基于通用数据采集系统的采集信号触发方式研究

【摘要】数据采集系统如果要获取有用的数据进行分析、处理和显示，那么就要靠系统中的触发来进行有用数据的截取。触发技术的研究是数据采集技术中重要的一环。通过实际工程应用，对于触发的概念、分类和实现方法都作了总结，并提出了一些新的看法，而且对触发技术的实现进行了较详细的探讨。

【关键词】数据采集系统;触发;模拟量;数字量

1.引言

一个典型的数据采集系统会通过各式各样的传感器搜集周围环境或是各种待测物产生的信号。一般而言，这些信号会随机地产生，所以数据采集系统必须不断地进行采样，才能确保不漏掉任何重要的信号。这就产生了一个问题，内存或是硬盘的容量是有限的，一个数据采集系统不可能无限制地采集并储存数据。如何从不断产生的信号中采集出真正有意义的部分，便成为数据采集卡设计时的一个重要考虑。而触发（trigger），便是达到这一目标的重要手段。

2.数据采集系统

数据采集是指将温度、压力、流量、位移、速度等测试现场的模拟物理量，进行采集、转换成数字量后，再对所读的数据进行存储、显示或打印的过程。在生产活动和科学研究中，数据采集具有重要的地位和作用。

随着微型计算机的迅速发展和性价比的提高，微型计算机在工业现场和科学实验的测量测试中的应用已非常普及。为了满足PC机用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的具有数据采集功能的板卡。这类板卡均参照总线技术标准设计和生产，且通常在一块印刷电路板上集成了模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D和D/A转换器等功能器件，称为多功能卡或ADC卡。在一般的工业现场和科研活动中，用户只要把这类板卡插入PC机主板上相应的I/O扩展槽中，就可以迅速、方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大地节省了硬件的研制时间和投资，又可充分利用PC机的软硬件资源。基于PC机和多功能ADC卡的数据采集系统在工业控制、科学实验等各类测控现场有着广泛的应用，故称为数据采集系统。图1所示为通用数据采集系统的组成及其信号传输过程的示意图。

图1 通用数据采集系统的组成和信号传输示意图

3.触发定义及重要意义

在进行数据采集时，用户可以设定某些信号的特定条件，例如一个数字信号的高电平（logic high）或低电平（logic low），或是一个电压信号的特定值，一旦满足这些特定条件，数据采集卡才真正开始采集并将其传送到系统中，这便是触发的基本原理。触发的功能可以用在许多种形式的应用中，像是电力传输系统的脉冲（pulse）检测（直接设定脉冲电压作为触发条件）、多张数据采集卡的同步操作（用一个共享的时钟源产生触发信号）、结合运动控制的动态系统的定点信号采样（机械结构到达定位后发出触发信号开始进行数据采集）等等。擅用各种触发功能可以让测试人员准确地采集有用的数据，大幅提升系统的性能以及测量的精度。

触发是它是保证有用数据能够正确存储，进而分析、显示的关键。触发有多种多样，在数据采集系统的设计当中，我们要根据实际需要来选择触发方式和触发的软硬件实现。

4.数据采集系统的触发方式

准确、快速的数据采集是人们获取信息、研究信息以及信号处理的前提和基础。而正确的触发方式是保证数据采集系统正常运行的关键技术之一。在实际中，我们所观察的对象是各种各样的，有时需要观察一个信号的全貌;有时需要观察一个信号的前沿部分，甚至于信号到来之前的状态;有时则需要观察信号的某一部分，如后沿部分。这些要求均可以通过控制不同触发方式来达到。归纳起来，触发方式大致可以分为三类：（1）根据触发信号的来源不同有“内触发”和“外触发”之分。（2）根据触发的边沿不同有“上升沿触发”和“下降沿触发”之分，而触发点可以通过改变某一比较器的比较电平来调节。（3）根据触发的时间不同有“同步触发”、“延迟触发”、“负延迟触发”之分。

综合考虑这三方而的触发要求，我们可以组合出十几种不同的触发控制方式。如：内同步上升沿触发，外延迟下降沿触发，内负延迟上升沿触发等等。

5.触发信号类型

如前所述，触发的基本原理是给出一个触发信号，用以“刺激”数据采集卡进行采样的动作。触发信号来源于信号本身（内触发）或来自于外触发输入端。由于这些信号不一定是规则的方波或脉冲，所以在数据采集系统中进行整形并形成上升沿触发或下降沿触发信号。触发信号的类型有很多种，在不同的测试环境要求下测试人员选择不同的测试触发信号。

5.1 数字量触发

通过一个外部输入的TTL信号触发数据采集卡。用户通常可以设定在TTL信号的上升沿（raising edge）或下降沿（falling edge）进行触发。数字触发的动作较为简单，通常通过CPLD中的逻辑门便可以实现，因此大部分的数据采集卡，都提供数字触发的功能。图2所示为数字触发示意图。

