一種亞微秒多路同步觸發裝置及其觸發方法與流程
2023-05-15 13:01:21
本發明屬於自動化技術領域，具體涉及一種亞微秒多路同步觸發裝置及其觸發方法，該裝置和方法可以應用在分布式工程測控環境中，對信號傳輸路徑延遲進行估計與補償，能夠保證觸發信號作用時刻的高精度同步，或者嚴格精確保證多路觸發信號的先後時序關係。
背景技術：
在分布式測控領域中，為了實現突發過程的綜合性測量、動態跟蹤和設備控制，往往需要保證多臺設備觸發時刻精確同步或者具有嚴格的先後時序關係。
然而，由於設備位置分散，觸發信號傳輸路徑差異明顯等原因，精確保證設備觸發的同步性一直是一項難題。
目前，能夠在一定程度上解決該問題的觸發裝置、技術措施通常包括：對稱路徑法，統一時間基準(utc)法等。這些手段仍然存在的主要問題是實施困難、精度低、成本高，同步效果無法實時監測等缺點。
技術實現要素：
本發明提出了一種亞微秒多路同步觸發裝置及其觸發方法，本觸發裝置及其觸發方法具備信號傳輸路徑延遲的預估檢測功能和程控補償功能，能夠有效的保證觸發信號作用時刻的同步性；此外，本發明還可以實現多通道高精度的順序觸發，對數據採集儀、示波器的觸發延遲、時間基準的相對精度進行檢測等輔助功能。
為了達到上述目的，本發明的技術方案為：
一種亞微秒多路同步觸發方法，儀器產生的觸發脈衝到達作用端時，回波信號將沿與原信號相同的路徑返回至原信號的輸出端，經由儀器的檢測與分析，完成觸發信號傳輸延遲的檢測與估算。
一種亞微秒多路同步觸發裝置，包括中心控制器、與中心控制器連接的系統內部時鐘自檢模塊和線纜校準補償模塊；
所述的系統內部時鐘自檢模塊包括gps/北鬥授時單元、本地時鐘電路、時鐘驅動單元、壓控溫度補償晶振和觸發邏輯陣列；所述的中心控制器通過uart串口連接gps/北鬥授時單元，gps/北鬥授時單元連接本地時鐘電路，所述的本地時鐘電路通過時鐘驅動單元連接壓控溫度補償晶振，壓控溫度補償晶振通過數模轉換器dac連接中心控制器，所述觸發邏輯陣列與中心控制器連接；
所述的線纜校準補償模塊包括輸入陣列、精密測時/校準單元、可編程延時陣列、級聯單元和輸出驅動矩陣單元；所述的輸入陣列接入觸發邏輯陣列和精密測時/校準單元，精密測時/校準單元通過spi總線與中心控制器連接，所述的可編程延時陣列通過spi總線與中心控制器連接，可編程延時陣列通過多路i/0口和觸發邏輯陣列連接，所述的級聯單元與觸發邏輯陣列相連，可編程延時陣列與輸出驅動矩陣單元連接。
所述的中心控制器外接觸屏顯示器和基礎接口單元。
所述的壓控溫度補償晶振頻率為20mhz。
本發明的有益效果：
1.本發明的觸發裝置和觸發方法基於同徑回波檢測技術，具備信號傳輸路徑延遲的檢測功能，可實現觸發信號路徑延遲的實時監測；
2.本發明的觸發方法依據最大包容原理，利用延遲補償技術實現觸發信號作用時刻的高精度同步，能夠有效克服多路傳輸路徑差異的影響，無需保證信號傳輸路徑的嚴格對稱；
3.本發明的觸發裝置內置gps/北鬥授時單元，可保證內部時鐘的長期穩定性；
4.本發明的觸發裝置既可以用於生成同步信號，也可以生成具有嚴格時序關係的序列脈衝信號。
圖1是本發明同徑回波延遲預估補償技術原理圖。
圖2是同步觸發器組成原理圖。
圖3是多路觸發信號發生單元組成原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行進一步的說明，一種亞微秒多路同步觸發裝置及其觸發方法，一種亞微秒多路同步觸發方法，儀器產生的觸發脈衝到達作用端時，回波信號將沿與原信號相同的路徑返回至原信號的輸出端，經由儀器的檢測與分析，完成觸發信號傳輸延遲的檢測與估算。上述方法基於同徑回波檢測技術，具備信號傳輸路徑延遲的檢測功能，可實現觸發信號路徑延遲的實時監測；
