浅析特殊数据采集模式的正确使用 - 全文

模块化数字转换器具有许多采集功能，你可以用这些采集功能从多个通道采集数据，然后传送给计算机进行处理。这些采集模式能让你高效地使用板载内存，减少两次采集之间的死区时间。模块化数字转换器经常用于采集来自低占空比信号的数据，例如回波测距（包括雷达、声纳、激光雷达和超声波），以及瞬态数据采集应用（如飞行时间光谱测定和其它基于激励-响应的分析）。

数字转换器通常具有两种使用方式不同的工作模式。标准模式使用采集内存作为环形缓冲器，就像示波器一样。数据被写入数字转换器的环形内存中，直到触发事件发生。经过触发之后，触发后的值被记录下来。这将导致记录的数据中同时包含触发前和触发后的值。这种工作模式主要是与数字转换器的相关数据采集软件一起使用。该软件可以用于查看、记录和处理采集的信号，验证数字转换器的设置，并对数据做初步处理。

另外一种模式是先进先出（FIFO）模式，这是一种流模式，是为数字转换器和外部主机之间连续传输数据设计的。本文中提到的数字转换器Spectrum M4i。4451-x8采用了PCI Express x8 Gen2接口，流速高达3.4GB/s。数据流的控制是驱动器根据中断请求自动进行的。完整安装的采集内存用作数据流的缓冲器。

多段记录模式

不管标准模式还是FIFO模式都提供了三种多段记录方法，这些方法可以在低占空比的测量应用中更加高效地使用采集内存。低占空比应用包括了持续时间短的感兴趣事件跟上长时间静默间隔的那些应用。针对采集这类信号优化了的采集方法有多段记录模式、门控模式和ABA（双时基） 采集模式。所有这些模式都会将内存分段，然后在内存中进行多次采集。双时基ABA模式可以缩短两次触发之间的采样率，从而节省内存空间，同时仍能用于查看两次触发之间的死区时间内发生的事件。下面让我们看看这些采集模式是如何工作的。图1对数字转换器的工作原理做了一些总结。

图1：多段、门控和ABA采集模式和相关时间戳的概要视图。

多段记录（分段）模式（图1a）允许以特别短的重新加载时间记录多个触发事件。采集内存被分成尺寸相同的多个段。每个触发事件填装一段，采集过程在两段之间停止。用户可以编程段内的触发前和触发后间隔。采集段的数量仅限于所用的内存容量，当使用FIFO模式时是没有限制的。与多次触发相关的重要数据存储在采集内存的连续段内。与事件之间的死区时间相关的数据是不记录的。每个触发事件被打上时间戳，因此每次触发的精确位置是知道的。图1b以图形化的方式显示了多段记录模式下的时间戳工作过程。

门控采集（图1c）模式使用门控（使能）信号的状态（可以是另外一个通道或外部触发输入）启动或停止采样过程。只有当门处于激活状态时才将数据写入内存。就像在多段记录模式中一样，用户可以编程有关门的触发前后的时间间隔。在门控模式中，时间戳标志了不包含门控采集前后间隔的门的开闭。采集的门段数量受限于采集内存，并且在使用FIFO模式时仅受主机内存的限制。

图1d所示的ABA模式是一种双时基采集，结合了对触发事件的快速采集（B时基）和触发之间的缓慢采样速率（A时基）。ABA模式工作时就像整合了一个快速数字转换器的慢速数据记录器。触发事件的实际位置与多段记录模式中一样用时间戳进行标志。

多段记录和门控采集模式具有以下一些优点：

● 采集内存分段后，由于只在信号激活时以全速采样率记录数据，因此可以更高效地使用内存。

● 只存储重要的测量事件、并且不涉及‘死区’时间，因此需要传送的数据较少，可以实现对分段信号的连续数据采集和处理。

● 在多段和门控模式中重新加载或触发“死区时间”的次数减少了。在本例中使用的Spectrum M4i数字转换器的重新加载时间是40个样本（+编程的预触发）。在最高采样速率时的重新加载时间短至80ns.短的触发重新加载时间意味着即使在高事件速率的应用中也能减少事件遗漏的机会。

● 每个触发事件的时间戳允许你读取事件之间的时间差。当事件呈现信号中的异常时，

所有段可以同时查看，各个段可以分别缩放以显示每次采集中的详细内容。

ABA模式使用低采样率查看触发之间的信号，同时用较高的采样率显示触发端具有较高时间分辨率的信号分量。这种方法的内存使用效率没有多段记录或门控模式高，但可以用来连续地查看两次触发之间发生的事件。使用时间戳时，快慢数据与1个样本的分辨率是同步的。

