數(shù)據(jù)采集于外部時鐘及交握信號的探討
外部時鐘
對于數(shù)據(jù)采集卡來說，如同其它單芯片的應(yīng)用，需要一個基本時鐘(time-base)來推動板卡上的控制芯片及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作，此時鐘來自于卡片上的石英震蕩器，然后設(shè)計者依不同模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特性，將此周期性的方波信號經(jīng)由計數(shù)器(counter)模塊除頻后，成為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作時脈，這也就決定了數(shù)據(jù)采集卡的取樣頻率(sampling rate)或更新頻率(update rate)，然而，由于板卡上石英震蕩器的頻率為固定，所以再經(jīng)由計數(shù)器模塊除頻后，有可能無法達(dá)到使用者所需的特定頻率，因此，如果數(shù)據(jù)采集卡可提供支持外部時鐘的設(shè)計，將此時鐘直接作為轉(zhuǎn)換器的取樣周期，將會大大增加使用者在應(yīng)用取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達(dá)成多個模塊對于同步的需求。
何謂同步
當(dāng)兩個(或多個)設(shè)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(jìn)行同步。同步是基于在兩個設(shè)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(jī)上，則必須將這兩個磁帶機(jī)的磁帶傳送軸鎖定在一起，否則將來撥放出來就會有相位上的誤差，這個過程就稱為同步。假使這兩個設(shè)備沒有進(jìn)行同步，無論它們開始的時間多么一致，也會由于兩臺設(shè)備在機(jī)械結(jié)構(gòu)的差異而產(chǎn)生時間漂移。同樣的，對于數(shù)據(jù)采集卡也是一樣的概念，甚至在要求上更為嚴(yán)格。而如何達(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脈與一致的觸發(fā)信號，而這個相同的時脈信號需來自于共同的外部儀器。下圖中的弦波是兩張數(shù)據(jù)采集卡在同步與異步采集同一信號源所得的波形，在左圖中因異步而存在一向位差，右圖中則是同步觸發(fā)下得到完全重迭的波形。
(圖)同步與異步數(shù)據(jù)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)即是程序執(zhí)行到啟動數(shù)據(jù)采集的瞬間，即為觸發(fā)點(diǎn)，對于模擬觸發(fā)來說，可設(shè)定觸發(fā)準(zhǔn)位為高于或是低于某特定電壓值，讓板卡上的控制芯片認(rèn)定此時為觸發(fā)點(diǎn)。至于數(shù)字觸發(fā)信號，其觸發(fā)信號為一方波(TTL準(zhǔn)位)，使用者可以設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)為上升緣(rising edge)觸發(fā)或是下降緣(falling)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)(delay-trigger)、預(yù)觸發(fā) (pre-trigger) 、中間觸發(fā)(middle-trigger)及后觸發(fā)(post-trigger)。其觸發(fā)點(diǎn)與所采集到數(shù)據(jù)的關(guān)系如下圖所示:
(圖)觸發(fā)模式
由上圖可容易了解到，所謂延遲觸發(fā)即是忽略觸發(fā)后的前M筆數(shù)據(jù)后才開始采集N筆數(shù)據(jù)，預(yù)觸發(fā)是采集觸發(fā)信號的前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)即是指后觸發(fā)的模式。
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)信號后特定的數(shù)據(jù)數(shù)，但如果板卡不支持此模式的話，則使用者必須以完整的將所有數(shù)據(jù)取回，再刪除無意義的數(shù)據(jù)，如此一來，勢必增加使用者在后續(xù)數(shù)據(jù)處理上的復(fù)雜度。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)模式及支持外部時脈的設(shè)計，提供使用者彈性的取樣頻率及多張卡同步采集的能力，另外，DAQ2000系列更提供SSI(system synchronization interface)接口，以達(dá)成多張卡的同步。其基本概念為，當(dāng)兩個（或多個）數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行同步的時候，其中一臺稱為主機(jī)（以其工作時脈為準(zhǔn)），而其它的則稱為從機(jī)，主機(jī)(master)的工作時脈及觸發(fā)信號可透過SSI接口發(fā)送給從機(jī)(slave)，以便多臺從機(jī)進(jìn)行同步。
假使應(yīng)用上需要在信號間或測量同步任務(wù)間有嚴(yán)格的時間關(guān)系，近年來逐漸成熟的PXI平臺也是最佳的選擇，PXI為專門提供量測與自動化在同步與觸發(fā)上的需求所發(fā)展出的一個儀器接口，PXI背板提供了一個用于精確定時、及最小延遲之星狀觸發(fā)線以及一個10MHz的時脈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(jù)采集傳輸有關(guān)的特性是握手模式(handshaking mode)，相較于序列式的數(shù)據(jù)傳輸，并行傳輸提供了簡單且更高速的數(shù)據(jù)傳輸方式，不過其技術(shù)關(guān)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卡需提供握手模式，讓兩張卡以交握信號確保數(shù)據(jù)的正確性。下圖為數(shù)據(jù)輸出的時序圖:
(圖)握手信號時序圖
在上圖中，當(dāng)有效數(shù)據(jù)在緩沖存儲器中等待被輸出時，此時板卡上DOREQ的信號準(zhǔn)位會被拉高，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，則會產(chǎn)生DOACK的信號通知發(fā)送端數(shù)據(jù)已完成接收，發(fā)送端收到此一信號后，即將DOREQ準(zhǔn)位拉低，并等待下一筆要輸出的數(shù)據(jù)，而不斷重復(fù)上述步驟，直到將所有數(shù)據(jù)輸出完成。所以當(dāng)兩個支持交握信號的模塊在數(shù)據(jù)傳輸時，其正確的接線方式為將輸出端的ACK訊號線與輸入端的REQ訊號線相聯(lián)接，輸出端的REQ訊號線與輸入端的ACK訊號線相聯(lián)接。凌華科技的PCI-7300A高速數(shù)字I/O卡，支持外部時脈及完整的信號交握傳輸，其最高傳輸速度達(dá) 80MB/sec，數(shù)據(jù)長度可依使用者的需求設(shè)定為8、16、及32位，適用于高速量測環(huán)境之需求，如IC測試、高速數(shù)據(jù)交換、IC邏輯訊號量測等。
總結(jié)
在測控的應(yīng)用上，觸發(fā)和同步及如何確保高速數(shù)據(jù)傳輸時之正確性是經(jīng)常被大家所忽視，但卻同時又是一個測量及自動化平臺的一個關(guān)鍵因素。藉由以上的說明，希望能讓讀者在選購市面上資料采集卡時，能夠正確的了解到自己所需要的特點(diǎn)為何，并做有效的應(yīng)用。
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