CN103914052A - 一种多板卡数据同步采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多板卡数据同步采样系统，包括数据采集卡、总线、采样信号线以及两个以上的测量板卡，数据采集卡包括由时钟发生器、控制信号发生器、总线控制器和与门组成的采样信号控制模块，控制信号输出高电平时，与时钟信号与门后的采样信号控制每个测量板卡同步采集数据以及控制数据采集卡停止总线数据采集，控制信号输出低电平时，与时钟信号与门后的采样信号控制每个测量板卡同步停止采集数据以及控制数据采集卡进行总线数据采集。本发明提供的多板卡数据同步采样系统，能够实现各板卡数据采集的纳秒钟级同步，并且无需增加总线宽度，特别适用于高精密高速多轴加工设备的多个激光计数卡的同步数据采集。

Description

一种多板卡数据同步采样系统

技术领域

本发明涉及一种多板卡数据同步采样系统，特别涉及一种用于高精密加工过程的多轴激光位置测量的多板卡数据采集的纳秒级同步采样系统，属于自动控制技术领域。

背景技术

在精密测试领域，激光外差干涉测量因具有响应速度快、测量范围大、信噪比高、能够克服方向模糊且不受光强变化的影响等优点而获得了广泛应用。在诸如IC等高精密多轴加工设备中，往往需要对多个轴激光计数卡数据同时进行采集，这些加工设备精度需要达到纳秒级，工件台运动速度达到数米/秒。考虑到位置信号是测量自正在移动工作台位移，因采用异步采样-异步输出的方法得到激光计数卡输入端的位置信号与台体定位采样时刻点有着不相同的延迟，激光测量数学模型成立的前提条件是：各个工件台各自激光测量轴的总体位置采样延迟一致。位置采样延迟为被控对象位置测量时刻与控制系统得到该位置信息的时刻之间的时间差，工作台超精密运动控制对位置测量有纳秒级的同步需求，各轴之间采样延迟误差将会带来较大的测量误差，而使工作台的精密运动控制失效。因此，数据异步采集-异步发送的方法不适用于高精密高速多轴加工设备中。

现有技术中多轴激光计数卡多轴数据采集同步方法通常采用一单独锁存信号对所有板卡进行同时数据锁存，具体为：数据采样时钟不间断产生，将激光干涉得到的位置数据实时跟新至FIFO1中，在同步锁存时刻，通过用一锁存信号脉冲对所有板卡进行数据锁存，将FIFO1中数据放入FIFO2中。这样，所有板卡数据都在同一时刻被锁存。

但是现有技术采用锁存信号对所有板卡进行同步数据锁存的方法也存在明显的缺陷与不足：一是需要增加一根连接所有激光计数卡的锁存信号总线，由此增加了总线、底板制版等费用成本，以及为提高信号线的稳定性而增加的电容、电感等元件的成本；二是采用锁存信号控制数据同步采样的方法兼容性较差，不能适应不同的数据采集卡，实现代码复杂、通用性差；三是锁存信号只能控制各通道同步停止数据采集和更新，不能控制各通道数据采集和总线数据采集的交替进行，增加了数据传输过程的时间误差；四是只能通过直接改变锁存信号来调整采样点及采样周期，系统稳定性较差。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的多板卡数据同步采样系统存在的需要增加专用的锁存信号总线，增加了控制电路成本，以及系统兼容性较差等缺陷与不足，提供一种通过多板卡数据同步采样系统，通过特定的同步采样时钟控制信号控制各板卡同步采集和更新数据，以及控制各板卡数据采集与总线数据采集的交替进行，实现各板卡数据采集的纳秒钟级同步，并且不需要增加总线宽度，成本较低、兼容性强，特别适用于高精密高速多轴加工设备的多个激光计数卡的同步数据采集。

本发明为实现技术目的采用的技术方案是：一种多板卡数据同步采样系统，包括数据采集卡、总线、采样信号线以及两个以上的测量板卡，所述数据采集卡包括由时钟发生器、控制信号发生器、总线控制器和与门组成的采样信号控制模块，所述时钟发生器发出的时钟信号和控制信号发生器发出的控制信号经过与门形成采样信号并经采样信号线输出到每个测量板卡，所述控制信号的周期大于时钟信号并且为时钟信号周期的整数倍，所述控制信号的周期即为测量伺服周期，所述控制信号输出高电平时，与时钟信号与门后的采样信号控制每个测量板卡同步采集数据，同时所述控制信号还控制数据采集卡停止总线数据采集，所述控制信号输出低电平时，与时钟信号与门后的采样信号控制每个测量板卡同步停止采集数据并存储到FIFO内，同时所述控制信号还控制数据采集卡进行总线数据采集。

