labview数据采集设备的定时与触发.docx
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labview数据采集设备的定时与触发
定时与触发
一、硬件定时和软件定时的比较
软件定时或硬件定时用于控制信号生成的时间。
硬件定时，例如，设备上的时钟（数字信号），控制信号生成的速率。
软件定时就是由操作系统和软件来控制采样生成，而不是由测量设备来控制。
硬件时钟运行远比软件快。
硬件时钟比软件更为精确。
在NI-DAQmx中，选择采样时钟定时函数/VI来确定硬件定时，或设置采样时钟的采样定时类型属性。
如不进行上述设置，将采样定时类型属性设置为按需采集，表示已选择软件定时。
注：
有些设备不支持硬件定时。
关于设备是否支持硬件定时，请查看设备的说明文档。
1.1时钟
周期性的数字边沿可当作时钟用来计时。
采样时基时钟和20MHz时基时钟表示消耗的时间，用于将信号按时间对齐。
时钟，顾名思义通常不像触发一样引起某个动作。
采样时钟例外。
下列是DAQ设备常用的时钟。
关于设备上时钟的详细信息，见设备的说明文档。
AI转换时钟—多路复用设备上直接引发ADC转换的时钟。
与设备最快的AI转换时钟速率相比，默认AI转换时钟另需要通道间10µs的稳定时间。
当采样时钟频率过高而导致无法使用10µs额外稳定时间时，默认AI转换时钟频率将使用采样时钟频率所允许的最高稳定时间。
如一个任务中有多台设备，即使这些设备最大允许的AI转换时钟速率可能不同，任务中的所有设备均使用相同的额外稳定时间。
AI转换时钟时基—被分成更精确的时间精度，用作AI转换时钟。
AI采样时钟—控制采样时间间隔的时钟。
采样时钟每滴答一次（生成一次脉冲），即在每条通道上采集一个样本。
AI采样时钟时基—作为AO采样时钟源的板载时钟。
AO采样时钟时基被划分为更细的精度，生成AO采样时钟。
计数器时基—连接至计数器源接线端的时钟（例如，Ctr0Source）。
DI采样时钟—控制采样时间间隔的时钟。
采样时钟每滴答一次（生成一次脉冲），即在每条通道上采集一个样本。
DO采样时钟—控制采样时间间隔的时钟。
采样时钟每滴答一次（生成一次脉冲），即在每条通道上采集一个样本。
DO采样时钟时基—作为DO采样时钟源的板载时钟。
DO采样时钟时基被划分为更细的精度，生成DO采样时钟。
主时基—设备上其他计数器时钟的板载时钟。
主时基被划分为更细的精度，用于生成更慢的时钟测量消耗的时间。
该时基是板载时钟作为AI采样时钟时基、AO采样时钟时基和计数器时基的源。
12.8MHz时基—主时基的板载时钟源，由此派生出其他时基。
该时基用于在机箱之间同步任务。
13.1072MHz时基—主时基的板载时钟源，由此派生出其他时基。
该时基用于在机箱之间同步任务。
20MHz时基—主时基的板载时钟源，由此派生出其他时基，如设备不支持
80MHz时基。
否则，通过将80MHz时基除以4，生成一个新的时钟。
80MHz时基—主时基的板载时钟源，由此派生出其他时基。
100MHz时基—主时基的板载时钟源，由此派生出其他时基。
100kHz时基—通过将20MHz除以200形成的时钟。
注：
M系列、C系列和X系列设备没有随机频率的主时基。
这些设备直接使用20MHz/80MHz/100kHz时基。
下图显示了使用模拟输入和模拟输出定时的M系列时钟。
框图中的黑色圆圈表示接线端。
下图显示了使用模拟输入和模拟输出定时的C系列时钟。
下图显示了使用模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出定时的X系列时钟。
框图中的黑色圆圈表示接线端。
下图显示了使用模拟输入和模拟输出定时的E系列时钟。
框图中的黑色圆圈表示接线端。
注意：
触发和时钟的区别
当作为触发使用的数字边沿具有周期性时，触发和时钟的区别不大。
