虚拟仪器之——数据采集中的外部时钟及握手信号

前言

数据采集卡作为采集信号的接口为大家所熟知，然而，在市面各种规格的板卡中，为什么有些提供外部时钟以及提供多种触发模式?还有的高速数字I/O卡为什么提供了握手信号的传输方式?本文描述这些功能所带来的好处。


外部时钟

对于数据采集卡来说，就像其它单片机的应用一样，需要一个时钟基准(time-base)来推动板卡上的控制芯片及模/数转换器的运行，这个时钟来自于板卡上的晶振，然后设计者按照不同模/数转换器的特性，将这个周期性的方波信号经计数器(counter)模块分频后，转化成模/数转换器的工作时钟，这也就决定了数据采集卡的采样频率(sampling rate)或更新频率(update rate)，然而，由于板卡上晶振的频率是固定的，所以再经由计数器模块分频后，有可能无法达到用户所


需要的特定频率，因此，如果数据采集卡可以提供支持外部时钟的设计，将这个时钟直接作为转换器的采样时钟，将会大大增加用户在采样频率及更新频率上的弹性。另外，支持外部时钟的另一个用处是可以满足多个模块对于同步的需求。


同步


当两个(或多个)设备一起工作并对时间有精确要求的时候，就需要在它们之间进行同步。同步是基于在两个设备之间规定一个共同的时间参考，试想如果将不同音轨的音频讯号分别录在不同的磁带机上，则必须将这两个磁带机的磁带传送轴锁定在一起，否则将来播放出来就会有相位上的误差，这个过程称为同步。假设这两个设备没有进行同步，无论它们开始的时间多么一致，也会由于两台设备在机械结构上的差异而产生时间漂移。同样的，对于数据采集卡也是一样的概念，甚至在要求上更为严格。如何达到数据同步采集，最基本的要求就是不同模块间要有相同的工作时钟与一致的触发信号，而这个相同的时钟信号需要来自于共同的外部仪器。图1中的正弦波是两张数据采集卡在同步与异步采集同一信号源时所得到的波形，在图1左图中因异步而存在一个相位差，右图中则是同步触发下得到的完全重叠的波形。



图1 同步与异步数据采集差异


触发信号

一般来说，触发信号的信号源可分为软件触发(software trigger)，模拟触发(analog trigger)及数字触发(digital trigger)。软件触发就是程序执行到启动数据采集的瞬间，即为触发点；对于模拟触发来说，可设定触发电平为高于或是低于某特定电压值，让板卡上的控制芯片认定此时为触发点；至于数字触发信号，其触发信号为一方波(TTL电平)，用户可以设定触发点为上升沿触发或是下降沿触发。另外，在触发的模式上也有几种不同的区别，分别是延迟触发、前触发、中间触发及后触发。其触发点与所采集到数据的关系如图2所示。



图2 触发模式

从图2可以容易的了解到，所谓延迟触发即是忽略触发后的前M笔数据后才开始采集N笔数据，前触发是采集触发信号的前N笔数据，中间触发是采集触发前M笔数据及触发后的N笔数据，后触发则是采集触发后的N笔数据，而前面所提到的软件触发就是指后触发的模式，而触发源为软件命令。

除此之外还有连续触发模式，连续触发可以采集每个触发信号后特定个数的数据，但如果板卡不支持此模式的话，则用户必须完整的将所有数据取回，再删除无意义的数据，如此一来，势必增加用户在后续数据处理上的复杂性。以凌华科技DAQ2000 系列多功能信号采集卡为例，全系列提供完整触发模式及支持外部时钟的设计，提供用户弹性的采样频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，以达到多张卡的同步。其基本概念为，当两个（或多个）数据采集卡进行同步的时候，其中一台称为主机（以其工作时钟为准），而其它的则称为从机，主机的工作时钟及触发信号可透过SSI接口发送给从机，以便多台从机进行同步。

如果应用上需要在信号间或测量同步任务间有严格的时间关系，近年来逐渐成熟的PXI平台是最佳的选择。PXI为提供量测与自动化在同步与触发上的需求专门发展出一个仪器接口，PXI背板提供了一个用于精确定时及最小延迟的星形触发总线以及一个10MHz的时钟信号以便同步多个模块，测量模块彼此间可以互相作用、触发及控制。


握手模式

另一个与数据采集传输有关的特性是握手模式(handshaking mode)，相对于串行方式的数据传输，并行传输提供了简单且更高速的数据传输方式，不过其技术关键在于发送端与接收端之间的时序差问题，因此，针对此时序差的问题，高速数字I/O卡需要提供握手模式，让两张卡握手信号以确保数据的正确性。图3为数据输出的时序图。



图3 握手信号时序图

在图3中，当有效数据在缓冲存储器中等待被输出时，板卡上DOREQ的信号电平会被拉高，以通知接收端输出数据已经被送出，当接收端收到数据时，则会产生DOACK的信号通知发送端数据已完成接收，发送端收到这一信号后，即将DOREQ电平拉低，并等待下一笔要输出的数据，不断重复上述步骤，直到将所有数据输出完毕。所以当两个支持握手信号的模块数据传输时，其正确的接线方式为将输出端的ACK信号线与输入端的REQ信号线相联接，输出端的REQ信号线与输入端的ACK信号线相联接。凌华科技的PCI-7300A高速数字I/O卡支持外部时钟及完整的信号握手传输，其最高传输速度达80MB/s，数据宽度可按用户的需求设定为8、16、及32位，适合高速量测环境的需求，如IC测试、高速数据交换、IC逻辑信号量测等。


结语

在测控的应用上，触发和同步及如何确保高速数据传输时的正确性是经常被大家所忽视的，但同时又是测量及自动化平台的一个关键因素。在选购市面上数据采集卡时，能够正确了解自己所需要板卡的特点，做到有效的应用。