CN107168163A - 一种亚微秒多路同步触发装置及其触发方法 - Google Patents

一种亚微秒多路同步触发装置及其触发方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种亚微秒多路同步触发方法，该方法如下：仪器产生的触发脉冲到达作用端时，回波信号将沿与原信号相同的路径返回至原信号的输出端，经由仪器的检测与分析，完成触发信号传输延迟的检测与估算。本发明同时公开了一种亚微秒多路同步触发装置。本发明的触发装置和触发方法基于同径回波检测技术，具备信号传输路径延迟的检测功能，可实现触发信号路径延迟的实时监测；本发明的触发方法依据最大包容原理，利用延迟补偿技术实现触发信号作用时刻的高精度同步，能够有效克服多路传输路径差异的影响，无需保证信号传输路径的严格对称。

Description

一种亚微秒多路同步触发装置及其触发方法
技术领域
本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种亚微秒多路同步触发装置及其触发方法，该装置和方法可以应用在分布式工程测控环境中，对信号传输路径延迟进行估计与补偿，能够保证触发信号作用时刻的高精度同步，或者严格精确保证多路触发信号的先后时序关系。
背景技术
在分布式测控领域中，为了实现突发过程的综合性测量、动态跟踪和设备控制，往往需要保证多台设备触发时刻精确同步或者具有严格的先后时序关系。
然而，由于设备位置分散，触发信号传输路径差异明显等原因，精确保证设备触发的同步性一直是一项难题。
目前，能够在一定程度上解决该问题的触发装置、技术措施通常包括：对称路径法，统一时间基准(UTC)法等。这些手段仍然存在的主要问题是实施困难、精度低、成本高，同步效果无法实时监测等缺点。
发明内容
本发明提出了一种亚微秒多路同步触发装置及其触发方法，本触发装置及其触发方法具备信号传输路径延迟的预估检测功能和程控补偿功能，能够有效的保证触发信号作用时刻的同步性；此外，本发明还可以实现多通道高精度的顺序触发，对数据采集仪、示波器的触发延迟、时间基准的相对精度进行检测等辅助功能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种亚微秒多路同步触发方法，仪器产生的触发脉冲到达作用端时，回波信号将沿与原信号相同的路径返回至原信号的输出端，经由仪器的检测与分析，完成触发信号传输延迟的检测与估算。
一种亚微秒多路同步触发装置，包括中心控制器、与中心控制器连接的***内部时钟自检模块和线缆校准补偿模块；
所述的***内部时钟自检模块包括GPS/北斗授时单元、本地时钟电路、时钟驱动单元、压控温度补偿晶振和触发逻辑阵列；所述的中心控制器通过UART串口连接GPS/北斗授时单元，GPS/北斗授时单元连接本地时钟电路，所述的本地时钟电路通过时钟驱动单元连接压控温度补偿晶振，压控温度补偿晶振通过数模转换器DAC连接中心控制器，所述触发逻辑阵列与中心控制器连接；
所述的线缆校准补偿模块包括输入阵列、精密测时/校准单元、可编程延时阵列、级联单元和输出驱动矩阵单元；所述的输入阵列接入触发逻辑阵列和精密测时/校准单元，精密测时/校准单元通过SPI 总线与中心控制器连接，所述的可编程延时阵列通过SPI总线与中心控制器连接，可编程延时阵列通过多路I/0口和触发逻辑阵列连接，所述的级联单元与触发逻辑阵列相连，可编程延时阵列与输出驱动矩阵单元连接。
所述的中心控制器外接触屏显示器和基础接口单元。
所述的压控温度补偿晶振频率为20MHz。
本发明的有益效果：
1.本发明的触发装置和触发方法基于同径回波检测技术，具备信号传输路径延迟的检测功能，可实现触发信号路径延迟的实时监测；
2.本发明的触发方法依据最大包容原理，利用延迟补偿技术实现触发信号作用时刻的高精度同步，能够有效克服多路传输路径差异的影响，无需保证信号传输路径的严格对称；
3.本发明的触发装置内置GPS/北斗授时单元，可保证内部时钟的长期稳定性；
4.本发明的触发装置既可以用于生成同步信号，也可以生成具有严格时序关系的序列脉冲信号。
图1是本发明同径回波延迟预估补偿技术原理图。
图2是同步触发器组成原理图。