在上述情况下，触发就是引起设备进行一个操作的时钟信号。
采样时钟就是一个很好的例子。
生成一个采样的激励通常为一个时钟信号，所以，NI-DAQmx配置采样时钟，而不是采样触发。
将采样时钟看作一种提供触发信号的方式，两者的区别就显而易见了。
1.2采样定时类型
NI-DAQmx引入了采样定时类型的概念。
每种定时类型都是激励信号生成的不同方式。
通过“定时”函数/VI选择采样定时类型。
也可通过属性设置下列采样定时类型：
采样时钟——产生各个采样的数字边沿。
几乎所有的设备都有一个专门的板载时钟用于周期性产生这些边沿。
当时钟源不是专用的板载时钟时，边沿可能是非周期性的。
即使边沿是非周期性的，仍需使用采样时钟定时。
采样时钟定时是硬件定时的一种。
按要求——每次读取或写入函数/VI执行时，设备尽快生成所需的采样。
在该模式下，采样质量属性被忽略。
按需采集是一种软件定时。
检测更改——当NI-DAQmx在数字线或数字端口检测到改动（上升沿、下降沿或两者兼而有之），改动检测定时从数字物理通道采集样本。
改动检测定时减少了应用程序需处理的数字数据。
在某些设备上需注意改动检测造成的过溢。
NI-DAQmx在下一次改动检测事件之前无法读取采样，即会发生过溢。
造成一个或多个采样丢失。
使用“改动检测定时”函数/VI，指定要检测改动的上升沿和下降沿。
任务开始后，可使用过溢属性查询是否有过溢发生。
握手——握手采样定时类型用于通过8255协议采集或生成数字数据。
许多设备具有8255芯片，部分仿8255协议的设备默认支持握手定时类型。
突发握手——突发握手定时在数据线上使用时钟协议采集或生成数字数据。
该定时类型有三种控制信号：
采样时钟、暂停触发和传输就绪事件。
如外围设备置暂停触发无效，DAQ设备置“传输就绪”事件有效，每个活动采样时钟边沿均会发生数据传输。
根据是否导入或导出采样时钟，可以有单独的突发握手事件函数/VI。
因为在两台设备之间共享时钟会有诸多限制（例如，设置和保持时间），所以选用合适的函数/VI较为重要。
隐式——隐式采样模式用于使用计数器采集周期或频率采样。
也用于生成脉冲。
定时类型被称为隐式，因为待测量的信号是定时信号本身，或定时在生成的脉冲序列中是隐式的。
1.2.1采样时钟
设备使用采样时钟控制采集样本和生成样本的速率。
采样时钟设置两个采样之间的时间间隔。
时钟的每次计时周期都在每个通道上开始一次采样或生成一个采样。
在传统NI-DAQ（Legacy）中，采样时钟被成为扫描时钟或扫描间隔计数器。
也可将外部时钟源作为采样时钟。
在软件中，通过指定采样率指定间隔（时钟采集或生成信号的速度），在传统NI-DAQmx中被称为扫描速率或更新速率。
可通过应用于信号的信号调理和应用程序中的通道数量限制采样率。
但是，只有当采样率接近设备的最大采样率时，通道数量才会影响到测量。
注：
不是所有设备都支持数字I/O的采样时钟定时。
1.2.2握手
如要通过交换信号实现与外部设备通信，请求和确认数据传输，可使用握手信号。
例如，需从扫描仪获取一个图像。
整个过程分为下列步骤：
1.扫描仪扫描图像并传输数据就绪后发送一个脉冲至测量设备。
2.测量设备读取8位、16位或32位数字采样。
3.测量设备发送一个脉冲至扫描仪，告知扫描仪数字采样读取完毕。
4.扫描仪准备发送另一个数字采样时再发送一个脉冲。
5.测量设备接收到该数字脉冲后，设备开始读取采样。
上述过程重复执行直到采样全部传输完毕。
注：
不是所有设备都支持握手通信。
关于设备是否支持握手，请查看设备的说明文档。
对于E系列设备，只有超过8条数字线的设备（有附加8255芯片）支持握手通信。
一、突发握手信号
支持突发握手定时的设备使用下列三个信号：
◆暂停触发（旧称：
REQ）
◆传输事件就绪（旧称：
ACK）
◆采样时钟
