使用正確的數(shù)據(jù)采集模式-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯使用正確的數(shù)據(jù)采集模式-設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊化數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有許多采集功能，你可以用這些采集功能從多個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，然后傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這些采集模式能讓你高效地使用板載內(nèi)存，減少兩次采集之間的死區(qū)時(shí)間。模塊化數(shù)字轉(zhuǎn)換器經(jīng)常用于采集來自低占空比信號(hào)的數(shù)據(jù)，例如回波測距（包括雷達(dá)、聲納、激光雷達(dá)和超聲波），以及瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用（如飛行時(shí)間光譜測定和其它基于激勵(lì)-響應(yīng)的分析）。

數(shù)字轉(zhuǎn)換器通常具有兩種使用方式不同的工作模式。標(biāo)準(zhǔn)模式使用采集內(nèi)存作為環(huán)形緩沖器，就像示波器一樣。數(shù)據(jù)被寫入數(shù)字轉(zhuǎn)換器的環(huán)形內(nèi)存中，直到觸發(fā)事件發(fā)生。經(jīng)過觸發(fā)之后，觸發(fā)后的值被記錄下來。這將導(dǎo)致記錄的數(shù)據(jù)中同時(shí)包含觸發(fā)前和觸發(fā)后的值。這種工作模式主要是與數(shù)字轉(zhuǎn)換器的相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件一起使用。該軟件可以用于查看、記錄和處理采集的信號(hào)，驗(yàn)證數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)置，并對(duì)數(shù)據(jù)做初步處理。

另外一種模式是先進(jìn)先出（FIFO）模式，這是一種流模式，是為數(shù)字轉(zhuǎn)換器和外部主機(jī)之間連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的。本文中提到的數(shù)字轉(zhuǎn)換器SpectrumM4i。4451-x8采用了PCIExpressx8Gen2接口，流速高達(dá)3.4GB/s。數(shù)據(jù)流的控制是驅(qū)動(dòng)器根據(jù)中斷請(qǐng)求自動(dòng)進(jìn)行的。完整安裝的采集內(nèi)存用作數(shù)據(jù)流的緩沖器。

多段記錄模式

不管標(biāo)準(zhǔn)模式還是FIFO模式都提供了三種多段記錄方法，這些方法可以在低占空比的測量應(yīng)用中更加高效地使用采集內(nèi)存。低占空比應(yīng)用包括了持續(xù)時(shí)間短的感興趣事件跟上長時(shí)間靜默間隔的那些應(yīng)用。針對(duì)采集這類信號(hào)優(yōu)化了的采集方法有多段記錄模式、門控模式和ABA（雙時(shí)基）采集模式。所有這些模式都會(huì)將內(nèi)存分段，然后在內(nèi)存中進(jìn)行多次采集。雙時(shí)基ABA模式可以縮短兩次觸發(fā)之間的采樣率，從而節(jié)省內(nèi)存空間，同時(shí)仍能用于查看兩次觸發(fā)之間的死區(qū)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件。下面讓我們看看這些采集模式是如何工作的。圖1對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)換器的工作原理做了一些總結(jié)。

圖1:多段、門控和ABA采集模式和相關(guān)時(shí)間戳的概要視圖。

多段記錄（分段）模式（圖1a）允許以特別短的重新加載時(shí)間記錄多個(gè)觸發(fā)事件。采集內(nèi)存被分成尺寸相同的多個(gè)段。每個(gè)觸發(fā)事件填裝一段，采集過程在兩段之間停止。用戶可以編程段內(nèi)的觸發(fā)前和觸發(fā)后間隔。采集段的數(shù)量僅限于所用的內(nèi)存容量，當(dāng)使用FIFO模式時(shí)是沒有限制的。與多次觸發(fā)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采集內(nèi)存的連續(xù)段內(nèi)。與事件之間的死區(qū)時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)是不記錄的。每個(gè)觸發(fā)事件被打上時(shí)間戳，因此每次觸發(fā)的位置是知道的。圖1b以圖形化的方式顯示了多段記錄模式下的時(shí)間戳工作過程。

