各种触发模式在数据采集系统中的应用

前言 一个典型的数据采集系统会通过各式各样的传感器搜集周围环境或是各种待测物产生的信号。一般而言，这些信号会随机地产生，所以数据采集系统必须不断地进行采样，才能确保不漏掉任何重要的信号。这就产生了一个问题，内存或是硬盘的容量是有限的，一个数据采集系统不可能无限制地采集并储存数据。如何从不断产生的信号中采集出真正有意义的部分，便成为数据采集卡设计时的一个重要考虑。而触发 (trigger)，便是达到这一目标的重要手段。 何谓“触发”? 在进行数据采集时，用户可以设定某些信号的特定条件，例如一个数字信号的高电平 (logic high) 或低电平 (logic low)，或是一个电压信号的特定值，一旦满足这些特定条件，数据采集卡才真正开始采集并将其传送到系统中，这便是触发的基本原理。触发的功能可以用在许多种形式的应用中，像是电力传输系统的突波 (pulse) 检测 (直接设定突波电压作为触发条件)、多张数据采集卡的同步操作 (用一个共享的时钟源产生触发信号)、结合运动控制的动态系统的定点信号采样 (机械结构到达定位后发出触发信号开始进行数据采集) 等等。擅用各种触发功能可以让用户准确地采集有用的数据，大幅提升系统的性能以及量测的精度。 图 1 触发基本示意图 接下来我们要介绍当今市场上应用于数据采集卡中的各种触发技术，以及如何将这些触发技术运用在您的系统中。 触发信号类型 如前所述，触发的基本原理是给出一个触发信号，用以“刺激”数据采集卡进行采样的动作。触发信号的类型，大致上可以分为以下几种： 1. 数字量触发 通过一个外部输入的 TTL 信号触发数据采集卡。用户通常可以设定在TTL信号的上升沿 (raising edge) 或下降沿 (falling edge) 进行触发。数字触发的动作较为简单，通常通过 CPLD 中的逻辑门便可以实现，因此大部分的数据采集卡，像是凌华科技的 NuDAQ系列，都提供数字触发的功能。 图二 数位触发示意图 2.模拟触发 另一种触发方式是给出一个电压信号并设定某个特定的电压值，当电压信号高于或是低于设定值时进行触发。模拟触发可以用来侦测连续电压信号中的瞬间变化，如在电力传输系统中，用户可以指定输入信号的触发电压值，一旦超过该电平便开始进行采样，藉此可以侦测电力系统中的突波 (pulse)。模拟触发需要较复杂的电路设计，通常包含额外的 ADC件与比较器电路。因此通常在高端的数据采集卡，像是凌华科技的 DAQ-2000 系列或是 NI 的 E 系列或 M 系列上才会加入模拟触发的功能。 图三 模拟触发示意图 除了上述以超过或低于电压值作为模拟触发条件以外，新一代的数据采集卡提供了更复杂的模拟触发条件。举例来说，凌华科技 DAQ-2000 系列数据采集卡可以让用户设定两组触发电平门限 (High Thresold和 Low Threshold)。依据触发信号跟触发电平值的关系，用户可设定多种的触发条件，包含 Below-Low (触发信号低于低位准时触发)、Above-High (触发信号高于高位准时触发)、High-Hysteresis、Low-Hysteresis、Inside-Region 等等。以下我们用 High-Hysteresis 来说明这些先进触发条件的妙用。 图四 High-Hysteresis 触发 High-Hysteresis 触发。如图四所示，当触发信号超过High_Thresold时，触发条件被满足并开始进行采样的动作。但与传统电压位准触发不同的是，在触发信号低于Low_Threshold 之前，不会发生其它触发的动作。这样的触发条件有什么作用呢？在现实世界中，触发信号本身可能也带有许多的噪声，而使触发信号不断地超过或低于触发电平，而造成许多非预期的触发行为。在High-Hysteresis触发条件中，直到触发信号低于 Low_Threshold 时才会允许下次触发的发生，如此一来用户可以更加精确地控制想要的触发条件。 