对于数字输入任务，暂停触发信号为逻辑低，传输就绪为逻辑高，采样被发送至测量设备。
对于数字输出任务，暂停触发信号为逻辑低，传输事件就绪为逻辑高，采样被发送至测量设备。
采样时钟，无论是板载的，还是外部的，都用于控制定时机制。
数据传输或采集载采样时钟的上升沿或下降沿发生。
突发握手信号的默认接线端因设备而异。
二、仿8255协议设备的握手信号
仿8255协议设备支持两种握手信号：
◆握手触发—也称为选通脉冲输入（STB）和确认输入（ACK）。
◆握手事件—也称为输入缓冲区满（IBF）和输出缓冲区满（OBF）。
对于输入任务，当握手触发信号为低，采样被发送至测量设备。
当发送采样后，握手触发为高，即告知周围设备数据已被读取。
对于数字输出，NI-DAQmx设备发送采样至外围设备时握手事件为低。
外围设备接收到采样后发送低脉冲至握手触发线。
关于数字端口的握手信号配置的详细信息，请参考设备的说明文档。
握手信号的默认接线端因设备而异。
三、8255设备的握手信号
握手通信的8255设备支持下列四种握手信号：
◆选通脉冲输入（STB）
◆输入缓冲区满（IBF）
◆输出缓冲区满（OBF）
◆确认输入（ACK）
STB和IBF信号用于数字输入操作，OBF和ACK信号用于数字输出操作。
当STB线为低时，采样被发送至测量设备。
当发送采样后，IBF为高，即告知周围设备数据已被读取。
对于数字输出，当软件发送采样至外围设备时，OBF为低。
外围设备接收到采样后发送低脉冲至ACK线。
关于数字端口的握手信号配置的详细信息，请参考设备的说明文档。
多个端口上的数字数据
对于8255设备，任务中的端口决定使用哪条握手线。
始终使用任务中高阶端口相关的握手线。
例如，如将端口1和端口2组合至一个任务，使用与端口2相关的握手线。
如端口用于数字输入，则将所有STB线连接起来，如下图所示。
将任务中最高阶端口的IBF线连接至其他设备。
其他端口的IBF信号无需连接。
如在8255设备上组合数字输出的端口，仅连接端口列表中最后一个端口的握手信号，如下图所示。
进行握手通信时，一些数字线自动被预留为用于控制，无法使用。
使用哪条控制线取决于当前使用的端口和握手通信的通道（输入或输出）。
端口中未用于控制的其他数字线仍可使用。
如在握手任务中通过任意线传输数据，整个端口都被预留为握手数据，端口中的其他线无法使用。
1.3硬件定时单点采样模式
在硬件定时单点采样模式下，采样通过硬件定时方式连续生成和采集，不带缓冲机制。
必须使用采样时钟或改动检测定时类型。
其他定时类型不支持。
如要获知循环是否在规定时间内（例如，控制应用）完成，请使用硬件定时单点采样模式。
因为使用硬件定时单点采样模式时没有缓冲区，所以要确保读取和写入的速度能满足硬件定时的速度。
如读取或写入操作延迟，将会返回错误。
连续脉冲（硬件定时更新）是硬件定时单点的计数器输出。
1.4多路复用采样和同步采样
设备的采样方式有多路复用采样和同步采样两种。
同步采样设备的每条模拟通道上都有一个模数转换器，可同时从所有通道上采样，如下图所示。
多路复用采样设备的所有模拟输入通道共享一个模数转换器。
这些设备使用采样时钟和转换时钟。
采样时钟在扫描列表中列出的所有通道上开始样本采集。
转换时钟使每条独立的通道开始模数转换。
下图显示了使用多路复用采样的设备的三通道模拟输入任务。
与S系列不同，样本的数字化不是同时发生的。
为了达到指定的采样速率，转换时钟运行速度远快于采样时钟。
例如，如指定8条模拟输入通道上的采样速率为10S/s，转换时钟必须至少是采样率的8倍（80Hz），以保证每条通道均以每秒10个采样的速度进行采样。
在较快的采样速率下，还必须考虑通道间采样的稳定时间。
1.5设置和保持时间
当DAQ设备采集数字信号时，信号必须经过一段稳定时间才能用于定时的时钟边沿。
开始用作时钟前的稳定时间被成为设置时间。