門控采集（圖1c）模式使用門控（使能）信號(hào)的狀態(tài)（可以是另外一個(gè)通道或外部觸發(fā)輸入）啟動(dòng)或停止采樣過程。只有當(dāng)門處于激活狀態(tài)時(shí)才將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。就像在多段記錄模式中一樣，用戶可以編程有關(guān)門的觸發(fā)前后的時(shí)間間隔。在門控模式中，時(shí)間戳標(biāo)志了不包含門控采集前后間隔的門的開閉。采集的門段數(shù)量受限于采集內(nèi)存，并且在使用FIFO模式時(shí)僅受主機(jī)內(nèi)存的限制。

圖1d所示的ABA模式是一種雙時(shí)基采集，結(jié)合了對(duì)觸發(fā)事件的快速采集（B時(shí)基）和觸發(fā)之間的緩慢采樣速率（A時(shí)基）。ABA模式工作時(shí)就像整合了一個(gè)快速數(shù)字轉(zhuǎn)換器的慢速數(shù)據(jù)記錄器。觸發(fā)事件的實(shí)際位置與多段記錄模式中一樣用時(shí)間戳進(jìn)行標(biāo)志。

多段記錄和門控采集模式具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

●采集內(nèi)存分段后，由于只在信號(hào)激活時(shí)以全速采樣率記錄數(shù)據(jù)，因此可以更高效地使用內(nèi)存。

●只存儲(chǔ)重要的測量事件、并且不涉及‘死區(qū)’時(shí)間，因此需要傳送的數(shù)據(jù)較少，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分段信號(hào)的連續(xù)數(shù)據(jù)采集和處理。

●在多段和門控模式中重新加載或觸發(fā)“死區(qū)時(shí)間”的次數(shù)減少了。在本例中使用的SpectrumM4i數(shù)字轉(zhuǎn)換器的重新加載時(shí)間是40個(gè)樣本（+編程的預(yù)觸發(fā)）。在采樣速率時(shí)的重新加載時(shí)間短至80ns.短的觸發(fā)重新加載時(shí)間意味著即使在高事件速率的應(yīng)用中也能減少事件遺漏的機(jī)會(huì)。

●每個(gè)觸發(fā)事件的時(shí)間戳允許你讀取事件之間的時(shí)間差。當(dāng)事件呈現(xiàn)信號(hào)中的異常時(shí)，

所有段可以同時(shí)查看，各個(gè)段可以分別縮放以顯示每次采集中的詳細(xì)內(nèi)容。

ABA模式使用低采樣率查看觸發(fā)之間的信號(hào)，同時(shí)用較高的采樣率顯示觸發(fā)端具有較高時(shí)間分辨率的信號(hào)分量。這種方法的內(nèi)存使用效率沒有多段記錄或門控模式高，但可以用來連續(xù)地查看兩次觸發(fā)之間發(fā)生的事件。使用時(shí)間戳?xí)r，快慢數(shù)據(jù)與1個(gè)樣本的分辨率是同步的。

應(yīng)用例子

個(gè)例子（圖2）顯示了對(duì)超聲波測距儀的聲音輸出進(jìn)行的多段記錄模式采集。這個(gè)設(shè)備輸出40kHz脈沖信號(hào)，然后根據(jù)接收到回波所花的時(shí)間確定距離。這些脈沖以5個(gè)一組的方式產(chǎn)生，間隔為15μs，處理工作是在這些多個(gè)脈沖串之間的450ms“死區(qū)時(shí)間”內(nèi)進(jìn)行的的。聲音信號(hào)采用帶寬為100kHz的儀器級(jí)麥克風(fēng)拾取。圖2的左邊顯示了采集信號(hào)的一些參數(shù)設(shè)置。

圖2:用多段模式采集超聲波測距儀的40kHz聲音輸出。

每個(gè)段包含32k樣本，其中1k是觸發(fā)前樣本，31k是觸發(fā)后樣本的記錄。圖中沒有顯示出來的采樣率是7.8MS樣本/秒。上面的軌跡是對(duì)整個(gè)采集過程的預(yù)覽，顯示了多個(gè)脈沖串和處理間隔。中間的軌跡是對(duì)5個(gè)段的放大顯示圖。每個(gè)段的開始用時(shí)間戳進(jìn)行了標(biāo)記。下面的軌跡是采集過程中個(gè)脈沖的放大顯示圖。

