1 引言

近年來，隨著自動(dòng)化測(cè)試、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能制造以及新能源裝備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，基于PXIe平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工程測(cè)試中的應(yīng)用越來越廣泛。PXIe作為一種開放、模塊化、高帶寬的測(cè)試與測(cè)量平臺(tái)，具備以下典型優(yōu)勢(shì)：

總線帶寬高、通道數(shù)易擴(kuò)展，可滿足多點(diǎn)、多物理量同時(shí)測(cè)試的需求;

模塊形態(tài)靈活，可方便集成電壓、電流、橋路、聲學(xué)、振動(dòng)等多種采集卡;

配合上位機(jī)軟件和觸發(fā)/時(shí)鐘資源，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下的自動(dòng)化測(cè)試。

在此背景下，測(cè)試數(shù)據(jù)不再是單通道、單點(diǎn)的簡單記錄，而是多通道、多傳感器、多物理量之間的關(guān)聯(lián)分析。這直接引出一個(gè)核心問題：如何保證各通道數(shù)據(jù)在時(shí)間上的嚴(yán)格對(duì)齊，即“同步”問題。

本文圍繞“同一塊 PXIe數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部不同通道之間的同步”展開，先討論數(shù)據(jù)同步的重要性、異步采集可能帶來的后果，隨后以PXIe采集卡為例，分析單板多通道同步的實(shí)現(xiàn)原理與基本方式。不同采集卡之間的同步問題將放在后續(xù)文章中單獨(dú)討論。

圖1 PXIe數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)據(jù)同步的重要性

2.1 多通道測(cè)試場(chǎng)景的需求

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，多通道采集早已成為常態(tài)，例如：結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試中，需要同步采集多個(gè)加速度傳感器，用于模態(tài)分析、振型識(shí)別;電機(jī)與電力電子測(cè)試中，需要同時(shí)采集電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩等多種信號(hào)，用于效率分析和控制算法驗(yàn)證;聲學(xué)與噪聲測(cè)試中，需要同步采集多個(gè)麥克風(fēng)陣列通道，用于聲源定位和波束形成;機(jī)頂盒、通信設(shè)備等電子產(chǎn)品測(cè)試中，需要同步采集功耗、溫度、控制信號(hào)等，用于關(guān)聯(lián)分析和故障定位。

這些應(yīng)用有一個(gè)共同特點(diǎn)：后續(xù)的數(shù)據(jù)處理往往基于多通道之間的時(shí)間關(guān)系，而不是某個(gè)通道的絕對(duì)值本身。典型如：計(jì)算相位差、傳遞函數(shù)、互相關(guān)函數(shù);分析事件的時(shí)序，例如“某通道故障信號(hào)出現(xiàn)后，其他通道響應(yīng)的時(shí)間延遲”;進(jìn)行空間重建(陣列測(cè)量)、多傳感器信息融合等。如果通道之間時(shí)間軸錯(cuò)位或漂移，即便單通道采樣精度很高，整體測(cè)試結(jié)論仍然可能是錯(cuò)誤的甚至是相互矛盾的。

2.2 從“采樣率一致”到“采樣時(shí)刻一致”

在實(shí)際工程交流中，容易出現(xiàn)一個(gè)誤解：“只要多通道設(shè)置了相同的采樣率，就是同步了?！睂?shí)際上，同樣是10 kS/s的采樣率，如果每個(gè)通道各自有獨(dú)立的時(shí)鐘或獨(dú)立啟動(dòng)，則采樣時(shí)刻可以存在固定偏移，甚至在測(cè)試過程逐漸漂移。這種情況下，通道之間雖然“平均采樣間隔”相同，但每一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間戳并不一致，仍然屬于異步采集。

真正意義上的多通道同步，至少包含兩個(gè)層面：

統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)：所有通道共享同一個(gè)時(shí)鐘源或經(jīng)過鎖相后的同源時(shí)鐘;