开始用作时钟后的时间被成为保持时间。
关于最小稳定设置时间和保持时间的信息，见设备的说明文档。
1.6同步模拟输出按需定时
一般情况下，如在多条模拟输出通道上使用软件定时，NI-DAQmx将写入第一个采样至第一个数模转换器，采样生成。
然后，NI-DAQmx将采样写入第二个数模转换器，采样又生成，依此类推。
但是，在同步单点按需定时下，NI-DAQmx将数据写入数模转换器后，所有数据一次生成。
通过启用同步模拟输出属性设置该定时方法。
1.7定时响应模式
数字I/O和DAQ设备通常使用单循环定时响应模式，即在下一个有效采样时钟边沿上响应外部信号。
支持流水线响应模式的设备（例如，NIPCIe-6536、NIPCIe-6537）可在若干个采样时钟周期之后的边沿上响应外部信号。
该模式使用源同步时钟，同步返回时钟和数据至采集设备。
在源同步数据传输下，采集和生成数据的速度远快于单循环定时源模式。
在流水线定时响应模式下，可配置外部采样时钟。
但是采样时钟必须在任务转换为“就绪”状态之前运行和开始。
如导出采样时钟，任务转换为“就绪”状态时发生导出事件。
对于其他事件，任务从不处于“就绪”状态时，信号保持导出状态。
二、触发
NI-DAQmx控制的设备进行的动作，称为操作。
常见的操作包括生成一个采样、开始一个波形采集。
每个NI-DAQmx操作都需要一个激励或原因。
操作在激励发生时进行。
这个激励就是触发。
触发根据其引发的操作命名：
●前移触发
●到期触发
●握手触发
●暂停触发
●参考触发
●开始触发
●准备开始触发
除了要指定触发引起的操作之外，还必须选择触发的类型，即如何产生这个触发。
2.1前移触发
前移触发是使开关设备执行扫描列表中下一个操作的触发。
可将前移触发配置为在数字信号的边沿或“发送软件触发”函数/VI运行时发生。
2.2准备开始触发
配置一个准备开始触发时，准备开始触发发生后，计数器任务才会响应开始触发。
可将该触发配置为在数字信号边沿发生。
准备开始触发与开始触发不同，通常用于前置计数器/计时器的应用。
可使用准备开始触发同步多个任务，例如，计算边沿和脉冲生成。
开始触发用于开始信号采集或生成。
2.3到期触发
到期触发将使看门狗任务到期。
可使用该触发代替看门狗定时器来表示时间到期。
可将该触发配置为在数字信号边沿发生。
2.4握手触发
握手触发是来自外围设备的控制信号。
外围设备发送握手信号告知DAQ设备已采集到一个采样（输入任务）或已生成一个采样（输入任务）。
对于输入任务，默认在采样输入数据条件属性指定的触发位置，或周围设备置握手触发有效时DAQ设备锁住数据。
2.5暂停触发
在采样时钟定时或突发握手定时下，暂停触发用于暂停一个正在进行的采集或生成。
置该触发无效即重新开始采集或生成。
使用暂停触发的注意事项因设备而异。
2.6参考触发
参考触发在一组输入采样中创建参考点。
可将该触发配置为在一个数字边沿、数字信号、模拟边沿或模拟信号进入或离开窗体区域时发生。
在参考点前采集的数据为预触发数据。
在参考点前采集的数据为预触后数据。
2.7开始触发
开始触发令采集或生成开始。
可将该触发配置为在一个数字边沿、数字信号、模拟边沿或模拟信号进入或离开窗体区域时发生。
2.8触发类型
除了要指定触发引起的操作之外，还必须选择触发的类型，即如何产生这个触发。
如要触发一个模拟信号，使用模拟边沿触发或模拟窗触发。
如要触发一个数字信号，请选择数字边沿触发，源通常为PFI管脚。
2.8.1模拟边沿触发
模拟边沿触发的设备在信号的电平和斜率（上升或下降）都满足某一条件时被触发。
设备确认某一个触发条件后，设备将进行触发指定的操作，例如，开始测量或者标记触发发生时采集到的信号。
模拟触发信号可连接至任何接收模拟信号的输入通道或接线端。
详细信息见特定设备模拟信号触发注意事项。
下图显示的触发在信号到达3.2时采集上升沿信号。
