산업 자동화 및 과학 연구 테스트 분야에서 데이터 수집 장비의 성능은 시스템 정확도와 개발 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 모듈형 디자인, 고성능 사양, 그리고 강력한 소프트웨어 에코시스템을 갖춘 내쇼날인스트루먼트(NI)의 USB 시리즈 데이터 수집 카드는 실험실과 생산 라인에서 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. 본 글에서는 USB-7845, USB-6211, USB-6343과 같은 주요 모델들을 자세히 살펴봅니다.

I. 기술 매개변수: 다양한 시나리오를 위한 하드웨어 구성

아날로그 신호 처리 기능

· 고해상도 샘플링: USB-7845는 16비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 탑재하여 아날로그 입력 채널에 대한 싱글엔드/차동 모드 전환을 지원합니다. 최대 500kS/s(초당 킬로샘플)의 샘플링 속도로 최대 25kHz의 동적 신호를 포착합니다.

· 넓은 출력 범위: 아날로그 출력 채널은 1MS/s(초당 메가샘플)의 업데이트 속도를 달성하여 ±10V 출력 전압 범위를 지원합니다. FPGA 프로그래밍 기능과 결합하여 맞춤형 파형 생성이 가능합니다.

· 다중 채널 동기화: USB-6343은 32개의 싱글 엔드 또는 16개의 차동 입력을 지원하며, 각 입력은 500kS/s 샘플링 속도를 공유합니다. NI-STC3 타이밍 기술을 활용하여 나노초 수준의 동기화 정확도를 구현하여 다중 센서 어레이 수집에 이상적입니다.

디지털 및 카운터 기능

· 양방향 디지털 I/O: USB-7845는 48개의 TTL/CMOS 호환 디지털 채널을 제공하며, 프로그래밍 가능한 논리 레벨(3.3V/5V)을 통해 릴레이를 직접 구동하거나 스위치 신호를 읽을 수 있습니다.

· 고정밀 카운터: USB-6211은 32비트 카운터 2개를 통합하여 최대 80MHz의 신호 주파수, PWM 출력, 인코더 인터페이스를 지원하므로 모터 제어 및 위치 피드백 시스템에 적합합니다.

환경 적응성

· 산업용 보호: USB-7845는 밀폐형 금속 케이스를 갖추고 있으며, -20°C ~ 70°C의 온도 범위에서 작동하고, 50g의 충격을 견뎌내며, MIL-STD-810G 군용 표준을 준수합니다.

· 전자파 적합성: CE 및 FCC 인증을 받았으며 아날로그 채널에 TVS 다이오드 클램핑 보호 기능이 포함되어 있으며 ±200V 정전기 방전(ESD)을 견딥니다.

II. 핵심 기능: FPGA 지원 유연한 아키텍처

사용자 프로그래밍 가능 FPGA

USB-7845는 고성능 FPGA 칩을 통합하여 사용자가 LabVIEW FPGA 모듈을 통해 맞춤형 로직을 구현할 수 있도록 합니다. 예를 들어, HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트에서 실시간 시뮬레이션 모델을 구축하여 물리적 I/O와 가상 시스템을 원활하게 통합하여 테스트 주기를 60% 이상 단축할 수 있습니다.

동기화 및 트리거 시스템

· 다중 장치 동기화: NI-TClk 기술은 100ps 미만의 오류로 여러 장치 간의 샘플링 클록 동기화를 구현합니다.

· 복합 트리거 조건: 디지털 에지 트리거링, 아날로그 윈도우 트리거링 및 외부 이벤트 트리거링을 지원합니다. USB-6211은 50ns의 낮은 트리거 지연을 구현하여 고속 펄스 시퀀스 캡처에 적합합니다.

소프트웨어 생태계 통합

· 드라이버 및 API: NI-DAQmx 드라이버는 LabVIEW, Python, C/C++ 등을 지원하는 통합 프로그래밍 인터페이스를 제공합니다.

· 고급 분석 도구: LabVIEW의 신호 처리 툴킷과 함께 사용하면 추가 코딩 없이 FFT 스펙트럼 분석 및 순서 추적과 같은 복잡한 알고리즘을 구현할 수 있습니다.

III. 일반적인 적용 시나리오

자동화된 테스트 시스템

· 사례: 자동차 전자 컨트롤러 테스트

· 구성: USB-7845는 아날로그 신호 수집(예: 전압/전류 모니터링)을 담당하고, USB-6211은 디지털 신호(스위치 감지)를 처리합니다. TestStand 소프트웨어는 워크플로우 제어를 자동화합니다.

· 장점: 기존의 다중 계측기 설정을 대체하여 테스트 범위를 40% 늘리고 오류 진단 시간을 기존 방법의 1/3로 단축합니다.

하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션

· 응용분야 : 모터 드라이버 개발

· 구현: USB-7845의 FPGA는 부하 변화를 시뮬레이션하기 위해 실시간 모터 모델을 실행하고, USB-6343은 폐쇄 루프 제어를 위해 드라이버 출력 신호를 캡처합니다.

· 이점: 소프트웨어 전용 시뮬레이션에 비해 하드웨어 상호 작용 지연을 80% 줄여 컨트롤러 알고리즘 검증을 가속화합니다.

연구용 센서 수집

· 시나리오: 교량 진동 모니터링

· 솔루션: USB-4431(음향/진동 애플리케이션용으로 설계됨)은 102.4kS/s에서 4개의 가속도계 신호를 동기식으로 수집하고, IEPE 신호 컨디셔닝과 결합하여 압전 센서를 직접 구동합니다.

· 데이터: 100dB 동적 범위와 <5μV 노이즈 플로어를 달성하여 엄격한 구조 건강 모니터링 요구 사항을 충족합니다.

교육 및 훈련 플랫폼

· 도구: USB-6009 저가형 데이터 수집 카드

· 응용 프로그램: TLA-004/U6 실험 키트와 함께 사용하면 센서 원리 및 자동 제어 등의 과목을 수강할 수 있습니다. 학생들은 LabVIEW를 통해 가상 오실로스코프와 함수 발생기를 프로그래밍할 수 있습니다.

· 가치: 장비 비용을 70% 절감하고 실험 준비 시간을 10분 이내로 단축합니다.

IV. 선정 가이드 및 향후 동향

NI의 USB 시리즈는 이제 완전한 제품 매트릭스를 제공합니다.

· 기본 모델 : USB-6001/6003 (아날로그 입력 8개, 14비트 분해능, 교육 및 간단한 테스트에 적합)

· 메인스트림 모델: USB-6211/6251(16비트 정밀도, 다기능 통합, 성능과 비용 균형)

· 고성능 모델: USB-7845/6343(FPGA 확장, 다중 채널 동기화, 복잡한 시스템에 맞춤)

제품 웹사이트:

https://www.3splc.com/NI-USB_c0_ss

인더스트리 4.0과 AIoT가 발전함에 따라 NI는 USB 시리즈를 엣지 컴퓨팅으로 발전시키고 있습니다. 최신 모델에는 로컬 데이터 전처리 및 엣지 의사 결정을 위한 ARM 프로세서가 통합되어 호스트 컴퓨터에 대한 의존도를 낮춥니다. 높은 정밀도, 유연성, 그리고 신속한 개발을 요구하는 프로젝트에서 NI USB 시리즈는 여전히 신뢰할 수 있는 선택입니다.