基于定時(shí)和同步時(shí)鐘卡的多機(jī)箱同步采集系統(tǒng)

在汽車電子、航空、航天以及工業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中，整體測(cè)試系統(tǒng)通常所需要同時(shí)監(jiān)控的I/O非常龐大，如此龐大的測(cè)試點(diǎn)需要大量的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行同步。由于工業(yè)計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量有限以及CompactPCI無(wú)法同步各個(gè)測(cè)試模塊，所以本系統(tǒng)選用 PXI Express平臺(tái)通過(guò)定時(shí)和同步時(shí)鐘卡利用觸發(fā)總線、星形觸發(fā)以及系統(tǒng)參考時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)的多設(shè)備同步。本文以帶有高精準(zhǔn)度恒溫晶振的PS PXIe-3102定時(shí)和同步模塊為例，詳細(xì)講述如何進(jìn)行路由關(guān)系配置完成兩個(gè)PXIe-9108機(jī)箱的同步。

1 多機(jī)箱原理

多機(jī)箱同步與多板卡同步類似，同樣需要保證各個(gè)機(jī)箱間的板卡都在同一個(gè)時(shí)鐘沿開(kāi)始啟動(dòng)采集，即共享同一個(gè)時(shí)鐘源和同步觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)為了消除對(duì)時(shí)鐘源分頻后的相位差，也要共享同步脈沖信號(hào)。因此，在實(shí)現(xiàn)多機(jī)箱同步時(shí)，需要考慮的主要問(wèn)題就是如何在多機(jī)箱間共享這三個(gè)信號(hào)：時(shí)鐘源、同步觸發(fā)、同步脈沖。

對(duì)于兩機(jī)箱同步，選擇其中一個(gè)機(jī)箱作為主機(jī)箱，同時(shí)分別在主從機(jī)箱的星型觸發(fā)槽中插入一塊時(shí)鐘卡，該時(shí)鐘卡可以路由時(shí)鐘信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)。在此以泛華PS PXIe-3102定時(shí)和同步模塊舉例說(shuō)明。

1.1 機(jī)箱間共享時(shí)鐘源

PS PXIe-3102本身自帶一個(gè)溫度補(bǔ)償晶振，相比背板參考時(shí)鐘可以提供更高精度的時(shí)鐘卡(PS PXIe-3102時(shí)鐘卡引腳圖如圖2所示)。因此可以將PS PXIe-3102的10MHz時(shí)鐘路由到兩個(gè)機(jī)箱中，替代機(jī)箱背板的參考時(shí)鐘，然后各個(gè)槽位的板卡都選用背板參考時(shí)鐘作為采樣時(shí)基。具體配置過(guò)程如下：

圖1 PS PXIe-9108兩機(jī)箱插卡示意圖

圖2 PS PXIe-9108引腳圖

圖3 PS PXIe-9108主機(jī)箱與從機(jī)箱中時(shí)鐘卡鏈接示意圖

(1)在主從機(jī)箱的星型觸發(fā)槽中各插入一塊PS PXIe-3102;

(2)將主機(jī)箱PS PXIe-3102的本地晶振(Oscillator)路由到背板10MHz輸入端(PXI_CLK10_In)上代替主機(jī)箱背板的10MHz參考時(shí)鐘源，軟件配置如圖4所示;

圖4 替換主機(jī)背板參考時(shí)鐘

(3)將主機(jī)箱中的背板參考時(shí)鐘源(PXI_CLK10)路由到3102的輸出端(CLKOut)。背板參考時(shí)鐘源的路由軟件配置如圖5所示;

圖5 路由背板參考時(shí)鐘

(4)如圖3所示，通過(guò)同軸線纜[1]連接主機(jī)箱中時(shí)鐘卡3102的時(shí)鐘輸出端CLKOut和從機(jī)箱中時(shí)鐘卡3102的時(shí)鐘輸入端;

(5)將從機(jī)箱中時(shí)鐘卡3102的時(shí)鐘輸入端(CLKIn)的信號(hào)路由至背板參考時(shí)鐘輸入(PXI_CLK10_In)來(lái)代替背板參考時(shí)鐘源。軟件配置如圖6所示。

圖6 替換從機(jī)箱背板參考時(shí)鐘

1.2 機(jī)箱間共享同步脈沖

共享同步脈沖的目的是為了消除板卡采樣時(shí)鐘之間的相位差。同步脈沖在每張板卡啟動(dòng)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生，為保證產(chǎn)生的同步脈沖有效，在多機(jī)箱同步中也需要考慮同步脈沖在機(jī)箱間的路由關(guān)系。

