NI_PXI定时与同步技术详解

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1、PXI定时与同步技术详解刘力帆NI应用工程师提纲•什么是同步?为什么需要同步?•PXI/PXIExpress的定时与同步总线•PXI/PXIExpress多系统同步为什么需要同步？•保证测量的精度–多通道间的相位误差要求–高速的激励-相应测试–后续处理中需要进行数据关联性分析•实现复杂的分布式测量和控制应用–分布式的I/O–分布式的控制需要同步的典型应用•结构健康监测(SHM)–在大型结构/建筑的多个区域测量和记录振动(应变)等信号–在后续的处理需要分析数据的关联性–10Hz带宽的振动信号要求大约毫秒级的同步•噪声源定位–麦克风阵列–多通道、

2、分布式的同步采集–纳秒级的同步需求和专用的定时硬件需要同步的典型应用•大型物理实验系统–同步信号采集与控制–同步精度需求可达纳秒级•电力网监测–跨区域监控电力质量–在众多分布的区域中进行采集和本地分析–数据同步精度达1-10毫秒什么是同步?•同时测量−操作同时发生，但无须严格同步•同步测量−测量是相关的同步原理1.共享一个主时基和开始触发−共享一个主时基•消除相差•允许一个主时基下的不同采样率−共享开始触发•确保任务同步开始2.共享采样时钟−定时的模拟和数字测量仅在采样时钟的新上升沿更新−源自主时基的采样时钟或源自外部也称为参考时钟多设备同步

3、同步总线•数据传输总线不能传输定时和同步信号•如果在设备间共享内部信号，必须建立同步总线−必须连接所有板卡，使其通过同步总线线缆同步板卡1外部源板卡2板卡3时间定时误差来源•抖动(Jitter)•精度−抖动是时钟周期之间（两次采−振荡器产生的频率不是绝对精样之间）的微小差别确的频率−在时钟路径上添加各种元器件−评价单位有ppm（百万分之一）均会导致抖动和ppb（十亿分之一）•稳定性•偏差(Skew)−易受温度、老化等变化因素影−偏差是信号在不同时刻到达两响个不同位置时产生的传输延迟−受信号路径的距离和阻抗影响PXI提供的定时和同步特性•PXI

4、触发总线–8TTL–触发，时钟以及握手信号•系统参考时钟–10MHzTTL–锁相环–偏差<1ns•星型触发总线–每槽1条–星型结构–等长，无传播延迟–偏差<1nsPXI定时与同步特性的益处•实现同步的测量应用–举例:针对机器自动化应用，同步地实现数据采集、运动控制以及图像采集•提高测量精度–举例:在激励-响应测试中，通过锁相环将数字化仪的采样时钟锁相至一个稳定的参考时钟•减少测试时间–举例:通过DMM与矩阵开关的握手实现多个测试点的快速切换和测试软件支持•借助于良好的驱动设计,用户不必关心底层信号路由单通道数据采集多设备多通道数据采集软件支持

5、•也可通过高级编程方式指定定时信号源及路由PXIExpress进一步增强了定时与同步功能PXI100MHz差分时钟PXIExpress星型SYNC100触发10MHzCLKSYNC-1Control系统Expres混合混合混合PXIPXIExpress系统控制器PXIExpress定时插槽PXI外围模块PXIExpress外围模块PXIExpress外围模块外围模块差分星型触发线PXI触发总线(8TTL触发)进一步提高定时与同步精度的技术•在系统定时槽位插入定时专用板卡,用更高精度的板载时钟取代背板时钟–板载TCXO,OCXO时钟,精度达50

6、ppb–例:NIPXI-6653,NIPXIe-6674T等NIPXI-6651NIPXI-6652NIPXI-6653NIPXIe-6672NIPXIe-6674T进一步提高定时与同步精度的技术•针对模块化仪器的NIT-Clock专利技术–用于数字化仪、任意波形发生器、HSDIO等仪器之间同步–同步精度可达30ps以内LabVIEW中丰富的同步范例多系统同步•基于信号•基于时间基于信号的多系统同步方式通过物理连线共享时钟和触发信号基于信号的多机箱同步MasterNIPXI-6653•任意机箱的任意两个通道在1kHz时相位误差小于0.1°Sl

7、ave•可同步多达上万个通道NIPXI-6651案例:波音飞机噪声测试系统824通道动态信号同步采集基于时间的多系统同步基于时间的同步方式,适合远距离同步或分布式应用基于时间通过IEEE1588,GPS,IRIG-B等协议共享时间基准基于基准生成事件,触发和时钟基于时间的同步•NTP(网络时间协议)•IEEE1588•GPS(GlobalPositioningSystem)•IRIG-B•PPS(PulsePerSecond)基于时间的同步•NTP(网络时间协议)–使用时间参考（通常是一个NTP服务器）在以太网上进行时钟同步的协议•IEEE1

8、588–自主的将所有的时钟与Grandmaster时钟进行同步–补偿网络的传输延迟•GPS(GlobalPositioningSystem)–PPS(PulsePe