图3是多路触发信号发生单元组成原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明，一种亚微秒多路同步触发装置及其触发方法，一种亚微秒多路同步触发方法，仪器产生的触发脉冲到达作用端时，回波信号将沿与原信号相同的路径返回至原信号的输出端，经由仪器的检测与分析，完成触发信号传输延迟的检测与估算。上述方法基于同径回波检测技术，具备信号传输路径延迟的检测功能，可实现触发信号路径延迟的实时监测；
上述方法的具体原理如下：
图1为本发明方法线缆同径往返延迟时间的测量原理图。
以任一输出信号通道为例：仪器产生的触发脉冲可以采用光信号或者电信号两种形式发出，分别采用光电复合线缆(光信号)或者双芯分别屏蔽的合成信号缆(电信号)进行传输，当触发用的光电信号到达作用端时，回波信号将沿与原信号相同的路径返回至原信号的输出端，经由仪器的检测与分析，即可完成触发信号传输延迟的检测与估算。
通过检测，可以获得所有通道上信号传输过程中的路径延迟时间。假设所有通道的延迟时间集合为{τ1,τ2,...,τN}，其中τmax是N个延迟时间参数中的最大值，即τmax＝Max(τ1,τ2,...,τN)，那么，利用程控延迟线，只要对于每个通道进行适当的延迟，即可实现所有通道到达作用端时精确同步的目的。延迟时间的计算方法是：给定第i个信号通道，其信号的输出附加延时ti＝τmax-τi，其中：i∈[1,N]。
首先，按照上述方法完成多个触发通道的同步检测与补偿，然后，任选两个触发通道，不妨标记为通道A，通道B，其中，通道A输出信号作为数据采集设备的触发信号(外触发)，通道B输出信号接入数据采集设备的源信号通道上，设定数据采集设备的工作模式为单次采集，触发方式为“外触发”。A通道上的触发信号为单脉冲，上升沿有效；B通道信号由时间间隔为TN的两个脉冲组成；A通道脉冲上升沿与 B通道第一个脉冲上升沿间隔为T0。显然，TN和T0都是以同步触发器内部的时钟作为基准的。
当数据采集设备以A通道信号为触发信号，完成B通道信号的测试记录后，通过分析，可以分别得到B通道两个脉冲的相对间隔T'N，以及触发位置相对B通道第一脉冲上升沿的时间延迟T'0。于是，数据采集设备的内部时钟与触发仪基准时钟频率比为rclk＝T'N/TN；那么，以触发仪内部的时钟为基准，数据采集设备的外部触发延迟特征时间为：τλ＝T'0/rclk-T0。
同步触发器的设计
参见图2，一种亚微秒多路同步触发装置，包括中心控制器、与中心控制器连接的***内部时钟自检模块和线缆时间校准补偿和多路触发信号产生模块；
所述的***内部时钟自检模块包括：GPS/北斗授时单元、本地时钟电路、时钟驱动单元、频率为20MHz的压控温度补偿晶振和触发逻辑阵列；所述的中心控制器通过DART串口连接GPS/北斗授时单元， GPS/北斗联合授时单元连接本地时钟电路，所述的本地时钟电路通过时钟驱动单元连接压控温度补偿晶振，压控温度补偿晶振通过中心控制器连接触发逻辑阵列；
此模块的作用：GPS/北斗授时单元输出的秒脉冲，对本地时钟电路的频率实时连续地进行测量，由微控制器计算误差，并利用误差对压控温度补偿晶振进行微调整，从而保证本地时钟电路相对于全球定位***的卫星时钟频率长期稳定。
所述的线缆时间校准补偿与多路触发信号产生模块包括：输入阵列、精密测时/校准单元、可编程延时阵列、级联单元和输出驱动矩阵单元；所述的输入阵列接入触发逻辑阵列和精密测时/校准单元，精密测时/校准单元与可编程延时阵列都通过SPI总线与中心控制器连接，可编程延时阵列通过多路I/0口和触发逻辑阵列连接，所述的级联单元与触发逻辑阵列相连，可编程延时阵列与输出驱动矩阵单元连接。
触发逻辑阵列的作用包括几个方面：一是提供多种触发源选项，如手动触发、UTC定时、外部信号源触发等，二是实现顺序触发的逻辑控制，以及各个触发通道输出的使能控制，另外，该部分还为设备实现级联提供逻辑支持。
输出驱动矩阵单元为各路触发通道提供信号驱动功能，实现输出通道的阻抗匹配；此外，在每个通道驱动输入的前端是可编程延时阵列，通过串行编程的方式，由中心控制器调整各个通道的信号延迟，实现多路信号的传输延迟的补偿。
所述的中心控制器外接触屏显示器和基础接口单元。
此模块的作用是线缆时间校准补偿和产生多路触发信号。线缆时间校准补偿方法已经在前面叙述过，这里叙述下多路触发信号的产生过程。
图3是本发明多路触发信号发生单元组成原理图，此单元主要补充了图2中同步触发器整体框图中触发逻辑阵列的多种模式输入和进行模式选择的功能细节图，同时它结合可编程延迟控制器和输出阵列实现多路触发信号发生。
