數據采集中的外部時鐘及握手信號

前言
數據采集卡作為采集信號的接口為大家所熟知，然而，在市面各種規格的板卡中，為什么有些提供外部時鐘以及提供多種觸發模式?還有的高速數字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/數轉換器的特性，將這個周期性的方波信號經計數器(counter)模塊分頻后，轉化成模/數轉換器的工作時鐘，這也就決定了數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下得到的完全重疊的波形。
圖1  同步與異步數據采集差異

觸發信號
一般來說，觸發信號的信號源可分為軟件觸發(software trigger)，模擬觸發(analog trigger)及數字觸發(digital trigger)。軟件觸發就是程序執行到啟動數據采集的瞬間，即為觸發點；對于模擬觸發來說，可設定觸發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點；至于數字觸發信號，其觸發信號為一方波(TTL電平)，用戶可以設定觸發點為上升沿觸發或是下降沿觸發。另外，在觸發的模式上也有幾種不同的區別，分別是延遲觸發、前觸發、中間觸發及后觸發。其觸發點與所采集到數據的關系如圖2所示。
 圖2  觸發模式
從圖2可以容易的了解到，所謂延遲觸發即是忽略觸發后的前M筆數據后才開始采集N筆數據，前觸發是采集觸發信號的前N筆數據，中間觸發是采集觸發前M筆數據及觸發后的N筆數據，后觸發則是采集觸發后的N筆數據，而前面所提到的軟件觸發就是指后觸發的模式，而觸發源為軟件命令。
除此之外還有連續觸發模式，連續觸發可以采集每個觸發信號后特定個數的數據，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據取回，再刪除無意義的數據，如此一來，勢必增加用戶在后續數據處理上的復雜性。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信號可透過SSI接口發送給從機，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上的需求專門發展出一個儀器接口，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、觸發及控制。

握手模式
另一個與數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據傳輸，并行傳輸提供了簡單且更高速的數據傳輸方式，不過其技術關鍵在于發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，高速數字I/O卡需要提供握手模式，讓兩張卡握手信號以確保數據的正確性。圖3為數據輸出的時序圖。
圖3  握手信號時序圖
在圖3中，當有效數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據已經被送出，當接收端收到數據時，則會產生DOACK的信號通知發送端數據已完成接收，發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據，不斷重復上述步驟，直到將所有數據輸出完畢。所以當兩個支持握手信號的模塊數據傳輸時，其正確的接線方式為將輸出端的ACK信號線與輸入端的REQ信號線相聯接，輸出端的REQ信號線與輸入端的ACK信號線相聯接。凌華科技的PCI-7300A高速數字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，適合高速量測環境的需求，如IC測試、高速數據交換、IC邏輯信號量測等。

結語
在測控的應用上，觸發和同步及如何確保高速數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。