數(shù)據(jù)采集中的外部時(shí)鐘及握手信號(hào)

前言
數(shù)據(jù)采集卡作為采集信號(hào)的接口為大家所熟知，然而，在市面各種規(guī)格的板卡中，為什么有些提供外部時(shí)鐘以及提供多種觸發(fā)模式?還有的高速數(shù)字I/O卡為什么提供了握手信號(hào)的傳輸方式?本文描述這些功能所帶來(lái)的好處。

外部時(shí)鐘
對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡來(lái)說(shuō)，就像其它單片機(jī)的應(yīng)用一樣，需要一個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)(time-base)來(lái)推動(dòng)板卡上的控制芯片及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行，這個(gè)時(shí)鐘來(lái)自于板卡上的晶振，然后設(shè)計(jì)者按照不同模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的特性，將這個(gè)周期性的方波信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)器(counter)模塊分頻后，轉(zhuǎn)化成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)鐘，這也就決定了數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率(sampling rate)或更新頻率(update rate)，然而，由于板卡上晶振的頻率是固定的，所以再經(jīng)由計(jì)數(shù)器模塊分頻后，有可能無(wú)法達(dá)到用戶所需要的特定頻率，因此，如果數(shù)據(jù)采集卡可以提供支持外部時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，將這個(gè)時(shí)鐘直接作為轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘，將會(huì)大大增加用戶在采樣頻率及更新頻率上的彈性。另外，支持外部時(shí)鐘的另一個(gè)用處是可以滿足多個(gè)模塊對(duì)于同步的需求。

同步

當(dāng)兩個(gè)(或多個(gè))設(shè)備一起工作并對(duì)時(shí)間有精確要求的時(shí)候，就需要在它們之間進(jìn)行同步。同步是基于在兩個(gè)設(shè)備之間規(guī)定一個(gè)共同的時(shí)間參考，試想如果將不同音軌的音頻訊號(hào)分別錄在不同的磁帶機(jī)上，則必須將這兩個(gè)磁帶機(jī)的磁帶傳送軸鎖定在一起，否則將來(lái)播放出來(lái)就會(huì)有相位上的誤差，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為同步。假設(shè)這兩個(gè)設(shè)備沒(méi)有進(jìn)行同步，無(wú)論它們開(kāi)始的時(shí)間多么一致，也會(huì)由于兩臺(tái)設(shè)備在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的差異而產(chǎn)生時(shí)間漂移。同樣的，對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡也是一樣的概念，甚至在要求上更為嚴(yán)格。如何達(dá)到數(shù)據(jù)同步采集，最基本的要求就是不同模塊間要有相同的工作時(shí)鐘與一致的觸發(fā)信號(hào)，而這個(gè)相同的時(shí)鐘信號(hào)需要來(lái)自于共同的外部?jī)x器。圖1中的正弦波是兩張數(shù)據(jù)采集卡在同步與異步采集同一信號(hào)源時(shí)所得到的波形，在圖1左圖中因異步而存在一個(gè)相位差，右圖中則是同步觸發(fā)下得到的完全重疊的波形。
圖1  同步與異步數(shù)據(jù)采集差異

