1 引言
近年來，隨著自動化測試、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、智能制造以及新能源裝備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，基于PXIe平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工程測試中的應(yīng)用越來越廣泛。PXIe作為一種開放、模塊化、高帶寬的測試與測量平臺，具備以下典型優(yōu)勢：
總線帶寬高、通道數(shù)易擴展，可滿足多點、多物理量同時測試的需求； 模塊形態(tài)靈活，可方便集成電壓、電流、橋路、聲學、振動等多種采集卡； 配合上位機軟件和觸發(fā)/時鐘資源，可以實現(xiàn)復(fù)雜工況下的自動化測試。這直接引出一個核心問題：如何保證各通道數(shù)據(jù)在時間上的嚴格對齊，即“同步”問題。
本文先討論數(shù)據(jù)同步的重要性、異步采集可能帶來的后果，隨后以PXIe采集卡為例，分析單板多通道同步的實現(xiàn)原理與基本方式。不同采集卡之間的同步問題將放在后續(xù)文章中單獨討論。
2 數(shù)據(jù)同步的重要性
2.1 多通道測試場景的需求
在實際工程項目中，多通道采集早已成為常態(tài)，例如：結(jié)構(gòu)振動測試中，需要同步采集多個加速度傳感器，用于模態(tài)分析、振型識別；電機與電力電子測試中，需要同時采集電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩等多種信號，用于效率分析和控制算法驗證；聲學與噪聲測試中，需要同步采集多個麥克風陣列通道，用于聲源定位和波束形成；機頂盒、通信設(shè)備等電子產(chǎn)品測試中，需要同步采集功耗、溫度、控制信號等，用于關(guān)聯(lián)分析和故障定位。
這些應(yīng)用有一個共同特點：后續(xù)的數(shù)據(jù)處理往往基于之間的時間關(guān)系，而不是某個的絕對值本身。典型如：計算相位差、傳遞函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)；分析事件的時序，例如“某通道故障信號出現(xiàn)后，其他通道響應(yīng)的時間延遲”；進行空間重建（陣列測量）、多傳感器信息融合等。如果通道之間時間軸錯位或漂移，即便單通道采樣精度很高，整體測試結(jié)論仍然可能是錯誤的甚至是相互矛盾的。
2.2 從“采樣率一致”到“采樣時刻一致”
在實際工程交流中，容易出現(xiàn)一個誤解：“只要多通道設(shè)置了相同的采樣率，就是同步了。”實際上，同樣是10 kS/s的采樣率，如果每個通道各自有獨立的時鐘或獨立啟動，則采樣時刻可以存在固定偏移，甚至在測試過程逐漸漂移。這種情況下，通道之間雖然“平均采樣間隔”相同，但每一個采樣點的時間戳并不一致，仍然屬于異步采集。
真正意義上的多通道同步，至少包含兩個層面：
統(tǒng)一時間基準：所有通道共享同一個時鐘源或經(jīng)過鎖相后的同源時鐘； 統(tǒng)一采樣起點與采樣節(jié)奏：各通道的采樣在同一時刻開始，并由同一個“采樣時鐘”驅(qū)動。只有同時滿足上述條件，才能保證“同一個采樣點序號 n，在所有通道上對應(yīng)同一個物理時間 t”。
3 異步采集可能導(dǎo)致的問題
若在 PXIe 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，同一塊采集卡的各通道未實現(xiàn)真正同步，將可能導(dǎo)致以下問題：
3.1 多通道相位與幅值分析偏差
在頻域分析中，多通道之間的相位關(guān)系通常用于判斷系統(tǒng)的相位響應(yīng)、傳遞函數(shù)等。如果通道間存在時間偏移 Δt，則在頻率 f 處將引入額外相位誤差：
對于高頻信號，即使微小的時間偏差，也會轉(zhuǎn)化為明顯的相位誤差，進而導(dǎo)致：傳遞函數(shù)估計不準確；系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷失誤；模態(tài)分析結(jié)果偏離真實情況。在瞬態(tài)分析中，時間偏移還會導(dǎo)致同一事件在各通道上的峰值對齊失敗，使得幅值峰值、上升沿等特征提取出現(xiàn)誤差。
3.2 長時間測試中的時間漂移
如果各通道依賴非鎖相時鐘或非統(tǒng)一時鐘源，隨著測試時間增長，采樣時鐘的微小頻率偏差會積累為明顯的時間漂移。短時間內(nèi)看似“差不多對齊”的波形，長時間后可能出現(xiàn)采樣點序列明顯分離，導(dǎo)致：無法將不同通道的數(shù)據(jù)在同一時間軸上進行長期趨勢分析；長時間相關(guān)性分析（例如溫度與功耗、振動與負載）失真；后處理階段難以通過簡單插值進行補救等問題。
