一些*產(chǎn)業(yè)和實(shí)驗(yàn)室的元器件微型化趨勢已經(jīng)顯著增加了業(yè)界對三維微米和納米測量技術(shù)的需求。由于許多測量對象的外形尺寸處于毫米范圍內(nèi)，但卻具有原子大小的功能組件和納米范圍的公差，導(dǎo)致市場對多量程測量存在強(qiáng)烈的需求。

選擇NI技術(shù)的理由

我們需要一個(gè)新的信號和數(shù)據(jù)處理單元系統(tǒng)架構(gòu)來滿足高性能要求，特別是針對系統(tǒng)頻率、閉環(huán)控制和海量數(shù)據(jù)管理。為了實(shí)現(xiàn)特定測量任務(wù)低于30納米的測量不確定度，我們需要具備以下條件：

 在666 2/3 kHz頻率下并行同步的數(shù)據(jù)采集

· 在83 1/3kHz頻率下進(jìn)行周期內(nèi)測量值預(yù)處理和后處理

· 在8 1/3 kHz頻率下進(jìn)行閉環(huán)控制

· 低延遲數(shù)據(jù)傳輸

     靈活的模塊化NI PXI硬件平臺可滿足所有這些系統(tǒng)要求。它包含多個(gè)具有信號和觸發(fā)功能的PXI模塊，比如配有模擬和數(shù)字接口的FPGA模塊。我們也可以使用這些模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外，硬件獨(dú)立的面向數(shù)據(jù)流編程以及LabVIEW和NI硬件的無縫集成也為我們提供了很大的便利。

 NPMM-200信號和數(shù)據(jù)處理裝置

信號和數(shù)據(jù)處理裝置(SDPU)包含了三個(gè)NI PXI機(jī)箱、一個(gè)實(shí)時(shí)控制器和11個(gè)FPGA模塊。該系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)和控制器系統(tǒng)(CS)。 DAS在666 2/3 kHz頻率下對39個(gè)模擬輸入進(jìn)行同步信號采集和預(yù)處理。測量后處理（比如復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)校正）的發(fā)生頻率為83 1/3 kHz。SCS和CS 在8 1/3 kHz頻率下進(jìn)行控制和系統(tǒng)管理。

DAS的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到SCS，設(shè)定值和其他控制輸入發(fā)送到CS。然后CS將激勵器信號輸出至機(jī)械系統(tǒng)。由于6662/3 kHz的數(shù)據(jù)采集速率和12μs的測量周期時(shí)間（包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理），DAS具有非常高的實(shí)時(shí)要求。預(yù)處理和后處理包括采用單精度和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的復(fù)雜算法。

     由于低延遲、周期內(nèi)計(jì)算和周期時(shí)間要求，運(yùn)算只能在FPGA模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)。因此，我們在FPGA模塊內(nèi)開發(fā)了一個(gè)針對復(fù)雜算法運(yùn)算的高性能浮點(diǎn)處理器(LISARD)。

我們無法使用標(biāo)準(zhǔn)PXI 通信方式來實(shí)現(xiàn)FPGA模塊之間的數(shù)據(jù)交換。相反，通信是通過一個(gè)使用數(shù)字輸入和輸出的通信接口來實(shí)現(xiàn)的。其中一條數(shù)字線用于時(shí)鐘信號，而多達(dá)32條數(shù)字線用于處理數(shù)據(jù)。該通信接口適用于多種數(shù)據(jù)寬度（4 - 至32 - 位）。zui大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1.28 Gbit / s。

測量數(shù)據(jù)處理被分為三個(gè)階段：
1. 每個(gè)FPGA模塊在過程中直接采集8個(gè)A / D轉(zhuǎn)換器通道數(shù)據(jù)
2. 執(zhí)行測量預(yù)處理、原始值校正和數(shù)據(jù)融合
3. 校正融合后的測量值、后處理測量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到序列和控制系統(tǒng)

通過使用具有渠道機(jī)制的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，我們能夠滿足整體定時(shí)需求。每個(gè)相位的計(jì)算時(shí)間低于12微秒。 DAS以16位的分辨率和6662/3 kHz的頻率并行處理39個(gè)模擬信號。星形觸發(fā)總線通過NI PXI-6653定時(shí)和同步模塊觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)可用的模擬輸入，我們采用五個(gè)NI PXI-7853R FPGA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這些模塊還提供了信號預(yù)處理和測量值生成。

DAS可分成兩個(gè)子系統(tǒng)：定位子系統(tǒng)和探針子系統(tǒng)。定位子系統(tǒng)處理23個(gè)模擬信號，主要是位置和角度信息，在對算法進(jìn)行微小的修正后在83 1/3kHz頻率下生成原始測量值。定位子系統(tǒng)通過三個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊和一個(gè)NI PXI-7813R模塊來合并原始測量值。此外，我們使用NI PXI-7853R模塊和PXI-7854R模塊來進(jìn)行內(nèi)存密集型后處理。

DAS輸出是一個(gè)包含三個(gè)雙精度值和20個(gè)單精度值的測量值結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)率為zui低8 1/3 KHz時(shí)下游子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)速率為zui大83 1/3 KHz時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

SCS用于執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的序列控制，其中包含一個(gè)軌跡發(fā)生器。CS包括一個(gè)功能強(qiáng)大的閉環(huán)控制器，由三個(gè)卡爾曼濾波器和6個(gè)比例積分微分控制器組成。完整控制算法采用浮點(diǎn)運(yùn)算。我們通過兩個(gè)NI PXI-7853R FPGA模塊來實(shí)現(xiàn)算法計(jì)算和過程連接。zui大控制周期速率是115 kHz。

NI技術(shù)一覽

我們的應(yīng)用通過NI PXI-8108嵌入式控制器來實(shí)現(xiàn)管理任務(wù)，通過NI PXI-6653和NI PXI-6651模塊來控制定時(shí)和同步。對于連接、周期內(nèi)計(jì)算和通信，我們采用NI PXI-7813R來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、NI PXI-7853R模塊實(shí)現(xiàn)過程連接和信號處理以及NI PXI-7854R模塊實(shí)現(xiàn)信號后處理。

     為了開發(fā)當(dāng)前的穩(wěn)定系統(tǒng)，北京瀚文網(wǎng)星科技有限責(zé)任公司使用NI LabVIEW 2010軟件、LabVIEW FPGA模塊以及LabVIEW Real-Time模塊。開發(fā)過程很大程度取決于LabVIEW培訓(xùn)和NI批量許可證協(xié)議。

系統(tǒng)優(yōu)勢

通過將NI技術(shù)、自行研發(fā)的通信方法以及計(jì)算概念相結(jié)合，我們能夠滿足下一代NPMM設(shè)備的計(jì)算挑戰(zhàn)。模塊化和可擴(kuò)展系統(tǒng)架構(gòu)為低延遲實(shí)時(shí)信號和數(shù)據(jù)處理提供了高速時(shí)鐘速率，從而實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度和高精密度的位置、角度和探頭傳感器數(shù)據(jù)集生成。NPMM-200是世界上zui的納米測量機(jī)之一，測量體積達(dá)200×200×25 mm³，分辨率高達(dá)80 pm。

  新系統(tǒng)架構(gòu)大大提高了新設(shè)備的原始處理系統(tǒng)性能。模塊化硬件平臺可以幫助我們輕松快速地調(diào)整信號和數(shù)據(jù)處理裝置來應(yīng)對新挑戰(zhàn)。