什么是NI X系列？
内容
X系列设备是NI迄今为止设计的超先进多功能数据采集(DAQ)设备。这些设备具有增强功能，可满足要求非常苛刻的测试、测量和控制应用的需求。
每个X系列设备均包括模拟I/O、数字I/O和四个32位计数器/定时器，适用于USB、PCI Express和PXI Express。
X系列提供基于PC的卓越多功能I/O。设备包括NI-STC3定时和同步技术、适用于USB和PCI Express本机接口的NI信号流式传输技术以及多核就绪驱动程序软件。
产品概述
图1. NI提供适用于USB、PCI Express和PXI Express的X系列设备。
NI提供丰富的X系列设备，无论是经济型还是高速型，都具有同步采样功能。表1总结了您可以从中进行选择的型号以及其主要规格。
模块 | 模拟输入 | 最大AI采样率 | 总AI吞吐量（所有通道） | 模拟输出 | 数字I/O | DIO最大时钟频率 |
| NI USB-6341 | 16 | 500 kS/s | 500 kS/s | 2 | 24 | 1 MHz |
| NI USB-6343 | 32 | 500 kS/s | 500 kS/s | 4 | 48 | 1 MHz |
| NI USB-6351 | 16 | 1.25 MS/s | 1 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI USB-6353 | 32 | 1.25 MS/s | 1 MS/s | 4 | 48 | 10 MHz |
| NI USB-6361 | 16 | 2 MS/s | 1 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI USB-6363 | 32 | 2 MS/s | 1 MS/s | 4 | 48 | 10 MHz |
| NI USB-6356 | 8路同步 | 每通道1.25 MS/s | 10 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI USB-6366 | 8路同步 | 每通道2 MS/s | 16 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI PCIe-6320 | 16 | 250 kS/s | 250 kS/s | 0 | 24 | 1 MHz |
| NI PCIe-6321 | 16 | 250 kS/s | 250 kS/s | 2 | 24 | 1 MHz |
| NI PCIe-6323 | 32 | 250 kS/s | 250 kS/s | 4 | 48 | 1 MHz |
| NI PCIe-6341 | 16 | 500 kS/s | 500 kS/s | 2 | 24 | 1 MHz |
| NI PCIe-6343 | 32 | 500 kS/s | 500 kS/s | 4 | 48 | 1 MHz |
| NI PCIe-6351 | 16 | 1.25 MS/s | 1 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI PCIe-6353 | 32 | 1.25 MS/s | 1 MS/s | 4 | 48 | 10 MHz |
| NI PCIe-6361 | 16 | 2 MS/s | 1 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI PCIe-6363 | 32 | 2 MS/s | 1 MS/s | 4 | 48 | 10 MHz |
| NI PXIe-6341 | 16 | 500 kS/s | 500 kS/s | 2 | 24 | 1 MHz |
| NI PXIe-6361 | 16 | 2 MS/s | 1 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI PXIe-6363 | 32 | 2 MS/s | 1 MS/s | 4 | 48 | 10 MHz |
| NI PXIe-6356 | 8路同步 | 每通道1.25 MS/s | 10 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI PXIe-6358 | 16路同步 | 每通道1.25 MS/s | 20 MS/s | 4 | 48 | 10 MHz |