從這張圖可以看到單個(gè)脈沖的細(xì)節(jié)。顯示這些數(shù)據(jù)的軟件可以表明段是連續(xù)的，因?yàn)樗鼈兇_實(shí)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，但整合了測量間距的視圖通常更加有用。通過只存儲(chǔ)與每次觸發(fā)相關(guān)的段，數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以刪除3.5M個(gè)以上的數(shù)據(jù)樣本，而這些樣本本來是要在記錄死區(qū)時(shí)間的每個(gè)實(shí)例中消耗掉的。

如果兩個(gè)采集段之間的數(shù)據(jù)比較重要，那就應(yīng)該采用ABA模式，如圖3所示。在這種模式下，數(shù)據(jù)使用兩種不同的采樣率進(jìn)行記錄。ABA模式從每個(gè)輸入端產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。主數(shù)據(jù)通道被稱為“B”通道，采用多段記錄采集模式，針對(duì)檢測到的每次觸發(fā)記錄一段數(shù)據(jù)。B通道數(shù)據(jù)采集采用選定的采樣率。每二個(gè)數(shù)據(jù)通道被稱為“A”數(shù)據(jù)通道，采用分頻的采樣時(shí)鐘連續(xù)運(yùn)行，用于采集較慢的連續(xù)信號(hào)。A、B數(shù)據(jù)間的時(shí)間同步是基于采集到的時(shí)間戳完成的。結(jié)果顯示在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)用較慢的A采樣時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了完整的信號(hào)采集，同時(shí)在每次觸發(fā)事件點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生以較高速率采樣的B段數(shù)據(jù)，并且對(duì)感興趣的區(qū)域提供了更多的信息。

圖3:使用雙時(shí)基ABA采集模式采集的同一超聲波脈沖。注意，下方的“A”軌跡是以較低采樣率采集的連續(xù)信號(hào)數(shù)據(jù)，上方的軌跡是以較高（B時(shí)基）采樣率采集的單個(gè)段。

圖3的上方是整個(gè)采集的完整預(yù)覽。中間是以選定的采樣率（B采樣時(shí)鐘）記錄的單個(gè)數(shù)據(jù)段。時(shí)間戳顯示了觸發(fā)時(shí)間。下方的軌跡是以選定采樣率的1/16采樣的連續(xù)“A”數(shù)據(jù)。注意，連續(xù)記錄顯示了在使用多段記錄模式的圖2中不是很明顯的脈沖間信息。

一個(gè)例子顯示了門控采集模式。這種模式允許由外部門控信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)觸發(fā)信號(hào)來控制數(shù)據(jù)的記錄。如果門控信號(hào)滿足觸發(fā)閾值設(shè)置，數(shù)據(jù)就被記錄。因?yàn)殚T的寬度可能不完全匹配信號(hào)持續(xù)時(shí)間，用戶設(shè)定的前后門控區(qū)域可以被增加和采集。門控段的數(shù)量僅限于可用的采集內(nèi)存，當(dāng)使用FIFO模式時(shí)是不受限制的。

圖4提供了一個(gè)使用模擬激光信號(hào)完成的門控采集例子。門控信號(hào)標(biāo)志待觸發(fā)的激光。門控信號(hào)被施加于數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第二個(gè)通道，并且這個(gè)通道被設(shè)為觸發(fā)源。觸發(fā)閾值電平被設(shè)為150mV.終采集到的是顯示屏上的激光脈沖和門控信號(hào)。注意，128個(gè)樣本的前后區(qū)域給門控區(qū)域增加了額外的樣本。正如前面的例子一樣，上邊的軌跡是預(yù)覽模式，顯示了速率為10Hz的多個(gè)激勵(lì)。當(dāng)使用門控采集模式時(shí)，時(shí)間戳與門的開始和停止邊沿相關(guān)，這可以在段的縮放窗口看出來。段的持續(xù)時(shí)間等于門控時(shí)間加上前后門控區(qū)域的128個(gè)樣本。

圖4:門控模式采集模擬激光脈沖的例子，該例子表明在第二個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換通道上的門控信號(hào)觸發(fā)了采集的啟動(dòng)和停止，它同樣包含128個(gè)樣本的前后門控區(qū)域。

使用門控采集模式后，只需8kS的采集內(nèi)存就可以采集18個(gè)脈沖（總的持續(xù)時(shí)間等于1.8秒）。