統(tǒng)一采樣起點(diǎn)與采樣節(jié)奏：各通道的采樣在同一時(shí)刻開始，并由同一個(gè)“采樣時(shí)鐘”驅(qū)動(dòng)。

只有同時(shí)滿足上述條件，才能保證“同一個(gè)采樣點(diǎn)序號(hào) n，在所有通道上對(duì)應(yīng)同一個(gè)物理時(shí)間 t”。

3 異步采集可能導(dǎo)致的問題

若在 PXIe 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，同一塊采集卡的各通道未實(shí)現(xiàn)真正同步，將可能導(dǎo)致以下問題：

3.1 多通道相位與幅值分析偏差

在頻域分析中，多通道之間的相位關(guān)系通常用于判斷系統(tǒng)的相位響應(yīng)、傳遞函數(shù)等。如果通道間存在時(shí)間偏移 Δt，則在頻率 f 處將引入額外相位誤差：

對(duì)于高頻信號(hào)，即使微小的時(shí)間偏差，也會(huì)轉(zhuǎn)化為明顯的相位誤差，進(jìn)而導(dǎo)致：傳遞函數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確;系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷失誤;模態(tài)分析結(jié)果偏離真實(shí)情況。在瞬態(tài)分析中，時(shí)間偏移還會(huì)導(dǎo)致同一事件在各通道上的峰值對(duì)齊失敗，使得幅值峰值、上升沿等特征提取出現(xiàn)誤差。

3.2 長時(shí)間測(cè)試中的時(shí)間漂移

如果各通道依賴非鎖相時(shí)鐘或非統(tǒng)一時(shí)鐘源，隨著測(cè)試時(shí)間增長，采樣時(shí)鐘的微小頻率偏差會(huì)積累為明顯的時(shí)間漂移。短時(shí)間內(nèi)看似“差不多對(duì)齊”的波形，長時(shí)間后可能出現(xiàn)采樣點(diǎn)序列明顯分離，導(dǎo)致：無法將不同通道的數(shù)據(jù)在同一時(shí)間軸上進(jìn)行長期趨勢(shì)分析;長時(shí)間相關(guān)性分析(例如溫度與功耗、振動(dòng)與負(fù)載)失真;后處理階段難以通過簡單插值進(jìn)行補(bǔ)救等問題。

圖2 PXIe同步采集卡示意圖

4 基于 PXIe 的單板多通道同步基本原理

在PXIe體系中，一塊多通道數(shù)據(jù)采集卡通常已經(jīng)針對(duì)“單板多通道同步”進(jìn)行了硬件和驅(qū)動(dòng)層面的設(shè)計(jì)。其基本思想可以概括為：在同一塊采集卡上，為所有通道提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)、統(tǒng)一的采樣時(shí)鐘和統(tǒng)一的啟動(dòng)觸發(fā)，從而保證采樣時(shí)刻完全一致。下面從幾個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行解析：

4.1 統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)(板載時(shí)鐘/參考時(shí)鐘)

PXIe采集卡通常擁有一個(gè)板載時(shí)鐘(On-board Clock)，例如由高穩(wěn)定度晶振提供的基準(zhǔn)頻率(如 10 MHz、20 MHz 等)。同時(shí)，PXIe 機(jī)箱還可以通過背板提供系統(tǒng)參考時(shí)鐘(如 10 MHz 參考時(shí)鐘)，供各模塊鎖相使用。對(duì)于單板多通道同步而言，一般有兩種方式：

1. 全部通道共享同一塊板載時(shí)鐘：所有采樣相關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)(如采樣時(shí)鐘、內(nèi)部分頻時(shí)鐘等)均從同一個(gè)基準(zhǔn)晶振分頻/倍頻得到;通道之間不存在各自獨(dú)立的自由振蕩器，從而避免了長時(shí)間運(yùn)行中的相對(duì)漂移。