將主機(jī)箱中的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡作為主卡，將其產(chǎn)生的同步脈沖信號(hào)路由到背板的PXITrig線上，實(shí)現(xiàn)同機(jī)箱中同步脈沖信號(hào)的共享。同時(shí)，需要將此脈沖信號(hào)通過(guò)本機(jī)箱星型觸發(fā)槽中PS PXIe-3102的MFIO端口輸出路由到從機(jī)箱中(MFIO是用于靜態(tài)數(shù)字輸入、靜態(tài)數(shù)字輸出、AI/AO/DI/DO 或計(jì)數(shù)器/定時(shí)器所需的時(shí)鐘輸入及時(shí)鐘輸出的多功能數(shù)字I/O)，具體配置過(guò)程如下：

(1)選擇主機(jī)箱中的任意一塊卡作為主卡，將其產(chǎn)生的同步脈沖信號(hào)路由到背板PXITrig0上(也可選擇PXITrig<0..7>中的其它觸發(fā)線)，軟件配置如圖7所示;

圖7 路由同步脈沖信號(hào)至主機(jī)箱背板觸發(fā)總線

(2) 將此同步脈沖從PXITrig0上路由至主機(jī)箱3102的任一個(gè)MFIO端口上，此處以MFIO0為例，軟件配置過(guò)程如圖8所示;

圖8 路由同步脈沖信號(hào)至主機(jī)箱3102MFIO[!--empirenews.page--]

3)如圖3所示，通過(guò)同軸線纜[2]，連接主機(jī)箱3102的MFIO0端和從機(jī)箱的MFIO0端;

(4)將同步脈沖由主機(jī)箱3102的MFIO0路由至從機(jī)箱背板的PXITrig0上(也可選擇PXITrig<0..7>中的其它觸發(fā)線)，軟件配置過(guò)程如圖9所示;

圖9 路由同步脈沖信號(hào)至從機(jī)箱背板觸發(fā)總線

(5)為保證兩個(gè)機(jī)箱間同步脈沖的延遲最小化，需將主機(jī)箱路由出去的同步脈沖再路由回主機(jī)箱。首先，將同步脈沖通過(guò)主機(jī)箱3102的MFIO2路由出來(lái);然后，通過(guò)同軸線纜連接MFIO2和MFIO3端口，如圖3所示，再將同步脈沖由MFIO3路由至主機(jī)箱的背板PXITrig<1..7>的一個(gè)觸發(fā)線上，供主機(jī)箱的板卡使用;

(6)根據(jù)實(shí)際的信號(hào)路由路徑，配置主機(jī)箱和從機(jī)箱中每個(gè)板卡的同步脈沖源輸入，軟件配置過(guò)程如圖10所示。

圖10 配置同步脈沖源

1.3 機(jī)箱間共享同步觸發(fā)

完成了采樣時(shí)鐘的同步，最后就需要機(jī)箱間的所有板卡共享同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來(lái)保證板卡間同步的開(kāi)始采集。對(duì)于同步觸發(fā)信號(hào)，可以有兩種來(lái)源：外部接入的觸發(fā)信號(hào)以及主卡內(nèi)部產(chǎn)生的軟件觸發(fā)信號(hào)。

外部接入的觸發(fā)信號(hào)只能接到主卡上，由主卡來(lái)確認(rèn)有效的觸發(fā)，然后路由給其它板卡作同步觸發(fā)。主卡內(nèi)部產(chǎn)生的軟件觸發(fā)，主卡不需要顯式的配置外部觸發(fā)信號(hào)，而是在開(kāi)始后由主卡軟件自動(dòng)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，然后將此信號(hào)路由至其它板卡實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。共享同步觸發(fā)信號(hào)的具體配置過(guò)程如下：

(1)選擇一塊卡作為主卡，為了統(tǒng)一起見(jiàn)，選擇發(fā)出同步脈沖的主卡同時(shí)作為觸發(fā)的主卡，配置主卡的觸發(fā)源，如果沒(méi)有配置，則默認(rèn)為主卡軟件觸發(fā);

(2)將主卡的開(kāi)始觸發(fā)信號(hào)或者參考觸發(fā)信號(hào)(取決于實(shí)際的觸發(fā)模式，開(kāi)始觸發(fā)或參考觸發(fā))路由至背板PXITrig1上(PXITrig觸發(fā)線)，軟件配置如圖11所示：

圖11 主卡路由觸發(fā)信號(hào)至主機(jī)箱背板

(3)通過(guò)PS PXIe-3102將主卡的觸發(fā)信號(hào)由機(jī)箱背板的PXITrig1上路由至MFIO1上，軟件配置如圖12所示：

圖12 路由觸發(fā)信號(hào)至主機(jī)箱3102MFIO1

(4)如圖3所示，通過(guò)同軸線纜[3]，連接主機(jī)箱3102的MFIO1端和從機(jī)箱3102的MFIO1端;