觸發(fā)信號(hào)
一般來(lái)說(shuō)，觸發(fā)信號(hào)的信號(hào)源可分為軟件觸發(fā)(software trigger)，模擬觸發(fā)(analog trigger)及數(shù)字觸發(fā)(digital trigger)。軟件觸發(fā)就是程序執(zhí)行到啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集的瞬間，即為觸發(fā)點(diǎn)；對(duì)于模擬觸發(fā)來(lái)說(shuō)，可設(shè)定觸發(fā)電平為高于或是低于某特定電壓值，讓板卡上的控制芯片認(rèn)定此時(shí)為觸發(fā)點(diǎn)；至于數(shù)字觸發(fā)信號(hào)，其觸發(fā)信號(hào)為一方波(TTL電平)，用戶可以設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)為上升沿觸發(fā)或是下降沿觸發(fā)。另外，在觸發(fā)的模式上也有幾種不同的區(qū)別，分別是延遲觸發(fā)、前觸發(fā)、中間觸發(fā)及后觸發(fā)。其觸發(fā)點(diǎn)與所采集到數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖2所示。
 圖2  觸發(fā)模式
從圖2可以容易的了解到，所謂延遲觸發(fā)即是忽略觸發(fā)后的前M筆數(shù)據(jù)后才開(kāi)始采集N筆數(shù)據(jù)，前觸發(fā)是采集觸發(fā)信號(hào)的前N筆數(shù)據(jù)，中間觸發(fā)是采集觸發(fā)前M筆數(shù)據(jù)及觸發(fā)后的N筆數(shù)據(jù)，后觸發(fā)則是采集觸發(fā)后的N筆數(shù)據(jù)，而前面所提到的軟件觸發(fā)就是指后觸發(fā)的模式，而觸發(fā)源為軟件命令。
除此之外還有連續(xù)觸發(fā)模式，連續(xù)觸發(fā)可以采集每個(gè)觸發(fā)信號(hào)后特定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)，但如果板卡不支持此模式的話，則用戶必須完整的將所有數(shù)據(jù)取回，再刪除無(wú)意義的數(shù)據(jù)，如此一來(lái)，勢(shì)必增加用戶在后續(xù)數(shù)據(jù)處理上的復(fù)雜性。以凌華科技DAQ2000 系列多功能信號(hào)采集卡為例，全系列提供完整觸發(fā)模式及支持外部時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，提供用戶彈性的采樣頻率及多卡同步采集的能力，另外，DAQ2000系列更提供SSI(system synchronization interface)接口，以達(dá)到多張卡的同步。其基本概念為，當(dāng)兩個(gè)（或多個(gè)）數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行同步的時(shí)候，其中一臺(tái)稱(chēng)為主機(jī)（以其工作時(shí)鐘為準(zhǔn)），而其它的則稱(chēng)為從機(jī)，主機(jī)的工作時(shí)鐘及觸發(fā)信號(hào)可透過(guò)SSI接口發(fā)送給從機(jī)，以便多臺(tái)從機(jī)進(jìn)行同步。
如果應(yīng)用上需要在信號(hào)間或測(cè)量同步任務(wù)間有嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系，近年來(lái)逐漸成熟的PXI平臺(tái)是最佳的選擇。PXI為提供量測(cè)與自動(dòng)化在同步與觸發(fā)上的需求專(zhuān)門(mén)發(fā)展出一個(gè)儀器接口，PXI背板提供了一個(gè)用于精確定時(shí)及最小延遲的星形觸發(fā)總線以及一個(gè)10MHz的時(shí)鐘信號(hào)以便同步多個(gè)模塊，測(cè)量模塊彼此間可以互相作用、觸發(fā)及控制。

握手模式
另一個(gè)與數(shù)據(jù)采集傳輸有關(guān)的特性是握手模式(handshaking mode)，相對(duì)于串行方式的數(shù)據(jù)傳輸，并行傳輸提供了簡(jiǎn)單且更高速的數(shù)據(jù)傳輸方式，不過(guò)其技術(shù)關(guān)鍵在于發(fā)送端與接收端之間的時(shí)序差問(wèn)題，因此，針對(duì)此時(shí)序差的問(wèn)題，高速數(shù)字I/O卡需要提供握手模式，讓兩張卡握手信號(hào)以確保數(shù)據(jù)的正確性。圖3為數(shù)據(jù)輸出的時(shí)序圖。
圖3  握手信號(hào)時(shí)序圖
在圖3中，當(dāng)有效數(shù)據(jù)在緩沖存儲(chǔ)器中等待被輸出時(shí)，板卡上DOREQ的信號(hào)電平會(huì)被拉高，以通知接收端輸出數(shù)據(jù)已經(jīng)被送出，當(dāng)接收端收到數(shù)據(jù)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生DOACK的信號(hào)通知發(fā)送端數(shù)據(jù)已完成接收，發(fā)送端收到這一信號(hào)后，即將DOREQ電平拉低，并等待下一筆要輸出的數(shù)據(jù)，不斷重復(fù)上述步驟，直到將所有數(shù)據(jù)輸出完畢。所以當(dāng)兩個(gè)支持握手信號(hào)的模塊數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其正確的接線方式為將輸出端的ACK信號(hào)線與輸入端的REQ信號(hào)線相聯(lián)接，輸出端的REQ信號(hào)線與輸入端的ACK信號(hào)線相聯(lián)接。凌華科技的PCI-7300A高速數(shù)字I/O卡支持外部時(shí)鐘及完整的信號(hào)握手傳輸，其最高傳輸速度達(dá)80MB/s，數(shù)據(jù)寬度可按用戶的需求設(shè)定為8、16、及32位，適合高速量測(cè)環(huán)境的需求，如IC測(cè)試、高速數(shù)據(jù)交換、IC邏輯信號(hào)量測(cè)等。

結(jié)語(yǔ)
在測(cè)控的應(yīng)用上，觸發(fā)和同步及如何確保高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的正確性是經(jīng)常被大家所忽視的，但同時(shí)又是測(cè)量及自動(dòng)化平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵因素。在選購(gòu)市面上數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，能夠正確了解自己所需要板卡的特點(diǎn)，做到有效的應(yīng)用。