前言
一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會通過各式各樣的傳感器搜集周圍環(huán)境或是各種待測物產(chǎn)生的信號。一般而言，這些信號會隨機地產(chǎn)生，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須不斷地進行采樣，才能確保不漏掉任何重要的信號。這就產(chǎn)生了一個問題，內(nèi)存或是硬盤的容量是有限的，一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不可能無限制地采集并儲存數(shù)據(jù)。如何從不斷產(chǎn)生的信號中采集出真正有意義的部分，便成為數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計時的一個重要考慮。而觸發(fā) (trigger)，便是達到這一目標的重要手段。
何謂“觸發(fā)”?
在進行數(shù)據(jù)采集時，用戶可以設(shè)定某些信號的特定條件，例如一個數(shù)字信號的高電平 (logic high) 或低電平 (logic low)，或是一個電壓信號的特定值，一旦滿足這些特定條件，數(shù)據(jù)采集卡才真正開始采集并將其傳送到系統(tǒng)中，這便是觸發(fā)的基本原理。觸發(fā)的功能可以用在許多種形式的應用中，像是電力傳輸系統(tǒng)的突波 (pulse) 檢測 (直接設(shè)定突波電壓作為觸發(fā)條件)、多張數(shù)據(jù)采集卡的同步操作 (用一個共享的時鐘源產(chǎn)生觸發(fā)信號)、結(jié)合運動控制的動態(tài)系統(tǒng)的定點信號采樣 (機械結(jié)構(gòu)到達定位后發(fā)出觸發(fā)信號開始進行數(shù)據(jù)采集) 等等。擅用各種觸發(fā)功能可以讓用戶準確地采集有用的數(shù)據(jù)，大幅提升系統(tǒng)的性能以及量測的精度。
圖 1 觸發(fā)基本示意圖
接下來我們要介紹當今市場上應用于數(shù)據(jù)采集卡中的各種觸發(fā)技術(shù)，以及如何將這些觸發(fā)技術(shù)運用在您的系統(tǒng)中。
觸發(fā)信號類型
如前所述，觸發(fā)的基本原理是給出一個觸發(fā)信號，用以“刺激”數(shù)據(jù)采集卡進行采樣的動作。觸發(fā)信號的類型，大致上可以分為以下幾種：
1. 數(shù)字量觸發(fā)
通過一個外部輸入的 TTL 信號觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡。用戶通?？梢栽O(shè)定在TTL信號的上升沿 (raising edge) 或下降沿 (falling edge) 進行觸發(fā)。數(shù)字觸發(fā)的動作較為簡單，通常通過 CPLD 中的邏輯門便可以實現(xiàn)，因此大部分的數(shù)據(jù)采集卡，像是凌華科技的 NuDAQ系列，都提供數(shù)字觸發(fā)的功能。
圖二 數(shù)位觸發(fā)示意圖
2. 模擬觸發(fā)
另一種觸發(fā)方式是給出一個電壓信號并設(shè)定某個特定的電壓值，當電壓信號高于或是低于設(shè)定值時進行觸發(fā)。模擬觸發(fā)可以用來偵測連續(xù)電壓信號中的瞬間變化，如在電力傳輸系統(tǒng)中，用戶可以指定輸入信號的觸發(fā)電壓值，一旦超過該電平便開始進行采樣，藉此可以偵測電力系統(tǒng)中的突波 (pulse)。模擬觸發(fā)需要較復雜的電路設(shè)計，通常包含額外的 ADC件與比較器電路。因此通常在高端的數(shù)據(jù)采集卡，像是凌華科技的 DAQ-2000 系列或是 NI 的 E 系列或 M 系列上才會加入模擬觸發(fā)的功能。
圖三 模擬觸發(fā)示意圖
除了上述以超過或低于電壓值作為模擬觸發(fā)條件以外，新一代的數(shù)據(jù)采集卡提供了更復雜的模擬觸發(fā)條件。舉例來說，凌華科技 DAQ-2000 系列數(shù)據(jù)采集卡可以讓用戶設(shè)定兩組觸發(fā)電平門限 (High Thresold和 Low Threshold)。依據(jù)觸發(fā)信號跟觸發(fā)電平值的關(guān)系，用戶可設(shè)定多種的觸發(fā)條件，包含 Below-Low (觸發(fā)信號低于低位準時觸發(fā))、Above-High (觸發(fā)信號高于高位準時觸發(fā))、High-Hysteresis、Low-Hysteresis、Inside-Region 等等。以下我們用 High-Hysteresis 來說明這些先進觸發(fā)條件的妙用。
圖四 High-Hysteresis 觸發(fā)
High-Hysteresis 觸發(fā)。如圖四所示，當觸發(fā)信號超過High_Thresold時，觸發(fā)條件被滿足并開始進行采樣的動作。但與傳統(tǒng)電壓位準觸發(fā)不同的是，在觸發(fā)信號低于Low_Threshold 之前，不會發(fā)生其它觸發(fā)的動作。這樣的觸發(fā)條件有什么作用呢？在現(xiàn)實世界中，觸發(fā)信號本身可能也帶有許多的噪聲，而使觸發(fā)信號不斷地超過或低于觸發(fā)電平，而造成許多非預期的觸發(fā)行為。在High-Hysteresis觸發(fā)條件中，直到觸發(fā)信號低于 Low_Threshold 時才會允許下次觸發(fā)的發(fā)生，如此一來用戶可以更加精確地控制想要的觸發(fā)條件。