上述方法的具體原理如下：
圖1為本發明方法線纜同逕往返延遲時間的測量原理圖。
以任一輸出信號通道為例：儀器產生的觸發脈衝可以採用光信號或者電信號兩種形式發出，分別採用光電複合線纜(光信號)或者雙芯分別屏蔽的合成信號纜(電信號)進行傳輸，當觸發用的光電信號到達作用端時，回波信號將沿與原信號相同的路徑返回至原信號的輸出端，經由儀器的檢測與分析，即可完成觸發信號傳輸延遲的檢測與估算。
通過檢測，可以獲得所有通道上信號傳輸過程中的路徑延遲時間。假設所有通道的延遲時間集合為{τ1,τ2,...,τn}，其中τmax是n個延遲時間參數中的最大值，即τmax＝max(τ1,τ2,...,τn)，那麼，利用程控延遲線，只要對於每個通道進行適當的延遲，即可實現所有通道到達作用端時精確同步的目的。延遲時間的計算方法是：給定第i個信號通道，其信號的輸出附加延時ti＝τmax-τi，其中：i∈[1,n]。
首先，按照上述方法完成多個觸發通道的同步檢測與補償，然後，任選兩個觸發通道，不妨標記為通道a，通道b，其中，通道a輸出信號作為數據採集設備的觸發信號(外觸發)，通道b輸出信號接入數據採集設備的源信號通道上，設定數據採集設備的工作模式為單次採集，觸發方式為「外觸發」。a通道上的觸發信號為單脈衝，上升沿有效；b通道信號由時間間隔為tn的兩個脈衝組成；a通道脈衝上升沿與b通道第一個脈衝上升沿間隔為t0。顯然，tn和t0都是以同步觸發器內部的時鐘作為基準的。
當數據採集設備以a通道信號為觸發信號，完成b通道信號的測試記錄後，通過分析，可以分別得到b通道兩個脈衝的相對間隔t'n，以及觸發位置相對b通道第一脈衝上升沿的時間延遲t'0。於是，數據採集設備的內部時鐘與觸發儀基準時鐘頻率比為rclk＝t'n/tn；那麼，以觸發儀內部的時鐘為基準，數據採集設備的外部觸發延遲特徵時間為：τλ＝t'0/rclk-t0。
同步觸發器的設計
參見圖2，一種亞微秒多路同步觸發裝置，包括中心控制器、與中心控制器連接的系統內部時鐘自檢模塊和線纜時間校準補償和多路觸發信號產生模塊；
所述的系統內部時鐘自檢模塊包括：gps/北鬥授時單元、本地時鐘電路、時鐘驅動單元、頻率為20mhz的壓控溫度補償晶振和觸發邏輯陣列；所述的中心控制器通過dart串口連接gps/北鬥授時單元，gps/北鬥聯合授時單元連接本地時鐘電路，所述的本地時鐘電路通過時鐘驅動單元連接壓控溫度補償晶振，壓控溫度補償晶振通過中心控制器連接觸發邏輯陣列；
此模塊的作用：gps/北鬥授時單元輸出的秒脈衝，對本地時鐘電路的頻率實時連續地進行測量，由微控制器計算誤差，並利用誤差對壓控溫度補償晶振進行微調整，從而保證本地時鐘電路相對於全球定位系統的衛星時鐘頻率長期穩定。
所述的線纜時間校準補償與多路觸發信號產生模塊包括：輸入陣列、精密測時/校準單元、可編程延時陣列、級聯單元和輸出驅動矩陣單元；所述的輸入陣列接入觸發邏輯陣列和精密測時/校準單元，精密測時/校準單元與可編程延時陣列都通過spi總線與中心控制器連接，可編程延時陣列通過多路i/0口和觸發邏輯陣列連接，所述的級聯單元與觸發邏輯陣列相連，可編程延時陣列與輸出驅動矩陣單元連接。
