一些*產業(yè)和實驗室的元器件微型化趨勢已經顯著增加了業(yè)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(shù)據(jù)處理單元系統(tǒng)架構來滿足高性能要求，特別是針對系統(tǒng)頻率、閉環(huán)控制和海量數(shù)據(jù)管理。為了實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(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行數(shù)據(jù)處理。此外，硬件獨立的面向數(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NI PXI機箱、一個實時控制器和11個FPGA模塊。該系統(tǒng)由三個子系統(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(shù)據(jù)校正）的發(fā)生頻率為83 1/3 kHz。SCS和CS 在8 1/3 kHz頻率下進行控制和系統(tǒng)管理。

DAS的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到SCS，設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的測量周期時間（包括數(shù)據(jù)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(xiàn)。因此，我們在FPGA模塊內開發(fā)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(xiàn)FPGA模塊之間的數(shù)據(jù)交換。相反，通信是通過一個使用數(shù)字輸入和輸出的通信接口來實現(xiàn)的。其中一條數(shù)字線用于時鐘信號，而多達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1.28 Gbit / s。

測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)
2. 執(zhí)行測量預處理、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制的級聯(lián)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(fā)總線通過NI PXI-6653定時和同步模塊觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)可用的模擬輸入，我們采用五個NI PXI-7853R FPGA模塊進行數(shù)據(jù)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(tǒng)：定位子系統(tǒng)和探針子系統(tǒng)。定位子系統(tǒng)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(tǒng)通過三個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率為zui低8 1/3 KHz時下游子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)速率為zui大83 1/3 KHz時進行數(shù)據(jù)存儲。

SCS用于執(zhí)行整個系統(tǒng)的序列控制，其中包含一個軌跡發(fā)生器。CS包括一個功能強大的閉環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)融合、NI PXI-7853R模塊實現(xiàn)過程連接和信號處理以及NI PXI-7854R模塊實現(xiàn)信號后處理。

     為了開發(fā)當前的穩(wěn)定系統(tǒng)，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(fā)過程很大程度取決于LabVIEW培訓和NI批量許可證協(xié)議。

系統(tǒng)優(yōu)勢

通過將NI技術、自行研發(fā)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(zhàn)。模塊化和可擴展系統(tǒng)架構為低延遲實時信號和數(shù)據(jù)處理提供了高速時鐘速率，從而實現(xiàn)了高準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的納米測量機之一，測量體積達200×200×25 mm³，分辨率高達80 pm。

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