觸發(fā)信號來源
不管是模擬或是數(shù)字觸發(fā)信號，都必須輸入數(shù)據(jù)采集卡所定義的觸發(fā)信號來源才能發(fā)揮效用。一般而言，觸發(fā)信號來源可以是：
1. 專用的模擬觸發(fā)輸入
2. 專用的模擬數(shù)字觸發(fā)輸入
3. 特定的模擬輸入通道
4. 特定的數(shù)字輸入信道
舉個例子來說明，下圖是凌華 DAQ-2010 的信號定義。腳位 5 為專用的 AI模擬觸發(fā)輸入，腳位 48 是專用的 AI 數(shù)字觸發(fā)輸入，腳位 47 是專用的 AO 數(shù)字觸發(fā)輸入。另外通道 1到通道 4 都可以作為模擬觸發(fā)的輸入。
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觸發(fā)模式
當某一個滿足觸發(fā)條件的信號進入數(shù)據(jù)采集卡后，板上的邏輯電路 (FPGA 或 PLD) 便會驅(qū)動 ADC 開始進行采樣的工作。最直覺的想法是，一旦有觸發(fā)發(fā)生，立刻開始采樣。但是由于 FPGA 與 PLD 的進步，我們可以在這些邏輯組件中規(guī)劃更多種的觸發(fā)模式。以下我們將介紹目前在中高端數(shù)據(jù)采集卡常見的幾種觸發(fā)模式。
1. Post-trigger
Post-trigger 是最簡單的觸發(fā)模式。當用戶下達開始采集的命令后，F(xiàn)PGA 或 PLD 會啟動 DMA 并等待觸發(fā)事件。當觸發(fā)發(fā)生后立即開始采樣，直到滿足用戶設(shè)定的采樣點數(shù)或用戶下達停止命令為止。諸如突波檢測、多張數(shù)據(jù)采集卡的同步都可以使用這種觸發(fā)模式。
2. Delay-trigger
有些時候，觸發(fā)事件的發(fā)生與我們所要采集的數(shù)據(jù)之間會有若干時間上的延遲。舉個例子來說，在 802.11 無線局域網(wǎng)絡(luò)的通訊中，每一個傳送的數(shù)據(jù)框架間會有一段時間的 guard period (你可以把它想成是信號電壓為 0 的一段時間)。同時在每一個數(shù)據(jù)框架的最前端會有一段固定格式的 preamble，然后伴隨著調(diào)變過后有意義的數(shù)據(jù)。如果要采集這些有意義的數(shù)據(jù)，我們可以以 preamble 作為觸發(fā)條件，并在觸發(fā)發(fā)生之后延遲一段時間再進行采樣。如此一來我們便可以略過 guard period 與 preamble，取得真正有意義的數(shù)據(jù)，這種模式便是 delay-trigger。如上圖所示，使用delay-trigger 時，當觸發(fā)事件發(fā)生，F(xiàn)PGA/PLD 會延遲一段時間后再驅(qū)動 A/D 電路進行采樣。用戶可以用程序設(shè)定延遲的時間值以便精確地取得想要的數(shù)據(jù)。
3. Pre-trigger
某些應用中，用戶想要的數(shù)據(jù)并不是在觸發(fā)發(fā)生之后，而是在觸發(fā)發(fā)生之前，此時便可以使用 pre-trigger 模式。在 pre-trigger 模式中，數(shù)據(jù)采集會在用戶下達開始命令后立即啟動，并持續(xù)將數(shù)據(jù) DMA 至系統(tǒng)內(nèi)的buffer，一旦觸發(fā)事件發(fā)生，數(shù)據(jù)采集會停止，并將觸發(fā)之前采樣的數(shù)據(jù)傳回給用戶。如果采樣的數(shù)據(jù)超過預先設(shè)定的個數(shù)N，則只保留最后N個采樣點。在破壞性檢測中，研究者通常關(guān)心結(jié)構(gòu)體崩潰之前的變化，所以在這類應用中，我們可以以結(jié)構(gòu)體崩潰作為觸發(fā)條件 (結(jié)構(gòu)體崩潰通常會產(chǎn)生較大的震動/聲音等信號) 并搭配 pre-trigger模式，如此可以在實驗過程中順利取得結(jié)構(gòu)崩潰前發(fā)出的信號。
4. Middle-trigger
Middle-trigger 是 pre-trigger 的延伸。在 middle-trigger 中，用戶可以同時取得觸發(fā)事件前后的數(shù)據(jù)。如上圖所示，用戶可以指定 M (觸發(fā)前) + N (觸發(fā)后) 筆數(shù)據(jù)，用以觀察在觸發(fā)前后信號變化的情形。
結(jié)語
每一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的信號均有不同的特性，在設(shè)計系統(tǒng)時，選擇適當?shù)挠|發(fā)條件與觸發(fā)模式可以讓用戶過濾無效的信號，采集到有意義的數(shù)據(jù)。此外，隨著軟硬件技術(shù)的進步，許多新設(shè)計的數(shù)據(jù)采集卡能夠提供各式各樣先進的觸發(fā)功能，以滿足不同信號的需求。對于每一個數(shù)據(jù)采集或量測系統(tǒng)的設(shè)計而言，完整地分析信號特性、找出正確的觸發(fā)條件/模式，并選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)采集卡，才能建構(gòu)一個有效率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，收到事半功倍之效。
（轉(zhuǎn)載）