觸發邏輯陣列的作用包括幾個方面：一是提供多種觸發源選項，如手動觸發、utc定時、外部信號源觸發等，二是實現順序觸發的邏輯控制，以及各個觸發通道輸出的使能控制，另外，該部分還為設備實現級聯提供邏輯支持。
輸出驅動矩陣單元為各路觸發通道提供信號驅動功能，實現輸出通道的阻抗匹配；此外，在每個通道驅動輸入的前端是可編程延時陣列，通過串行編程的方式，由中心控制器調整各個通道的信號延遲，實現多路信號的傳輸延遲的補償。
所述的中心控制器外接觸屏顯示器和基礎接口單元。
此模塊的作用是線纜時間校準補償和產生多路觸發信號。線纜時間校準補償方法已經在前面敘述過，這裡敘述下多路觸發信號的產生過程。
圖3是本發明多路觸發信號發生單元組成原理圖，此單元主要補充了圖2中同步觸發器整體框圖中觸發邏輯陣列的多種模式輸入和進行模式選擇的功能細節圖，同時它結合可編程延遲控制器和輸出陣列實現多路觸發信號發生。
所述多路觸發信號發生單元包括：輸入單元部分、延時/定時單元，多路選擇器、可編程延遲陣列和驅動矩陣等。其中，觸發信號輸入部分包括模擬輸入、手動觸發等子單元。多路選擇器負責從多種觸發源中選擇一個作為初始的觸發信號，該信號經過由線纜同逕往返延遲時間的測量的檢測與分析得到不同的延時後，用來經由各個通道的驅動單元形成最終的多路觸發信號。
下面介紹本發明裝置的具體工作過程：
步驟一，上電後，馴服時鐘，這個過程得4-5分鐘。首先，gps/北鬥授時單元就緒並輸出utc秒脈衝信號。該脈衝與經過驅動後的內部壓控溫度補償晶振(本振)的脈衝一起輸入本地時鐘單元。本地時鐘單元對本振頻率進行實時、連續的測量，其結果反映了本振頻率與utc時鐘頻率的偏差。中心控制器根據頻率的偏差，應用數模轉換器(dac)的輸出電壓對壓控溫度補償晶振進行細微調整，從而保證本地時鐘基準頻率相對於全球定位系統的衛星時鐘頻率長期穩定。馴服後的本地時鐘電路接入觸發邏輯陣列，為觸發邏輯陣列提供精確穩定的時鐘頻率，實現同步/順序，設置時間間隔等功能。
步驟二，連接所需要使用的觸發的設備並測量觸發電纜。觸發電纜連接完成後，在中心控制器的作用下，可以逐一對每條觸發的電纜的傳輸延遲進行測量。其過程是：中心控制器首先將精密測時單元的計時停止輸入切換到被測量的通道上，同時，將被測通道上的可編程延時設置清零；然後，通過軟體命令生成初始的觸發信號，該信號經由多路選擇器、可編程延時控制器以及驅動單元後形成的脈衝輸出記為pa，pa經由觸發電纜傳輸並返回觸發儀形成的脈衝記為pb。精密測時/校準單元測量獲得脈衝pb與pa的時間差，也就是導線往返時間。中心控制器根據導線傳輸的往返時間計算需要補償的時間。需要注意的是：測量觸發電纜延時時，設備將產生觸發信號，若本設備與需要觸發的設備連接，會造成誤觸發。
步驟三，同步觸發多臺測試設備。所有觸發電纜的傳輸延遲都測量完成後，中心控制器可以根據測試結果對每條觸發通道進行延遲補償的設定。完成後，即可連接需要觸發的設備，選擇有效的觸發通道，通過按鈕或者人機互動操作使系統做好準備，等待觸發源觸發。在儀器上可以使用外部觸發按鈕，或者點擊屏幕中的強制觸發按鈕進行多次觸發。若要切換觸發模式，點擊停止按鈕後，方可進行操作。
另外，多路順序觸發與同步觸發的操作類似，只需在點擊預備按鈕前，在對應通道輸入所需要的觸發延時時間即可。
最後，該設備還可以與多路設備進行級聯，實現更多設備的同步觸發要求。
本發明裝置還可用於數據採集儀、示波器的觸發延遲、時間基準的相對精度進行檢測等輔助功能。
本發明的內容不限於實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。