图2 数字触发示意图

5.2 模拟触发

另一种触发方式是给出一个电压信号并设定某个特定的电压值，当电压信号高于或是低于设定值时进行触发。模拟触发可以用来侦测连续电压信号中的瞬问变化，如在电力传输系统中，用户可以指定输入信号的触发电压值，一旦超过该电平便开始进行采样，借此可以侦测电力系统中的脉冲（pulse）。模拟触发需要较复杂的电路设计，通常包含额外的ADC与比较器电路。因此通常在高端的数据采集卡上才会加入模拟触发的功能。

图3 模拟触发示意图

除了上述以超过或低于电压值作为模拟触发条件以外，新一代的数据采集卡提供了更复杂的模拟触发条件。例如，可以让用户设定两组触发电平门限（High Threshold和Low Threshold）。依据触发信号跟触发电平值的关系，用户可设定多种的触发条件，包含Below-Low（触发信号低于低位准时触发）、Above-High（触发信号高于高位准时触发）、High-Hysteresis.Low-Hysteresis、Inside-Region等等。以High-Hysteresis触发方式来说明这些复杂触发条件的应用。

High-Hysteresis触发如图3所示，当触发信号超过Threshold时，触发条件被满足并开始进行采样的动作。但与传统电压位准触发不同的是，在触发信号低于Low-Threshold之前，不会发生其它触发的动作。这样的触发条件有什么作用呢？在现实世界中，触发信号本身可能也带有许多的噪声，而使触发信号不断地超过或低于触发电平，而造成许多非预期的触发行为。在High-Hysteresis触发条件中，直到触发信号低于Low Threshold时才会允许下次触发的发生，如此一来用户可以更加精确地控制想要的触发条件。

图4 High-Trigger触发

6.触发模式

当某一个满足触发条件的信号进入数据采集卡后，板上的逻辑电路（FPGA或PLD）便会驱动ADC开始进行采样的工作。最理想的情况是一旦有触发发生，立刻开始采样。但是由于FPGA与PLD的进步，我们可以在这些逻辑组件中规划更多种的触发模式。以下我们将介绍目前在中高端数据采集卡中常见的几种触发模式。

6.1 Post-Trigger

Post-Trigger是最简单的触发模式。当用户下达开始采集的命令后，FPGA或PLD会启动DMA并等待触发事件。当触发发生后立即开始采样，直到满足用户设定的采样点数或用户下达停止命令为止诸如突波检测、多张数据采集卡的同步都可以使用这种触发模式。

图5 Post-Trigger 触发模式

6.2 Delay-Trigger

有些时候，触发事件的发生与我们所要采集的数据之间会有若干时间上的延迟。例如，在802.11无线局域网络的通讯中，每一个传送的数据帧之问会有一段时间的guard period（你可以把它想成是信号电压为0的一段时问）。同时在每一个数据帧的最前端会有一段固定格式的preamble，然后伴随着调变过后有意义的数据。如果要采集这些有意义的数据，我们可以以preamble作为触发条件，并在触发发生之后延迟一段时问再进行采样。如此一来我们便可以略过guard period与preamble，取得真正有意义的数据，这种模式便是Delay-Trigger。如图5所示，使用Delay-Trigger时，当触发事件发生，FPGA/PLD会延迟一段时问后再驱动A/D电路进行采样。用户可以用程序设定延迟的时问值以便精确地取得想要的数据。

图6 Delay-Trigger触发模式

6.3 Pre-Trigger

某些应用中，用户想要的数据并且是在触发发生之后，而是在触发发生之前，此时便可以使用Pre-Trigger模式。在Pre-Trigger模式中，数据采集会在用户下达开始命令后立即启动，并持续将数据DMA至系统内的buffer，一旦触发事件发生，数据采集会停止，并将触发之前采样的数据传回给用户。如果采样的数据超过预先设定的个数N，则只保留最后N个采样点。在破坏性检测中，研究者通常关心结构体崩溃之前的变化，所以在这类应用中，我们可以以结构体崩溃作为触发条件（结构体崩溃通常会产生较大的震动/声音等信号）并搭配Pre-Trigger模式，如此可以在实验过程中顺利取得结构崩溃前发出的信号。

图7 Pre-Trigger触发模式

6.4 Middle-Trigger

Middle-Trigger是Pre-Trigger的延伸。在Middle-Trigger中，用户可以同时取得触发事件前后的数据。如图7所示，用户可以指定M（触发前）十N（触发后）笔数据，用以观察在触发前后信号变化的情形。

图8 Middle-Trigger触发模式

7.结论

每一种数据采集系统所采集的信号均有不同的特性，在设计系统时，选择适当的触发条件与触发模式可以让用户过滤无效的信号，采集到有意义的数据。此外，随着软硬件技术的进步，许多新设计的数据采集卡能够提供各式各样先进的触发功能，以满足不同信号的需求。对于每一个数据采集或测量系统的设计而言，完整地分析信号特性、找出正确的触发条件或者模式，并选择适当的数据采集卡，才能建构一个有效率的数据采集系统，收到事半功倍之效。

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