滞后就是在触发电平之上或之下加窗，通常用于减少信号中噪声或毛刺造成的伪触发。
如在上升沿使用滞后窗，信号电平在电平（或阈值电平）减去滞后值时，触发开始生效，直到信号穿过电平。
信号低于电平减去滞后值时，触发失效。
例如，如在上例中加入滞后为1，信号电平为3.2，信号超过2.2或低于2.2时，触发开始。
触发在信号超过3.2时置操作有效，信号低于2.2时置操作无效。
如在下降沿使用滞后窗，信号电平在电平（或阈值电平）加上滞后值时，触发开始生效，直到信号穿过并低于电平。
信号高于电平加上滞后值时，触发失效。
如果在下降沿上使用触发，滞后为1，电平为3.2，信号必须上升到达4.2或下降到3.2以下，触发才有效。
触发在信号落至3.2以下时置有效，在信号升上4.2以上时置无效。
2.8.2模拟电平触发
模拟电平触发类似于模拟边沿触发。
无论是哪种触发，都需指定边沿（上升沿或下降沿）和触发电平。
模拟边沿触发关注触发条件满足时的点。
模拟电平触发关注信号位于触发电平之上或之下的持续时间。
模拟电平触发通常用作暂停触发。
暂停触发在触发条件满足时置动作有效或无效。
下图显示了当信号超过触发电平时触发生效和信号低于触发电平时触发失效的两个过程。
触发失效类似于暂停触发。
2.8.3模拟窗触发
窗触发在模拟信号进入或离开两个电压值定义的窗时发生。
设置窗的上限值和下限值指定窗的上下沿。
下图显示了信号进窗后开始采集数据的触发。
下图显示了信号离开窗后开始采集数据的触发。
2.8.4数字边沿触发
数字边沿触发通常是一个有两个离散电平的TTL信号：
高电平和低电平。
当信号从高到低，或从低到高时，即产生了一个数字边沿。
数字边沿有两种，上升沿和下降沿。
可在数字信号的上升沿或下降沿产生开始或参考触发。
下图显示了数字触发信号下降沿后开始的采集。
一般情况下，数字触发信号连接至测量设备的PFI管脚。
2.8.5数字电平触发
数字电平触发根据数据线上读取的值来开始、停止或暂停采集或生成。
2.8.6数字模式触发
数字模式触发就是将设备配置为在特定物理通道上检测一个特定形状的数字信号。
检测到条件后，设备将执行触发相关的动作，例如，开始一个任务或标记触发发生时采集到的信号。
数字信号通过下列字符定义：
X：
忽略物理通道
0：
匹配物理通道上的逻辑低值
1：
匹配物理通道上的逻辑高值
R：
匹配物理通道上的上升沿
E：
匹配物理通道上的上升沿或下降沿
F：
匹配物理通道上的下降沿
例如，如指定数字信号模式为"X11100"，源为"dev1/line0:
4,dev1/line6,"，当物理通道"dev1/line1"、"dev1/line2"和"dev1/line3"为逻辑高，"dev1/line4"和"dev1/line6"是逻辑低时，发生模式匹配。
"dev1/line0"被忽略。
对于端口上的模式触发，模式匹配按相反的顺序发生。
例如，如指定数字信号模式为"11000000"，源为"dev1/port0"，当物理通道"dev1/line0"和"dev1/line1"为逻辑高，其他6条线为逻辑低时，发生模式匹配。
2.8.7软件触发
软件触发根据发送的软件触发命令，开始、停止或暂停一个采集或生成，或前移一个扫描列表项。
使用“DAQmx发送软件触发”函数/VI生成一个软件触发命令。
三、同步
同步操作通过连接定时信号和控制信号实现。
同步操作可以是在一台设备上或多台设备上。
例如，在同一台M系列设备上同步模拟输入和模拟输出。
同步操作的定时和控制信号分为三类：
时钟、触发和事件。
通过连接两个接线端形成时间和控制信号的回路。
选择接线端作为时钟或触发的源。
在PCI设备上，RTSI总线可用于信号连线。
在PXI设备上，PXI触发总线提供连线。
要使NI-DAQmx查找到一条闲置的PXI触发线，必须在MAX中进行PXI机箱识别。