触发信号来源 不管是模拟或是数字触发信号，都必须输入数据采集卡所定义的触发信号来源才能发挥效用。一般而言，触发信号来源可以是： 1. 专用的模拟触发输入 2. 专用的模拟数字触发输入 3. 特定的模拟输入通道 4. 特定的数字输入信道 举个例子来说明，下图是凌华 DAQ-2010 的信号定义。脚位 5 为专用的 AI模拟触发输入，脚位 48 是专用的 AI 数字触发输入，脚位 47 是专用的 AO 数字触发输入。另外通道 1到通道 4 都可以作为模拟触发的输入。 触发模式 当某一个满足触发条件的信号进入数据采集卡后，板上的逻辑电路 (FPGA 或 PLD) 便会驱动 ADC 开始进行采样的工作。最直觉的想法是，一旦有触发发生，立刻开始采样。但是由于 FPGA 与 PLD 的进步，我们可以在这些逻辑组件中规划更多种的触发模式。以下我们将介绍目前在中高端数据采集卡常见的几种触发模式。 1.Post-trigger Post-trigger Post-trigger 是最简单的触发模式。当用户下达开始采集的命令后，FPGA 或 PLD 会启动 DMA 并等待触发事件。当触发发生后立即开始采样，直到满足用户设定的采样点数或用户下达停止命令为止。诸如突波检测、多张数据采集卡的同步都可以使用这种触发模式。 2.Delay-trigger Delay-trigger 有些时候，触发事件的发生与我们所要采集的数据之间会有若干时间上的延迟。举个例子来说，在 802.11 无线局域网络的通讯中，每一个传送的数据框架间会有一段时间的 guard period (你可以把它想成是信号电压为 0 的一段时间)。同时在每一个数据框架的最前端会有一段固定格式的 preamble，然后伴随着调变过后有意义的数据。如果要采集这些有意义的数据，我们可以以 preamble 作为触发条件，并在触发发生之后延迟一段时间再进行采样。如此一来我们便可以略过 guard period 与 preamble，取得真正有意义的数据，这种模式便是 delay-trigger。如上图所示，使用delay-trigger 时，当触发事件发生，FPGA/PLD 会延迟一段时间后再驱动 A/D 电路进行采样。用户可以用程序设定延迟的时间值以便精确地取得想要的数据。 3.Pre-trigger Pre-trigger 某些应用中，用户想要的数据并不是在触发发生之后，而是在触发发生之前，此时便可以使用 pre-trigger 模式。在 pre-trigger 模式中，数据采集会在用户下达开始命令后立即启动，并持续将数据 DMA 至系统内的buffer，一旦触发事件发生，数据采集会停止，并将触发之前采样的数据传回给用户。如果采样的数据超过预先设定的个数N，则只保留最后N个采样点。在破坏性检测中，研究者通常关心结构体崩溃之前的变化，所以在这类应用中，我们可以以结构体崩溃作为触发条件 (结构体崩溃通常会产生较大的震动/声音等信号) 并搭配 pre-trigger模式，如此可以在实验过程中顺利取得结构崩溃前发出的信号。 4.Middle-trigger Middle-trigger Middle-trigger 是 pre-trigger 的延伸。在 middle-trigger 中，用户可以同时取得触发事件前后的数据。如上图所示，用户可以指定 M (触发前) + N (触发后) 笔数据，用以观察在触发前后信号变化的情形。 结语 每一种数据采集系统所采集的信号均有不同的特性，在设计系统时，选择适当的触发条件与触发模式可以让用户过滤无效的信号，采集到有意义的数据。此外，随着软硬件技术的进步，许多新设计的数据采集卡能够提供各式各样先进的触发功能，以满足不同信号的需求。对于每一个数据采集或量测系统的设计而言，完整地分析信号特性、找出正确的触发条件/模式，并选择适当的数据采集卡，才能建构一个有效率的数据采集系统，收到事半功倍之效。