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[NI技术]借助LabVIEW 和NI PXI构建 纳米测量机  图1: 真空舱和电 子单元内的 NPMM-200。 Author (s): Felix Balzer - Ilmenau University of Technology Johannes Kl?ckner - Ilmenau University of Technology Stephan Zsch?ck - Ilmenau University of Technology Brandon Percle - Ilmenau University of Technology  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。 - Felix Balzer, Ilmenau University of Technology The Challenge: 开发测量体积为 200 x 200 x 25 mm 3的纳米测量 机(NPMM- 200)，该机器必 须能够在高频下采集 和预处理信号，且具 有极低的延迟，以实 现亚纳米级分辨率、 高精度位移平台控制 以及纳米级不确定 度。 The Solution: 采用三个模块化可扩 展NI PXI系统 和11个现场可编程 门阵列(FPGA) 模块来搭建信号和数 据处理装置，并轻松 集成计量和控制的新 概念。  简介 全球一些高新技术产 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。由德国研究基金 会资助成立的 Collaborative Research Centre 622 (SFB 622) 自2002年以来一 直致力于发展设计和 构建纳米测量机及其 科学和技术基础原 理。 我们希望到2020 年实现数百毫米范围 内可追溯亚纳米级精 度三维测量。为了达 到这个目标， SFB622正在开 发一种名为- 200 NPMM的 新型纳米定位和测量 机。由于过去十年中 纳米定位技术研究取 得突破性成果，我们 将测量体积增加至 200×200×25 mm 3。我们采用 7个分辨率为 0.08 nm的干 涉仪来进行长度测量 和六自由度 (DOF)平台控 制。 此外，我们使用两个 自准直仪来初始化干 涉仪的角度测量，采 用新型光纤耦合激光 共聚焦传感器来抵消 干涉仪的长度测量。 目前有多种模拟和数 字输入可通过各种触 觉和非触觉探针系统 来实现高精度微结构 测量。 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。  1/4 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