所述多路触发信号发生单元包括：输入单元部分、延时/定时单元，多路选择器、可编程延迟阵列和驱动矩阵等。其中，触发信号输入部分包括模拟输入、手动触发等子单元。多路选择器负责从多种触发源中选择一个作为初始的触发信号，该信号经过由线缆同径往返延迟时间的测量的检测与分析得到不同的延时后，用来经由各个通道的驱动单元形成最终的多路触发信号。
下面介绍本发明装置的具体工作过程：
步骤一，上电后，驯服时钟，这个过程得4-5分钟。首先，GPS/ 北斗授时单元就绪并输出UTC秒脉冲信号。该脉冲与经过驱动后的内部压控温度补偿晶振(本振)的脉冲一起输入本地时钟单元。本地时钟单元对本振频率进行实时、连续的测量，其结果反映了本振频率与 UTC时钟频率的偏差。中心控制器根据频率的偏差，应用数模转换器 (DAC)的输出电压对压控温度补偿晶振进行细微调整，从而保证本地时钟基准频率相对于全球定位***的卫星时钟频率长期稳定。驯服后的本地时钟电路接入触发逻辑阵列，为触发逻辑阵列提供精确稳定的时钟频率，实现同步/顺序，设置时间间隔等功能。
步骤二，连接所需要使用的触发的设备并测量触发电缆。触发电缆连接完成后，在中心控制器的作用下，可以逐一对每条触发的电缆的传输延迟进行测量。其过程是：中心控制器首先将精密测时单元的计时停止输入切换到被测量的通道上，同时，将被测通道上的可编程延时设置清零；然后，通过软件命令生成初始的触发信号，该信号经由多路选择器、可编程延时控制器以及驱动单元后形成的脉冲输出记为Pa，Pa经由触发电缆传输并返回触发仪形成的脉冲记为Pb。精密测时/校准单元测量获得脉冲Pb与Pa的时间差，也就是导线往返时间。中心控制器根据导线传输的往返时间计算需要补偿的时间。需要注意的是：测量触发电缆延时时，设备将产生触发信号，若本设备与需要触发的设备连接，会造成误触发。
步骤三，同步触发多台测试设备。所有触发电缆的传输延迟都测量完成后，中心控制器可以根据测试结果对每条触发通道进行延迟补偿的设定。完成后，即可连接需要触发的设备，选择有效的触发通道，通过按钮或者人机交互操作使***做好准备，等待触发源触发。在仪器上可以使用外部触发按钮，或者点击屏幕中的强制触发按钮进行多次触发。若要切换触发模式，点击停止按钮后，方可进行操作。
另外，多路顺序触发与同步触发的操作类似，只需在点击预备按钮前，在对应通道输入所需要的触发延时时间即可。
最后，该设备还可以与多路设备进行级联，实现更多设备的同步触发要求。
本发明装置还可用于数据采集仪、示波器的触发延迟、时间基准的相对精度进行检测等辅助功能。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种亚微秒多路同步触发方法，其特征在于：仪器产生的触发脉冲到达作用端时，回波信号将沿与原信号相同的路径返回至原信号的输出端，经由仪器的检测与分析，完成触发信号传输延迟的检测与估算。
2.一种亚微秒多路同步触发装置，其特征在于：包括中心控制器、与中心控制器连接的***内部时钟自检模块和线缆校准补偿模块；
所述的***内部时钟自检模块包括GPS/北斗联合授时单元、本地时钟电路、时钟驱动单元、压控温度补偿晶振和触发逻辑阵列；所述的中心控制器通过UART串口连接GPS/北斗联合授时单元，GPS/北斗联合授时单元连接本地时钟电路，所述的本地时钟电路通过时钟驱动单元连接压控温度补偿晶振，压控温度补偿晶振通过数模转换器连接中心控制器，所述逻辑阵列与中心控制器连接；
所述的线缆校准补偿模块包括输入阵列、精密测时/校准单元、可编程延时阵列、级联单元和输出驱动矩阵单元；所述的输入阵列接入触发逻辑阵列和精密测时/校准单元，精密测时/校准单元通过SPI总线与中心控制器连接，所述的可编程延时阵列通过SPI总线与中心控制器连接，可编程延时阵列通过多路I/0口和触发逻辑阵列连接，所述的级联单元与触发逻辑阵列相连，可编程延时阵列与输出驱动矩阵单元连接。
3.根据权利要求2所述的亚微秒多路同步触发装置，其特征在于：所述的中心控制器外接触屏显示器和基础接口单元。
4.根据权利要求2或3所述的亚微秒多路同步触发装置，其特征在于：所述的压控温度补偿晶振频率为20MHz。
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