4 基于 PXIe 的單板多通道同步基本原理
在PXIe體系中，一塊多通道數(shù)據(jù)采集卡通常已經(jīng)針對“單板多通道同步”進行了硬件和驅(qū)動層面的設(shè)計。其基本思想可以概括為：在同一塊采集卡上，為所有通道提供統(tǒng)一的時間基準、統(tǒng)一的采樣時鐘和統(tǒng)一的啟動觸發(fā)，從而保證采樣時刻完全一致。下面從幾個關(guān)鍵方面進行解析：
4.1 統(tǒng)一時間基準（板載時鐘/參考時鐘）
PXIe采集卡通常擁有一個板載時鐘（On-board Clock），例如由高穩(wěn)定度晶振提供的基準頻率（如 10 MHz、20 MHz 等）。同時，PXIe 機箱還可以通過背板提供系統(tǒng)參考時鐘（如 10 MHz 參考時鐘），供各模塊鎖相使用。對于單板多通道同步而言，一般有兩種方式：
1. 全部通道共享同一塊板載時鐘：所有采樣相關(guān)的時鐘信號（如采樣時鐘、內(nèi)部分頻時鐘等）均從同一個基準晶振分頻/倍頻得到；通道之間不存在各自獨立的自由振蕩器，從而避免了長時間運行中的相對漂移。
2. 采集卡鎖相到機箱參考時鐘：板載時鐘通過鎖相環(huán)（PLL）鎖定到機箱提供的參考時鐘；雖然這一機制更多用于多卡同步，但對單卡本身同樣有利于提高整體時間基準的穩(wěn)定性。
無論采用哪種方式，關(guān)鍵點是：采集卡內(nèi)部所有通道使用的是“同源時鐘”。同源時鐘保證了采樣周期在所有通道上完全一致，為下一步“統(tǒng)一采樣時刻”打下基礎(chǔ)。
4.2 統(tǒng)一采樣時刻（共享采樣時鐘）
在有了統(tǒng)一時間基準之后，PXIe采集卡通常還會設(shè)計一個統(tǒng)一的采樣時鐘（Sample Clock），用于驅(qū)動該卡上的所有采樣通道。其實現(xiàn)方式大致包括兩類架構(gòu)：
1. 多ADC同步采樣架構(gòu)（Simultaneous Sampling）：每個通道配備獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），所有 ADC 由同一采樣時鐘驅(qū)動；在采樣時刻 tnt_ntn，所有 ADC 同時對各自通道的模擬信號進行采樣并輸出數(shù)字結(jié)果；這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的“逐點同時”采樣，適用于對相位、瞬態(tài)特性要求較高的場景（振動、聲學陣列等）。
2. 多路復(fù)用 + 單 ADC 架構(gòu)（Multiplexed Sampling）：多個通道通過模擬開關(guān)/多路復(fù)用器依次送入同一 ADC；整體采樣周期由統(tǒng)一采樣時鐘控制，但各通道在一個采樣周期內(nèi)依次輪詢；對于低頻、緩變信號（如溫度、電壓慢變量等），可以認為“準同步”；但從嚴格意義上說，通道間仍存在固定時間偏移。
在工程實踐中，若需要嚴謹?shù)耐剑ㄓ绕涫窍辔环治�、陣列測量），應(yīng)優(yōu)先選用支持同步采樣、多 ADC 架構(gòu)的 PXIe 采集卡，并在設(shè)計與選型階段予以明確。
4.3 統(tǒng)一啟動觸發(fā)（Start Trigger）
即使所有通道共享同一個采樣時鐘，如果各通道在不同時間開始采集，仍然會出現(xiàn)時間軸上的固定偏移。因此，在PXIe系統(tǒng)中，采集卡通常提供統(tǒng)一的啟動觸發(fā)機制：在驅(qū)動配置中，將多通道歸屬于同一個“任務(wù)（Task）”；該任務(wù)在接收到一次“開始采集”的觸發(fā)信號（Start Trigger）后，才會啟動采樣時鐘并開始采樣；由于任務(wù)內(nèi)通道共享同一個觸發(fā)源，所有通道的“第一個樣本”對應(yīng)的是同一時刻。這個觸發(fā)信號既可以是：軟件觸發(fā)：上位機發(fā)出開始命令，驅(qū)動產(chǎn)生內(nèi)部觸發(fā)信號；硬件觸發(fā)：由外部數(shù)字信號或某一路模擬信號的閾值事件觸發(fā)。
對于單板多通道同步，一般：盡量將所有需要同步的通道放在同一個采集任務(wù)中，避免多個任務(wù)分別啟動造成不必要的時序差；若必須使用多個任務(wù)，也應(yīng)確保這些任務(wù)共享同一個硬件觸發(fā)源，并由同一采樣時鐘驅(qū)動。
度緯科技始終致力于在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中實現(xiàn)創(chuàng)新、獨特和可靠的產(chǎn)品方案。我們深知，這些要素是企業(yè)在市場競爭中立足的基石。正因為如此，我們將創(chuàng)新的靈感來源于客戶的真實應(yīng)用需求，而非僅僅為了展示華而不實的產(chǎn)品特性。通過不斷優(yōu)化和提升數(shù)據(jù)采集方案，度緯科技助力合作伙伴邁向高效精準的未來。