| NI PXIe-6366 | 8路同步 | 每通道2 MS/s | 16 MS/s | 2 | 24 | 10 MHz |
| NI PXIe-6368 | 16路同步 | 每通道2 MS/s | 32 MS/s | 4 | 48 | 10 MHz |
表1.您可以从广泛的通道数、采样率和总线选项中进行选择。
为应用选择正确的总线
涉及到选择适合应用的总线时，应考虑多种因素。例如，USB适用于需要便携性和即插即用功能的应用。PCI Express和PXI Express提供方便的多设备同步功能以及可能的最高带宽和最低延迟。
表2总结了在USB和PCI Express或PXI Express之间进行选择时应考虑的一些重要因素。
| USB | PCI Express和PXI Express | |
| NI-STC3技术 |  | |
| 并行模拟、数字和计数器操作 | | |
| 便携性 | | – |
| 即插即用操作 | | – |
| 集成信号连接 | | – |
| 高带宽 | – | |
| 延迟低 | – | |
| LabVIEW Real-Time支持 | – | |
| 多设备同步 | – | |
表2.在USB和PCI Express或PXI Express之间进行选择时应考虑这些重要因素。
X系列技术
为了将多功能设备的功能和灵活性扩展到远超前一代设备所达到的程度，X系列设备采用了三种主要技术：
- NI-STC3定时和同步技术
- 适用于USB和PCI Express/PXI Express的高速总线接口
- 并行软件执行
NI-STC3定时和同步技术
所有多功能数据采集硬件都需要板载定时电路来控制模拟、数字和计数器I/O线路，定时ASIC技术已经经历了十多年的发展。X系列DAQ设备采用新的NI-STC3技术，提供四个增强型计数器、一个100 MHz时基和其他I/O定时和触发选项。
四个增强型计时器
X系列中采用的新NI-STC3技术将计时器提升到了全新的水平，提供四个分辨率为32位的100 MHz计数器。单个X系列设备上不仅有四个计数器，而且以前设备需要两个计数器才能完成的操作现在只用一个计数器通道即可完成。例如，如果您要控制一台步进电机，通常需要生成有限数量的数字脉冲，在过去这需要使用一个计数器不断生成脉冲，并使用第二个计数器对发送到电机的脉冲进行选通。NI-STC3计数器可以使用单个计数器完成此任务，这意味着单个X系列设备可以控制多达四个步进电机。
100 MHz时基
任何数据采集设备的板载时基都可用作驱动所有数字电路的内部心跳。从采样时钟到触发器线路的所有组件均可使用该时基作为板载基准，以此生成时钟频率和锁存数字边缘。NI-STC3技术使用新的100 MHz时基进行所有的模拟和数字定时，比NI以前推出的任何DAQ设备都快五倍。这意味着采样频率的精度提高了五倍，而且模拟触发器可在满足某个触发条件后的10 ns内进行响应。
适用于模拟和数字I/O的独立定时引擎
数据采集设备上的高级定时和触发功能通常依赖板载计数器和复杂的信号路由来实现专用的硬件定时性能。NI-STC3技术为多功能设备上每个不同的I/O组提供了完全独立的采样时钟和触发器。例如，可重触发的采集涉及等待满足触发条件，进行有限数量的采样，然后立即重置触发器以进行下次采集。由于软件延迟，需要使用驱动程序软件功能调用来重置触发器有错过下次触发的风险；因此，为了实现尽可能高的性能，需要使用硬件定时方法。过去，计数器是实现硬件定时重新触发的唯一方法，因此需要使用计数器来生成可重触发的脉冲序列，然后在内部进行路由以充当模拟输入采样时钟。
另外，通过在新的X系列DAQ板上使用NI-STC3技术，模拟通道不再需要使用计数器来实现可重触发的采集，触发器可以独立地自行重置，无需软件干预。新独立定时功能的另一个示例是使用新的专用时钟来采集或生成硬件定时的数字波形。
高速总线接口
X系列设备采用了多项适合高吞吐量应用的增强功能。高吞吐量应用是指在设备和PC存储器之间传递大量数据的应用。适用于USB的X系列设备包括NI信号串流技术。适用于PCI Express和PXI Express的X系列设备包括PCI Express本机接口，用于实现最大吞吐量和低延迟。
获得专利的NI信号串流技术
USB X系列设备采用了获得专利的NI信号串流技术，该技术通过基于消息的传输和设备智能来实现基于USB的高速双向数据传输。
图2. USB X系列采用了用于实现高级定时和触发的NI-STC3技术以及用于实现最大USB总线吞吐量的NI信号串流技术。
