利用LabVIEW开发纳米测量机

一些*产业和实验室的元器件微型化趋势已经显著增加了业界对三维微米和纳米测量技术的需求。由于许多测量对象的外形尺寸处于毫米范围内，但却具有原子大小的功能组件和纳米范围的公差，导致市场对多量程测量存在强烈的需求。

选择NI技术的理由

我们需要一个新的信号和数据处理单元系统架构来满足高性能要求，特别是针对系统频率、闭环控制和海量数据管理。为了实现特定测量任务低于30纳米的测量不确定度，我们需要具备以下条件：

 在666 2/3 kHz频率下并行同步的数据采集

· 在83 1/3kHz频率下进行周期内测量值预处理和后处理

· 在8 1/3 kHz频率下进行闭环控制

· 低延迟数据传输

     灵活的模块化NI PXI硬件平台可满足所有这些系统要求。它包含多个具有信号和触发功能的PXI模块，比如配有模拟和数字接口的FPGA模块。我们也可以使用这些模块进行数据处理。此外，硬件独立的面向数据流编程以及LabVIEW和NI硬件的无缝集成也为我们提供了很大的便利。

 NPMM-200信号和数据处理装置

信号和数据处理装置(SDPU)包含了三个NI PXI机箱、一个实时控制器和11个FPGA模块。该系统由三个子系统组成：数据采集系统(DAS)、顺序控制系统(SCS)和控制器系统(CS)。 DAS在666 2/3 kHz频率下对39个模拟输入进行同步信号采集和预处理。测量后处理（比如复杂的计算和数据校正）的发生频率为83 1/3 kHz。SCS和CS 在8 1/3 kHz频率下进行控制和系统管理。

DAS的测量数据发送到SCS，设定值和其他控制输入发送到CS。然后CS将激励器信号输出至机械系统。由于6662/3 kHz的数据采集速率和12μs的测量周期时间（包括数据预处理和后处理），DAS具有非常高的实时要求。预处理和后处理包括采用单精度和双精度浮点运算的复杂算法。

     由于低延迟、周期内计算和周期时间要求，运算只能在FPGA模块内实现。因此，我们在FPGA模块内开发了一个针对复杂算法运算的高性能浮点处理器(LISARD)。

我们无法使用标准PXI 通信方式来实现FPGA模块之间的数据交换。相反，通信是通过一个使用数字输入和输出的通信接口来实现的。其中一条数字线用于时钟信号，而多达32条数字线用于处理数据。该通信接口适用于多种数据宽度（4 - 至32 - 位）。zui大数据传输速率可达1.28 Gbit / s。

测量数据处理被分为三个阶段：
1. 每个FPGA模块在过程中直接采集8个A / D转换器通道数据
2. 执行测量预处理、原始值校正和数据融合
3. 校正融合后的测量值、后处理测量数据并将数据传送到序列和控制系统

通过使用具有渠道机制的级联结构，我们能够满足整体定时需求。每个相位的计算时间低于12微秒。 DAS以16位的分辨率和6662/3 kHz的频率并行处理39个模拟信号。星形触发总线通过NI PXI-6653定时和同步模块触发数据采集。根据可用的模拟输入，我们采用五个NI PXI-7853R FPGA模块进行数据采集。这些模块还提供了信号预处理和测量值生成。

DAS可分成两个子系统：定位子系统和探针子系统。定位子系统处理23个模拟信号，主要是位置和角度信息，在对算法进行微小的修正后在83 1/3kHz频率下生成原始测量值。定位子系统通过三个数据采集模块和一个NI PXI-7813R模块来合并原始测量值。此外，我们使用NI PXI-7853R模块和PXI-7854R模块来进行内存密集型后处理。

DAS输出是一个包含三个双精度值和20个单精度值的测量值结构，数据率为zui低8 1/3 KHz时下游子系统进行数据处理，数据速率为zui大83 1/3 KHz时进行数据存储。

SCS用于执行整个系统的序列控制，其中包含一个轨迹发生器。CS包括一个功能强大的闭环控制器，由三个卡尔曼滤波器和6个比例积分微分控制器组成。完整控制算法采用浮点运算。我们通过两个NI PXI-7853R FPGA模块来实现算法计算和过程连接。zui大控制周期速率是115 kHz。

NI技术一览

我们的应用通过NI PXI-8108嵌入式控制器来实现管理任务，通过NI PXI-6653和NI PXI-6651模块来控制定时和同步。对于连接、周期内计算和通信，我们采用NI PXI-7813R来实现数据融合、NI PXI-7853R模块实现过程连接和信号处理以及NI PXI-7854R模块实现信号后处理。

     为了开发当前的稳定系统，北京瀚文网星科技有限责任公司使用NI LabVIEW 2010软件、LabVIEW FPGA模块以及LabVIEW Real-Time模块。开发过程很大程度取决于LabVIEW培训和NI批量许可证协议。

系统优势

通过将NI技术、自行研发的通信方法以及计算概念相结合，我们能够满足下一代NPMM设备的计算挑战。模块化和可扩展系统架构为低延迟实时信号和数据处理提供了高速时钟速率，从而实现了高准确度和高精密度的位置、角度和探头传感器数据集生成。NPMM-200是世界上zui的纳米测量机之一，测量体积达200×200×25 mm³，分辨率高达80 pm。

  新系统架构大大提高了新设备的原始处理系统性能。模块化硬件平台可以帮助我们轻松快速地调整信号和数据处理装置来应对新挑战。