应用例子

第一个例子（图2）显示了对超声波测距仪的声音输出进行的多段记录模式采集。这个设备输出40kHz脉冲信号，然后根据接收到回波所花的时间确定距离。这些脉冲以5个一组的方式产生，间隔为15μs，处理工作是在这些多个脉冲串之间的450ms“死区时间”内进行的的。声音信号采用带宽为100kHz的仪器级麦克风拾取。图2的左边显示了采集信号的一些参数设置。

图2：用多段模式采集超声波测距仪的40kHz声音输出。

每个段包含32k样本，其中1k是触发前样本，31k是触发后样本的记录。图中没有显示出来的采样率是7.8MS样本/秒。最上面的轨迹是对整个采集过程的预览，显示了多个脉冲串和处理间隔。中间的轨迹是对5个段的放大显示图。每个段的开始用时间戳进行了标记。最下面的轨迹是采集过程中第一个脉冲的放大显示图。

从这张图可以看到单个脉冲的细节。显示这些数据的软件可以表明段是连续的，因为它们确实存储在内存中，但整合了测量间距的视图通常更加有用。通过只存储与每次触发相关的段，数字转换器可以删除3.5M个以上的数据样本，而这些样本本来是要在记录死区时间的每个实例中消耗掉的。

如果两个采集段之间的数据比较重要，那就应该采用ABA模式，如图3所示。在这种模式下，数据使用两种不同的采样率进行记录。ABA模式从每个输入端产生两个数据通道。主数据通道被称为“B”通道，采用多段记录采集模式，针对检测到的每次触发记录一段数据。B通道数据采集采用选定的采样率。每二个数据通道被称为“A”数据通道，采用分频的采样时钟连续运行，用于采集较慢的连续信号。A、B数据间的时间同步是基于采集到的时间戳完成的。结果显示在整个运行时间内用较慢的A采样时钟实现了完整的信号采集，同时在每次触发事件点会产生以较高速率采样的B段数据，并且对感兴趣的区域提供了更多的信息。

图3：使用双时基ABA采集模式采集的同一超声波脉冲。注意，下方的“A”轨迹是以较低采样率采集的连续信号数据，上方的轨迹是以较高（B时基）采样率采集的单个段。

图3的最上方是整个采集的完整预览。中间是以选定的采样率（B采样时钟）记录的单个数据段。时间戳显示了触发时间。最下方的轨迹是以选定采样率的1/16采样的连续“A”数据。注意，连续记录显示了在使用多段记录模式的图2中不是很明显的脉冲间信息。

最后一个例子显示了门控采集模式。这种模式允许由外部门控信号代替传统触发信号来控制数据的记录。如果门控信号满足触发阈值设置，数据就被记录。因为门的宽度可能不完全匹配信号持续时间，用户设定的前后门控区域可以被增加和采集。门控段的数量仅限于可用的采集内存，当使用FIFO模式时是不受限制的。

图4提供了一个使用模拟激光信号完成的门控采集例子。门控信号标志待触发的激光。门控信号被施加于数字转换器的第二个通道，并且这个通道被设为触发源。触发阈值电平被设为150mV.最终采集到的是显示屏上的激光脉冲和门控信号。注意，128个样本的前后区域给门控区域增加了额外的样本。正如前面的例子一样，最上边的轨迹是预览模式，显示了速率为10Hz的多个激励。当使用门控采集模式时，时间戳与门的开始和停止边沿相关，这可以在段的缩放窗口看出来。段的持续时间等于门控时间加上前后门控区域的128个样本。

图4：门控模式采集模拟激光脉冲的例子，该例子表明在第二个数字转换通道上的门控信号触发了采集的启动和停止，它同样包含128个样本的前后门控区域。

使用门控采集模式后，只需8kS的采集内存就可以采集18个脉冲（总的持续时间等于1.8秒）。

本文小结

使用这些特殊的采集模式--多段记录、门控采集和ABA—可以减少采集和分析低占空比信号所需的内存。因为只是采集“显着的事件”，所以这种方法可以提高采集的效率。一般来说，数据传送和分析所需的时间也较短。智能采集模式有助于确保重要的事件不会被遗漏。快速触发重新加载时间和优化后的采集效率可以帮助你采集复杂的脉冲信号，即使它们以很高的事件速率产生。