凭借此技术，NI首次制造出同步采样多功能USB设备，使用两个设备便能以1.25 MS/s和2 MS/s的速率对八个模拟输入的每个输入进行采样，而且设备采用32或64 MS的板载存储器。这些设备在所有通道上都具有较高的采样率，适用于便携式超声测试和瞬态记录应用。这些设备的长期连续运行情况将取决于主机PC、采样率和通道数。
本机PCI Express接口
随着PCI Express的推出及其与PXI Express标准的集成，测量系统中一度存在的数据瓶颈正在消失。与PCI的共享132 MB/s带宽相比，PCI Express可为每个设备提供专门的串行通道，每个方向的理论带宽为250 MB/s。
有些数据采集设备使用基于桥的实现将PCI设计转换为PCI Express，这会将带宽限制为PCI的带宽，并会引入其他延迟。而X系列提供具有完整PCI Express带宽的本机x1（“一倍”）PCI Express和PXI Express接口。您可以在x1至x16的PCI Express插槽中使用PCI Express X系列设备。
图3. 您可以在x1至x16的任何PCI Express插槽中使用PCI Express X系列设备。
X系列还包括八个DMA通道，用于直接在设备和PC存储器之间流式传输数据，无需CPU交互或其他编程工作。这八个通道为模拟I/O、数字I/O和全部四个计数器/定时器提供并行数据流。四个32位计数器中的每个计数器都有可扩展的127采样FIFO，因此现在能以比之前设备更快的速率执行缓冲计数器操作，例如事件计数或生成PWM输出。
与大多数内部总线一样，PCI Express具有超低的延迟，因此适用于闭环控制应用。X系列设备还可扩展设备中所有子系统的硬件定时单点性能功能。
多核PC上的并行处理
为了充分利用DAQ设备上的并行硬件子系统，您需要高性能驱动程序和应用程序软件。
适用于X系列的驱动程序软件是NI-DAQmx，该软件可在所有测量和生成类型中提供简单、一致的API。NI-DAQmx是多线程软件，这意味着您可以开发通过单独线程分段处理测量和生成任务的应用程序。您可以从多种编程环境中调用NI-DAQmx，这些环境包括NI LabVIEW、NI LabWindows™/CVI、C/C++、Visual Basic 6和.NET。
为了连接NI-DAQmx并优化数据采集应用程序以便在多核计算机上使用，最简单的方法是使用LabVIEW。您可以为每个测量任务创建一个While循环，LabVIEW会自动将您的应用程序分成多个线程。然后，您的操作系统便能在一个或多个CPU内核中管理这些线程，使其以最佳方式执行。例如，您可为在一个内核上运行的比例积分微分(PID)控制创建一个While循环，并在另一个内核上创建一个While循环来处理快速傅立叶变换(FFT)。
图3. 通过在LabVIEW中使用并行While循环，可以在单独的CPU内核上处理DAQ设备I/O。
PCI Express和PXI Express X系列设备需要NI-DAQmx版本9.0或更高版本，USB X系列设备需要NI-DAQmx版本9.2或更高版本。NI-DAQmx 9.0引入了两个强大的功能：
- 快速、轻松的数据记录。您将会频繁需要将采集的数据记录到磁盘，以便进行后处理或趋势分析。借助NI-DAQmx，现在可以将单个“DAQmx配置记录”VI添加到您的NI-DAQmx任务，从而将数据记录到技术数据管理流(TDMS)测量文件。此外，这种写入TDMS文件的方法速度超快；初步基准测试结果指示磁盘写入速率可能会超过1 GB/s。
- 针对X系列的多设备任务。对于使用X系列的高通道数应用，您可以轻松同步多个设备。对于PCI Express X系列，您必须用实时系统集成(RTSI)电缆连接这些设备。对于PXI Express X系列，这些模块可以通过PXI Express背板上的定时和触发总线彼此同步。NI-DAQmx 9.0引入了针对X系列的多设备任务，这意味着您可以创建一组包含两个设备的测量代码，NI-DAQmx会自动管理采样时钟共享。
图5. NI-DAQmx驱动程序软件通过多设备任务，可以轻松地同步两个或多个X系列设备。
结语
随着定时和触发、总线传输和数据处理方面的发展，X系列代表了NI迄今为止设计的技术较为先进的DAQ设备。借助最新的PC技术，包括PCI Express和多核处理器，现在可以创建经济高效的测量和控制系统，真正实现从信号到软件的并行。
下一步
LabWindows标志经Microsoft Corporation授权使用。Windows是Microsoft Corporation在美国和其他国家/地区的注册商标。