前言
一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會通過各式各樣的傳感器搜集周圍環(huán)境或是各種待測物產(chǎn)生的信號。一般而言，這些信號會隨機(jī)地產(chǎn)生，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須不斷地進(jìn)行采樣，才能確保不漏掉任何重要的信號。這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，內(nèi)存或是硬盤的容量是有限的，一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不可能無限制地采集并儲存數(shù)據(jù)。如何從不斷產(chǎn)生的信號中采集出真正有意義的部分，便成為數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要考慮。而觸發(fā) (trigger)，便是達(dá)到這一目標(biāo)的重要手段。
何謂“觸發(fā)”?
在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，用戶可以設(shè)定某些信號的特定條件，例如一個(gè)數(shù)字信號的高電平 (logic high) 或低電平 (logic low)，或是一個(gè)電壓信號的特定值，一旦滿足這些特定條件，數(shù)據(jù)采集卡才真正開始采集并將其傳送到系統(tǒng)中，這便是觸發(fā)的基本原理。觸發(fā)的功能可以用在許多種形式的應(yīng)用中，像是電力傳輸系統(tǒng)的突波 (pulse) 檢測 (直接設(shè)定突波電壓作為觸發(fā)條件)、多張數(shù)據(jù)采集卡的同步操作 (用一個(gè)共享的時(shí)鐘源產(chǎn)生觸發(fā)信號)、結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的定點(diǎn)信號采樣 (機(jī)械結(jié)構(gòu)到達(dá)定位后發(fā)出觸發(fā)信號開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集) 等等。擅用各種觸發(fā)功能可以讓用戶準(zhǔn)確地采集有用的數(shù)據(jù)，大幅提升系統(tǒng)的性能以及量測的精度。
圖 1 觸發(fā)基本示意圖
接下來我們要介紹當(dāng)今市場上應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集卡中的各種觸發(fā)技術(shù)，以及如何將這些觸發(fā)技術(shù)運(yùn)用在您的系統(tǒng)中。
觸發(fā)信號類型
如前所述，觸發(fā)的基本原理是給出一個(gè)觸發(fā)信號，用以“刺激”數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采樣的動(dòng)作。觸發(fā)信號的類型，大致上可以分為以下幾種：
1. 數(shù)字量觸發(fā)
通過一個(gè)外部輸入的 TTL 信號觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡。用戶通常可以設(shè)定在TTL信號的上升沿 (raising edge) 或下降沿 (falling edge) 進(jìn)行觸發(fā)。數(shù)字觸發(fā)的動(dòng)作較為簡單，通常通過 CPLD 中的邏輯門便可以實(shí)現(xiàn)，因此大部分的數(shù)據(jù)采集卡，像是凌華科技的 NuDAQ系列，都提供數(shù)字觸發(fā)的功能。
圖二 數(shù)位觸發(fā)示意圖
2. 模擬觸發(fā)
另一種觸發(fā)方式是給出一個(gè)電壓信號并設(shè)定某個(gè)特定的電壓值，當(dāng)電壓信號高于或是低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行觸發(fā)。模擬觸發(fā)可以用來偵測連續(xù)電壓信號中的瞬間變化，如在電力傳輸系統(tǒng)中，用戶可以指定輸入信號的觸發(fā)電壓值，一旦超過該電平便開始進(jìn)行采樣，藉此可以偵測電力系統(tǒng)中的突波 (pulse)。模擬觸發(fā)需要較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，通常包含額外的 ADC件與比較器電路。因此通常在高端的數(shù)據(jù)采集卡，像是凌華科技的 DAQ-2000 系列或是 NI 的 E 系列或 M 系列上才會加入模擬觸發(fā)的功能。
圖三 模擬觸發(fā)示意圖
除了上述以超過或低于電壓值作為模擬觸發(fā)條件以外，新一代的數(shù)據(jù)采集卡提供了更復(fù)雜的模擬觸發(fā)條件。舉例來說，凌華科技 DAQ-2000 系列數(shù)據(jù)采集卡可以讓用戶設(shè)定兩組觸發(fā)電平門限 (High Thresold和 Low Threshold)。依據(jù)觸發(fā)信號跟觸發(fā)電平值的關(guān)系，用戶可設(shè)定多種的觸發(fā)條件，包含 Below-Low (觸發(fā)信號低于低位準(zhǔn)時(shí)觸發(fā))、Above-High (觸發(fā)信號高于高位準(zhǔn)時(shí)觸發(fā))、High-Hysteresis、Low-Hysteresis、Inside-Region 等等。以下我們用 High-Hysteresis 來說明這些先進(jìn)觸發(fā)條件的妙用。
圖四 High-Hysteresis 觸發(fā)
High-Hysteresis 觸發(fā)。如圖四所示，當(dāng)觸發(fā)信號超過High_Thresold時(shí)，觸發(fā)條件被滿足并開始進(jìn)行采樣的動(dòng)作。但與傳統(tǒng)電壓位準(zhǔn)觸發(fā)不同的是，在觸發(fā)信號低于Low_Threshold 之前，不會發(fā)生其它觸發(fā)的動(dòng)作。這樣的觸發(fā)條件有什么作用呢？在現(xiàn)實(shí)世界中，觸發(fā)信號本身可能也帶有許多的噪聲，而使觸發(fā)信號不斷地超過或低于觸發(fā)電平，而造成許多非預(yù)期的觸發(fā)行為。在High-Hysteresis觸發(fā)條件中，直到觸發(fā)信號低于 Low_Threshold 時(shí)才會允許下次觸發(fā)的發(fā)生，如此一來用戶可以更加精確地控制想要的觸發(fā)條件。
觸發(fā)信號來源
不管是模擬或是數(shù)字觸發(fā)信號，都必須輸入數(shù)據(jù)采集卡所定義的觸發(fā)信號來源才能發(fā)揮效用。一般而言，觸發(fā)信號來源可以是：
1. 專用的模擬觸發(fā)輸入
2. 專用的模擬數(shù)字觸發(fā)輸入
3. 特定的模擬輸入通道
4. 特定的數(shù)字輸入信道
舉個(gè)例子來說明，下圖是凌華 DAQ-2010 的信號定義。腳位 5 為專用的 AI模擬觸發(fā)輸入，腳位 48 是專用的 AI 數(shù)字觸發(fā)輸入，腳位 47 是專用的 AO 數(shù)字觸發(fā)輸入。另外通道 1到通道 4 都可以作為模擬觸發(fā)的輸入。