(5)在從機(jī)箱中通過(guò)3102將MFIO1端口的觸發(fā)信號(hào)路由至背板的PXITrig1上，以供機(jī)箱板卡作為觸發(fā)使用，軟件配置如圖13所示;

圖13 路由觸發(fā)信號(hào)至從機(jī)箱背板觸發(fā)總線

(6)除主卡以外，所有的板卡都選擇背板PXITrig1作為本卡的觸發(fā)源，軟件配置如圖14所示。

完成上述路由關(guān)系軟件配置以及硬件連接后，就可以進(jìn)行兩機(jī)箱同步實(shí)驗(yàn)了，圖15為兩機(jī)箱同步現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)圖片。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由兩個(gè)高性能的3U 8槽PS PXIe-9108機(jī)箱作為測(cè)試平臺(tái)，由高性能2.1GHz四核零槽控制器PS PXIe-3070作為控制器，定時(shí)及同步模塊選用帶有高精準(zhǔn)度恒溫晶振的PS PXIe-3102，選用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡PS PXIe-3342作為信號(hào)采集卡，選用Agilent33522A信號(hào)源為采集卡提供同一信號(hào)。最后，為了實(shí)時(shí)計(jì)算兩機(jī)箱信號(hào)的同步精度選用了兩張PS PXI-3550反射內(nèi)存卡，將其中一個(gè)機(jī)箱上的采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)映射到另一機(jī)箱上進(jìn)行同步運(yùn)算。在同步采集過(guò)程中，應(yīng)特別注意先運(yùn)行從卡的采集程序，等待主卡發(fā)送開(kāi)始觸發(fā)信號(hào)，然后運(yùn)行主卡采集程序。

3 數(shù)據(jù)分析

如圖16所示，主機(jī)箱以及從機(jī)箱的采集波形基本重合，計(jì)算兩張PS PXIe-3342動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡的同步精度為86.0459ns。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了兩機(jī)箱之間同步的方法后，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹多機(jī)箱同步的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)于多機(jī)箱同步，方法和兩機(jī)箱同步相同，如果機(jī)箱比較多，可以選擇一個(gè)機(jī)箱專門用來(lái)放置路由時(shí)鐘和信號(hào)的時(shí)鐘卡(eg:PS PXIe-3102)，同時(shí)，其它機(jī)箱的星型觸發(fā)槽中也需要分別插入一塊PS PXIe-3102，以完成多機(jī)箱間的同步。信號(hào)路由的過(guò)程和方法如下：

(1)在專門放置時(shí)鐘卡PS PXIe-3102的機(jī)箱中，將星型觸發(fā)槽中3102的高精度晶振路由至機(jī)箱背板代替機(jī)箱的背板參考時(shí)鐘，然后機(jī)箱中的所有3102都可以將背板的參考時(shí)鐘通過(guò)CLKOut端口路由出來(lái)給其它機(jī)箱使用;

(2)其它機(jī)箱中3102通過(guò)CLKIn端口將步驟(1)中路由出來(lái)的參考時(shí)鐘與本機(jī)箱的背板進(jìn)行鎖相，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)箱之間共用了同一個(gè)參考時(shí)鐘源;

(3)選擇一個(gè)機(jī)箱中的采集卡作為主卡，將主卡產(chǎn)生的同步脈沖信號(hào)路由至本機(jī)箱背板的PXITrig的任一未被占用的觸發(fā)線，然后通過(guò)本機(jī)箱星型觸發(fā)槽中的3102將此同步脈沖信號(hào)通過(guò)MFIO的端口路由至專門放置時(shí)鐘卡的機(jī)箱中;

(4)通過(guò)專門放置時(shí)鐘卡機(jī)箱星型觸發(fā)槽中的3102將主卡發(fā)出的同步脈沖信號(hào)路由至本機(jī)箱背板的PXITrig的任一觸發(fā)線，然后所有的3102都可以通過(guò)此觸發(fā)線將此同步脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)3102的MFIO端口路由至其他所有的機(jī)箱中;

(5)為了保證主卡機(jī)箱中的同步脈沖與其它多個(gè)機(jī)箱間將同步脈沖信號(hào)的延遲最小化，可以通過(guò)專門放置時(shí)鐘卡機(jī)箱中的任一3102將此同步脈沖再路由回來(lái)至主卡機(jī)箱，此時(shí)保證此同步脈沖到達(dá)各個(gè)機(jī)箱間的導(dǎo)線長(zhǎng)度相等就可以保證機(jī)箱收到的同步脈沖間延遲最小化;

(6)將主卡判斷出的有效觸發(fā)脈沖信號(hào)通過(guò)本機(jī)箱的3102路由至專門放置時(shí)鐘卡的機(jī)箱中，方法同路由同步脈沖方法相同。