一些*產業和實驗室的元器件微型化趨勢已經顯著增加了業界對三維微米和納米測量技術的需求。由于許多測量對象的外形尺寸處于毫米范圍內，但卻具有原子大小的功能組件和納米范圍的公差，導致市場對多量程測量存在強烈的需求。

選擇NI技術的理由

我們需要一個新的信號和數據處理單元系統架構來滿足高性能要求，特別是針對系統頻率、閉環控制和海量數據管理。為了實現特定測量任務低于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據采集

· 在83 1/3kHz頻率下進行周期內測量值預處理和后處理

· 在8 1/3 kHz頻率下進行閉環控制

· 低延遲數據傳輸

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

 NPMM-200信號和數據處理裝置

信號和數據處理裝置(SDPU)包含了三個NI PXI機箱、一個實時控制器和11個FPGA模塊。該系統由三個子系統組成：數據采集系統(DAS)、順序控制系統(SCS)和控制器系統(CS)。 DAS在666 2/3 kHz頻率下對39個模擬輸入進行同步信號采集和預處理。測量后處理（比如復雜的計算和數據校正）的發生頻率為83 1/3 kHz。SCS和CS 在8 1/3 kHz頻率下進行控制和系統管理。

DAS的測量數據發送到SCS，設定值和其他控制輸入發送到CS。然后CS將激勵器信號輸出至機械系統。由于6662/3 kHz的數據采集速率和12μs的測量周期時間（包括數據預處理和后處理），DAS具有非常高的實時要求。預處理和后處理包括采用單精度和雙精度浮點運算的復雜算法。

     由于低延遲、周期內計算和周期時間要求，運算只能在FPGA模塊內實現。因此，我們在FPGA模塊內開發了一個針對復雜算法運算的高性能浮點處理器(LISARD)。

我們無法使用標準PXI 通信方式來實現FPGA模塊之間的數據交換。相反，通信是通過一個使用數字輸入和輸出的通信接口來實現的。其中一條數字線用于時鐘信號，而多達32條數字線用于處理數據。該通信接口適用于多種數據寬度（4 - 至32 - 位）。zui大數據傳輸速率可達1.28 Gbit / s。

測量數據處理被分為三個階段：
1. 每個FPGA模塊在過程中直接采集8個A / D轉換器通道數據
2. 執行測量預處理、原始值校正和數據融合
3. 校正融合后的測量值、后處理測量數據并將數據傳送到序列和控制系統

通過使用具有渠道機制的級聯結構，我們能夠滿足整體定時需求。每個相位的計算時間低于12微秒。 DAS以16位的分辨率和6662/3 kHz的頻率并行處理39個模擬信號。星形觸發總線通過NI PXI-6653定時和同步模塊觸發數據采集。根據可用的模擬輸入，我們采用五個NI PXI-7853R FPGA模塊進行數據采集。這些模塊還提供了信號預處理和測量值生成。

DAS可分成兩個子系統：定位子系統和探針子系統。定位子系統處理23個模擬信號，主要是位置和角度信息，在對算法進行微小的修正后在83 1/3kHz頻率下生成原始測量值。定位子系統通過三個數據采集模塊和一個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模塊來進行內存密集型后處理。

DAS輸出是一個包含三個雙精度值和20個單精度值的測量值結構，數據率為zui低8 1/3 KHz時下游子系統進行數據處理，數據速率為zui大83 1/3 KHz時進行數據存儲。

SCS用于執行整個系統的序列控制，其中包含一個軌跡發生器。CS包括一個功能強大的閉環控制器，由三個卡爾曼濾波器和6個比例積分微分控制器組成。完整控制算法采用浮點運算。我們通過兩個NI PXI-7853R FPGA模塊來實現算法計算和過程連接。zui大控制周期速率是115 kHz。

NI技術一覽

我們的應用通過NI PXI-8108嵌入式控制器來實現管理任務，通過NI PXI-6653和NI PXI-6651模塊來控制定時和同步。對于連接、周期內計算和通信，我們采用NI PXI-7813R來實現數據融合、NI PXI-7853R模塊實現過程連接和信號處理以及NI PXI-7854R模塊實現信號后處理。

     為了開發當前的穩定系統，北京瀚文網星科技有限責任公司使用NI LabVIEW 2010軟件、LabVIEW FPGA模塊以及LabVIEW Real-Time模塊。開發過程很大程度取決于LabVIEW培訓和NI批量許可證協議。

系統優勢

通過將NI技術、自行研發的通信方法以及計算概念相結合，我們能夠滿足下一代NPMM設備的計算挑戰。模塊化和可擴展系統架構為低延遲實時信號和數據處理提供了高速時鐘速率，從而實現了高準確度和高精密度的位置、角度和探頭傳感器數據集生成。NPMM-200是世界上zui的納米測量機之一，測量體積達200×200×25 mm³，分辨率高達80 pm。

  新系統架構大大提高了新設備的原始處理系統性能。模塊化硬件平臺可以幫助我們輕松快速地調整信號和數據處理裝置來應對新挑戰。