。

由於時序和觸發功能、匯流排傳輸及資料處理技術的進步，NI X 系列裝置成為 NI 現階段在技術設計方面最高階的 DAQ 裝置。由於充分運用 PCI Express 與多核心處理器在內的最新電腦技術，因此能夠建立具經濟效益的量測與控制系統，確實發揮從訊號到軟體保持平行作業的效益。

• 參閱 X 系列規格與價格
  
• 已經在使用資料擷取系統了？了解改用 X 系列的考量事項

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