2. 采集卡鎖相到機(jī)箱參考時(shí)鐘：板載時(shí)鐘通過鎖相環(huán)(PLL)鎖定到機(jī)箱提供的參考時(shí)鐘;雖然這一機(jī)制更多用于多卡同步，但對(duì)單卡本身同樣有利于提高整體時(shí)間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。

無論采用哪種方式，關(guān)鍵點(diǎn)是：采集卡內(nèi)部所有通道使用的是“同源時(shí)鐘”。同源時(shí)鐘保證了采樣周期在所有通道上完全一致，為下一步“統(tǒng)一采樣時(shí)刻”打下基礎(chǔ)。

4.2 統(tǒng)一采樣時(shí)刻(共享采樣時(shí)鐘)

在有了統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)之后，PXIe采集卡通常還會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的采樣時(shí)鐘(Sample Clock)，用于驅(qū)動(dòng)該卡上的所有采樣通道。其實(shí)現(xiàn)方式大致包括兩類架構(gòu)：

1. 多ADC同步采樣架構(gòu)(Simultaneous Sampling)：每個(gè)通道配備獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，所有 ADC 由同一采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng);在采樣時(shí)刻 tnt_ntn，所有 ADC 同時(shí)對(duì)各自通道的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并輸出數(shù)字結(jié)果;這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的“逐點(diǎn)同時(shí)”采樣，適用于對(duì)相位、瞬態(tài)特性要求較高的場(chǎng)景(振動(dòng)、聲學(xué)陣列等)。

2. 多路復(fù)用 + 單 ADC 架構(gòu)(Multiplexed Sampling)：多個(gè)通道通過模擬開關(guān)/多路復(fù)用器依次送入同一 ADC;整體采樣周期由統(tǒng)一采樣時(shí)鐘控制，但各通道在一個(gè)采樣周期內(nèi)依次輪詢;對(duì)于低頻、緩變信號(hào)(如溫度、電壓慢變量等)，可以認(rèn)為“準(zhǔn)同步”;但從嚴(yán)格意義上說，通道間仍存在固定時(shí)間偏移。

在工程實(shí)踐中，若需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐?尤其是相位分析、陣列測(cè)量)，應(yīng)優(yōu)先選用支持同步采樣、多 ADC 架構(gòu)的 PXIe 采集卡，并在設(shè)計(jì)與選型階段予以明確。

圖3 PXIe采集卡同步原理示意圖

4.3 統(tǒng)一啟動(dòng)觸發(fā)(Start Trigger)

即使所有通道共享同一個(gè)采樣時(shí)鐘，如果各通道在不同時(shí)間開始采集，仍然會(huì)出現(xiàn)時(shí)間軸上的固定偏移。因此，在PXIe系統(tǒng)中，采集卡通常提供統(tǒng)一的啟動(dòng)觸發(fā)機(jī)制：在驅(qū)動(dòng)配置中，將多通道歸屬于同一個(gè)“任務(wù)(Task)”;該任務(wù)在接收到一次“開始采集”的觸發(fā)信號(hào)(Start Trigger)后，才會(huì)啟動(dòng)采樣時(shí)鐘并開始采樣;由于任務(wù)內(nèi)通道共享同一個(gè)觸發(fā)源，所有通道的“第一個(gè)樣本”對(duì)應(yīng)的是同一時(shí)刻。這個(gè)觸發(fā)信號(hào)既可以是：軟件觸發(fā)：上位機(jī)發(fā)出開始命令，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)部觸發(fā)信號(hào);硬件觸發(fā)：由外部數(shù)字信號(hào)或某一路模擬信號(hào)的閾值事件觸發(fā)。

對(duì)于單板多通道同步，一般推薦：盡量將所有需要同步的通道放在同一個(gè)采集任務(wù)中，避免多個(gè)任務(wù)分別啟動(dòng)造成不必要的時(shí)序差;若必須使用多個(gè)任務(wù)，也應(yīng)確保這些任務(wù)共享同一個(gè)硬件觸發(fā)源，并由同一采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。

圖4 PXIe控制器示意圖

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