前言
數據采集卡為大家所熟知作為采集信號的接口，然而，在市面上各式規格的板卡中，為何有些有支持外部時(shí)鐘及提供多樣化的觸發(fā)模式，還有的高速數字I/O卡為何提供了交握信號的傳輸方式。相信部份讀者并不是十分了解對于這些功能所帶來(lái)的用處為何，以下將簡(jiǎn)單為大家介紹。
外部時(shí)鐘
對于數據采集卡來(lái)說(shuō)，如同其它單芯片的應用，需要一個(gè)基本時(shí)鐘(time-base)來(lái)推動(dòng)板卡上的控制芯片及模擬/數字轉換器的運作，此時(shí)鐘來(lái)自于卡片上的石英震蕩器，然后設計者依不同模擬/數字轉換器的特性，將此周期性的方波信號經(jīng)由計數器(counter)模塊除頻后，成為模擬/數字轉換器的工作時(shí)脈，這也就決定了數據采集卡的取樣頻率(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)由計數器模塊除頻后，有可能無(wú)法達到使用者所需的特定頻率，因此，如果數據采集卡可提供支持外部時(shí)鐘的設計，將此時(shí)鐘直接作為轉換器的取樣周期，將會(huì )大大增加使用者在應用取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)用處是可以達成多個(gè)模塊對于同步的需求。
何謂同步
當兩個(gè)(或多個(gè))設備一起工作并對時(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)設備之間規定一個(gè)共同的時(shí)間參考，試想如果將不同音軌的音頻訊號分別錄在不同的磁帶機上，則必須將這兩個(gè)磁帶機的磁帶傳送軸鎖定在一起，否則將來(lái)?yè)芊懦鰜?lái)就會(huì )有相位上的誤差，這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為同步。假使這兩個(gè)設備沒(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 )由于兩臺設備在機械結構的差異而產(chǎn)生時(shí)間漂移。同樣的，對于數據采集卡也是一樣的概念，甚至在要求上更為嚴格。而如何達到數據同步采集，最基本的要求就是不同模塊間要有相同的工作時(shí)脈與一致的觸發(fā)信號，而這個(gè)相同的時(shí)脈信號需來(lái)自于共同的外部?jì)x器。下圖中的弦波是兩張數據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。
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(圖)同步與異步數據采集差異 |
觸發(fā)信號
一般來(lái)說(shuō)，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)及數字觸發(fā)(digital trigger)，軟件觸發(fā)即是程序執行到啟動(dòng)數據采集的瞬間，即為觸發(fā)點(diǎn)，對于模擬觸發(fā)來(lái)說(shuō)，可設定觸發(fā)準位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(shí)為觸發(fā)點(diǎn)。至于數字觸發(fā)信號，其觸發(fā)信號為一方波(TTL準位)，使用者可以設定觸發(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別，分別是延遲觸發(fā)(delay-trigger)、預觸發(fā)(pre-trigger)
、中間觸發(fā)(middle-trigger)及后觸發(fā)(post-trigger)。其觸發(fā)點(diǎn)與所采集到數據的關(guān)系如下圖所示:
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(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筆數據后才開(kāi)始采集N筆數據，預觸發(fā)是采集觸發(fā)信號的前N筆數據，中間觸發(fā)是采集觸發(fā)前M筆數據及觸發(fā)后的N筆數據，后觸發(fā)則是采集觸發(fā)后的N筆數據，而前面所提到的軟件觸發(fā)即是指后觸發(fā)的模式。
除此之外還有連續觸發(fā)模式，連續觸發(fā)可以采集每個(gè)觸發(fā)信號后特定的數據數，但如果板卡不支持此模式的話(huà)，則使用者必須以完整的將所有數據取回，再刪除無(wú)意義的數據，如此一來(lái)，勢必增加使用者在后續數據處理上的復雜度。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(shí)脈的設計，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，以達成多張卡的同步。其基本概念為，當兩個(gè)（或多個(gè)）數據采集卡進(jìn)行同步的時(shí)候，其中一臺稱(chēng)為主機（以其工作時(shí)脈為準），而其它的則稱(chēng)為從機，主機(master)的工作時(shí)脈及觸發(fā)信號可透過(guò)SSI接口發(fā)送給從機(slave)，以便多臺從機進(jìn)行同步。
假使應用上需要在信號間或測量同步任務(wù)間有嚴格的時(shí)間關(guān)系，近年來(lái)逐漸成熟的PXI平臺也是最佳的選擇，PXI為專(zhuān)門(mén)提供量測與自動(dòng)化在同步與觸發(fā)上的需求所發(fā)展出的一個(gè)儀器接口，PXI背板提供了一個(gè)用于精確定時(shí)、及最小延遲之星狀觸發(fā)線(xiàn)以及一個(gè)10MHz的時(shí)脈信號以便同步多個(gè)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(gè)與數據采集傳輸有關(guān)的特性是握手模式(handshaking
mode)，相較于序列式的數據傳輸，并行傳輸提供了簡(jiǎn)單且更高速的數據傳輸方式，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，針對此時(shí)序差的問(wèn)題，高速數字I/O卡需提供握手模式，讓兩張卡以交握信號確保數據的正確性。下圖為數據輸出的時(shí)序圖:
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(圖)握手信號時(shí)序圖 |
在上圖中，當有效數據在緩沖存儲器中等待被輸出時(shí)，此時(shí)板卡上DOREQ的信號準位會(huì )被拉高，以通知接收端輸出數據已經(jīng)被送出，當接收端收到數據時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生DOACK的信號通知發(fā)送端數據已完成接收，發(fā)送端收到此一信號后，即將DOREQ準位拉低，并等待下一筆要輸出的數據，而不斷重復上述步驟，直到將所有數據輸出完成。所以當兩個(gè)支持交握信號的模塊在數據傳輸時(shí)，其正確的接線(xiàn)方式為將輸出端的ACK訊號線(xiàn)與輸入端的REQ訊號線(xiàn)相聯(lián)接，輸出端的REQ訊號線(xiàn)與輸入端的ACK訊號線(xiàn)相聯(lián)接。凌華科技的PCI-7300A高速數字I/O卡，支持外部時(shí)脈及完整的信號交握傳輸，其最高傳輸速度達80MB/sec，數據長(cháng)度可依使用者的需求設定為8、16、及32
位，適用于高速量測環(huán)境之需求，如IC測試、高速數據交換、IC邏輯訊號量測等。
總結
在測控的應用上，觸發(fā)和同步及如何確保高速數據傳輸時(shí)之正確性是經(jīng)常被大家所忽視，但卻同時(shí)又是一個(gè)測量及自動(dòng)化平臺的一個(gè)關(guān)鍵因素。藉由以上的說(shuō)明，希望能讓讀者在選購市面上資料采集卡時(shí)，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
用。
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