數(shù)據采集中的外部時鐘及握手信號

前言
數(shù)據采集卡作為采集信號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的傳輸方式?本文描述這些功能所帶來的好處。

外部時鐘
對于數(shù)據采集卡來說，就像其它單片機的應用一樣，需要一個時鐘基準(time-base)來推動板卡上的控制芯片及模/數(shù)轉換器的運行，這個時鐘來自于板卡上的晶振，然后設計者按照不同模/數(shù)轉換器的特性，將這個周期性的方波信號經計數(shù)器(counter)模塊分頻后，轉化成模/數(shù)轉換器的工作時鐘，這也就決定了數(shù)據采集卡的采樣頻率(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，所以再經由計數(shù)器模塊分頻后，有可能無法達到用戶所需要的特定頻率，因此，如果數(shù)據采集卡可以提供支持外部時鐘的設計，將這個時鐘直接作為轉換器的采樣時鐘，將會大大增加用戶在采樣頻率及更新頻率上的彈性。另外，支持外部時鐘的另一個用處是可以滿足多個模塊對于同步的需求。

同步

當兩個(或多個)設備一起工作并對時間有精確要求的時候，就需要在它們之間進行同步。同步是基于在兩個設備之間規(guī)定一個共同的時間參考，試想如果將不同音軌的音頻訊號分別錄在不同的磁帶機上，則必須將這兩個磁帶機的磁帶傳送軸鎖定在一起，否則將來播放出來就會有相位上的誤差，這個過程稱為同步。假設這兩個設備沒有進行同步，無論它們開始的時間多么一致，也會由于兩臺設備在機械結構上的差異而產生時間漂移。同樣的，對于數(shù)據采集卡也是一樣的概念，甚至在要求上更為嚴格。如何達到數(shù)據同步采集，最基本的要求就是不同模塊間要有相同的工作時鐘與一致的觸發(fā)信號，而這個相同的時鐘信號需要來自于共同的外部儀器。圖1中的正弦波是兩張數(shù)據采集卡在同步與異步采集同一信號源時所得到的波形，在圖1左圖中因異步而存在一個相位差，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)據采集差異

觸發(fā)信號
一般來說，觸發(fā)信號的信號源可分為軟件觸發(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)行到啟動數(shù)據采集的瞬間，即為觸發(fā)點；對于模擬觸發(fā)來說，可設定觸發(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定此時為觸發(fā)點；至于數(shù)字觸發(fā)信號，其觸發(fā)信號為一方波(TTL電平)，用戶可以設定觸發(fā)點為上升沿觸發(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)點與所采集到數(shù)據的關系如圖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)據后才開始采集N筆數(shù)據，前觸發(fā)是采集觸發(fā)信號的前N筆數(shù)據，中間觸發(fā)是采集觸發(fā)前M筆數(shù)據及觸發(fā)后的N筆數(shù)據，后觸發(fā)則是采集觸發(fā)后的N筆數(shù)據，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)可以采集每個觸發(fā)信號后特定個數(shù)的數(shù)據，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)據取回，再刪除無意義的數(shù)據，如此一來，勢必增加用戶在后續(xù)數(shù)據處理上的復雜性。以凌華科技DAQ2000 系列多功能信號采集卡為例，全系列提供完整觸發(fā)模式及支持外部時鐘的設計，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，以達到多張卡的同步。其基本概念為，當兩個（或多個）數(shù)據采集卡進行同步的時候，其中一臺稱為主機（以其工作時鐘為準），而其它的則稱為從機，主機的工作時鐘及觸發(fā)信號可透過SSI接口發(fā)送給從機，以便多臺從機進行同步。
如果應用上需要在信號間或測量同步任務間有嚴格的時間關系，近年來逐漸成熟的PXI平臺是最佳的選擇。PXI為提供量測與自動化在同步與觸發(fā)上的需求專門發(fā)展出一個儀器接口，PXI背板提供了一個用于精確定時及最小延遲的星形觸發(fā)總線以及一個10MHz的時鐘信號以便同步多個模塊，測量模塊彼此間可以互相作用、觸發(fā)及控制。

握手模式
另一個與數(shù)據采集傳輸有關的特性是握手模式(handshaking mode)，相對于串行方式的數(shù)據傳輸，并行傳輸提供了簡單且更高速的數(shù)據傳輸方式，不過其技術關鍵在于發(fā)送端與接收端之間的時序差問題，因此，針對此時序差的問題，高速數(shù)字I/O卡需要提供握手模式，讓兩張卡握手信號以確保數(shù)據的正確性。圖3為數(shù)據輸出的時序圖。
圖3  握手信號時序圖
在圖3中，當有效數(shù)據在緩沖存儲器中等待被輸出時，板卡上DOREQ的信號電平會被拉高，以通知接收端輸出數(shù)據已經被送出，當接收端收到數(shù)據時，則會產生DOACK的信號通知發(fā)送端數(shù)據已完成接收，發(fā)送端收到這一信號后，即將DOREQ電平拉低，并等待下一筆要輸出的數(shù)據，不斷重復上述步驟，直到將所有數(shù)據輸出完畢。所以當兩個支持握手信號的模塊數(shù)據傳輸時，其正確的接線方式為將輸出端的ACK信號線與輸入端的REQ信號線相聯(lián)接，輸出端的REQ信號線與輸入端的ACK信號線相聯(lián)接。凌華科技的PCI-7300A高速數(shù)字I/O卡支持外部時鐘及完整的信號握手傳輸，其最高傳輸速度達80MB/s，數(shù)據寬度可按用戶的需求設定為8、16、及32位，適合高速量測環(huán)境的需求，如IC測試、高速數(shù)據交換、IC邏輯信號量測等。

結語
在測控的應用上，觸發(fā)和同步及如何確保高速數(shù)據傳輸時的正確性是經常被大家所忽視的，但同時又是測量及自動化平臺的一個關鍵因素。在選購市面上數(shù)據采集卡時，能夠正確了解自己所需要板卡的特點，做到有效的應用。