要使NI-DAQmx查找到一条闲置的RTSI线，必须在MAX中创建一条RTSI线缆，然后将其应用于线缆连接的设备。
MAX中的连线图给出了设备上可能的连线方案。
在一些设备上，将多个模块上的模拟输入、模拟输出和数字输入/输出通道加入同一个任务中，可同步多个通道。
任务中的所有通道的类型必须相同，例如，模拟输入、计数器输出，等等。
3.1同步的类型,锁步和握手
锁步是指两个或两个以上相似的设备共享定时和触发，并作为一个设备使用。
在同一台设备的模拟输入和模拟输出上使用相同的采样时钟也是锁步。
锁步是为了尽量减少偏度。
在锁步中，时钟和触发通常是共享的。
握手同步（激励/响应）用在多台设备按顺序执行的情况。
在握手同步中，触发和事件通常是共享的。
例如，简化的DAC测试。
数字设备发送一个数字信号到数模转换器，然后一个信号使数模转换器产生一个响应电压。
几乎在同时，数字设备发送信号至DMM，DMM测量数模转换器输出的电压。
DMM完成测量后发送信号至数字设备，使数字设备发送下一个信号至数模转换器。
在锁步同步中，所有操作均使用一个时钟或触发。
在握手同步中，触发或事件在两个操作之间被保留（例如，DMM的采样完成事件被接收该事件的数字设备作为采样时钟）。
3.2主设备和伺服设备
大多数同步应用会使用其他设备的信号。
例如，采样时钟同步的设备会使用来自其他设备的采样时钟。
参考时钟同步不是直接使用设备的板载时钟，而是将板载时钟锁入共享时钟，所有设备将使用某台设备上的开始触发。
提供信号的设备叫做主设备，应用程序中其他使用该信号的设备叫做伺服设备。
主设备提供所有信号，任务一开始主设备就开始采集生成样本。
伺服设备直到接收到主设备的信号后才开始采集或生成数据。
因此，开始主设备上的任务之前必须先开始伺服设备上的任务。
任务在伺服设备上开始后，即开始等待主设备发出的信号。
然后，任务在主设备上开始，主设备发送同步信号，保证所有设备同时采集或生成样本。
如在开始伺服设备任务之前开始主设备上的任务，伺服设备上任务开始之前主设备采集或生成的数据的时间具有不确定性。
在上述情况下应用程序没有实现同步，会产生错误。
3.3错误源
同步测量时，有下列错误源：
3.3.1抖动
抖动是时钟周期之间（两次采样之间）的微小差别。
抖动反映为数字化信号中的噪声，对高频信号影响更大。
在时钟路径上添加各种元器件均会导致抖动。
使用精确的时钟源可以减少抖动，但是不能彻底消除抖动。
3.3.2稳定性
稳定性指的是时钟抵抗频率波动的程度。
可产生频率波动的因素包括温度、时间、电压、扰动、震动、电容负载，等等。
温度是影响晶振稳定性的最主要因素。
有些晶振被置于恒温外壳内，以确保稳定性处于一个合理的范围。
这些晶振也称为恒温控制晶体振荡器（OCXO）。
例如，NI6608中包括一个OCXO。
3.3.3精度
时钟精度指时钟的实际频率与指定频率的匹配度。
时钟频率由振荡器产生。
但是，振荡器产生的频率不是绝对精确的频率。
振荡器时钟的精度受晶振和振荡器组装方式的影响。
描述计时错误有各种不同的方式。
常见的计时错误有ppm（百万分之一）和ppb（十亿分之一）。
百万分之一描述错误的概率。
例如，如要找出错误为5ppm的80MHz振荡器出错概率，必须将振荡器频率（80,000,000）乘以5，然后除以1,000,000。
如下列等式所示：
80,000,000Hz（5Hz/1,000,000Hz）=400Hz。
从上述等式中可知，振荡器错误的频率是400Hz。
时钟的实际频率为79,999,600Hz-80,000,400Hz之间。
ppb与ppm类似，用于描述更高精度的时钟频率。
3.3.4偏度
偏度是信号在不同时刻到达两个不同位置时产生的传输延迟。
例如，控制设备在T0时刻发
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