一种多板卡数据同步采样系统，所述测量板卡为激光计数卡。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、通过与门后的特定的采样信号控制各板卡在采样时刻同时停止采样，各板卡的寄存器内数据同步停止更新，达到数据锁存的目的，相比较通过独立锁存信号线进行数据锁存的方法而言节约了总线，并由此节约了底板制版费用、为提高信号线的稳定性而增加的电容、电感等元件费用，降低了控制电路成本。

2、本发明的采样信号通过控制采样时钟同步停止FIFO1更新来达到数据不变的目的，与锁存信号控制同步将FIFO1数据放入FIFO2中，但所有FIFO1还是持续更新的控制方法相比，具有兼容性强的优点，数据采集卡代码在不同品牌的数据采集卡上能够快速移植。

3、控制采样时钟信号控制模块向总线控制器发出的控制信号，可控制各测量板卡块数据采集和数据传输的交替进行，确保各板卡数据采集的同步锁存与传输。

4、通过控制信号频率的调节可实现改变数据采样频率的作用，与现有技术通过改变采样时钟频率来调节采样频率的方法相比较，改变控制信号频率拥有更强的兼容性，在所有类型板卡都能够技术上通用，并且可控性更强。另一方面，保持激光计数卡采样时钟频率不变，使系统具有更好的稳定性，在系统运行过程中可无缝隙实时修改同步采样间隔时间，并具有代码实现更为简单等优势。

5、可通过修改控制信号在线调整采样时刻点，具有比通过直接改变采样信号进行采样点及采样周期调整的方法多一层冗余，因而更具稳定性。

6、本发明提供的多板卡数据同步采样系统应用于高精密高速多轴加工设备中多轴位置测量中，能够满足多轴位置测量时刻点纳秒级同步的需求。

附图说明

图1是本发明的多板卡数据同步采样系统的架构示意图。

图2是本发明的多板卡数据同步采样系统的采样时钟信号控制模块的示意图。

图3是本发明的多板卡数据同步采样系统的采样信号的时序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明的多板卡数据同步采样系统的整体架构图，包括数据采集卡、总线、采样时钟信号线以及两个以上的测量板卡，测量板卡可以为激光计数卡或者其它种类的计数卡。数据采集卡与各个测量板卡挂接在同一总线上，数据采集卡可通过总线从收集各测量板卡采集到的数据。数据采集卡与各测量板卡之间还连接有采样信号线，数据采集卡发出的采样信号通过采样信号线输出到各测量板卡。

图2为本发明的多板卡数据同步采样系统的采样时钟信号控制模块的示意图，该模块位于数据采集卡内。采样时钟信号控制模块由四部分组成，时钟发生器，控制信号发生器，总线控制器,与门，时钟发生器优选10MHZ时钟发生器。时钟发生器发出的时钟信号（a）和控制信号发生器发出的控制信号（b）经与门后形成采样信号（c），采样信号（c）经采样信号线输出到各测量板卡，控制信号（b）还输出到总线控制器。

参见图3，本发明的多板卡数据同步采样系统的时钟信号（a）、控制信号（b）和采样信号（c）的时序图。控制信号(b)的周期大于时钟信号（a）并且为时钟信号（a）周期的整数倍，并且控制信号（b）的上升沿与时钟信号（a）的一个上升沿起点时刻相同。控制信号（b）的周期即为测量伺服周期，上升沿表示新的伺服周期开始。控制信号（b）输出的高低电平将测量伺服周期分为两个部分。测量伺服周期的第一部分，控制信号（b）输出的高电平与时钟信号(a)与门后输出采样信号(c)，控制各测量板卡按照时钟信号（a）的频率进行数据采集，并将不断将数据更新存放到FIFO中，同时，控制信号（b）的高电平还控制数据采集卡停止总线数据采集。测量伺服周期的第二部分，控制信号（b）输出的低电平与时钟信号（a）通过与门后输出采样信号(c)，控制各测量板卡在输入低电平时刻同时停止数据采样和更新，使存放到FIFO中为同一时刻采样数据，同时，控制信号（b）的低电平还控制总线控制器、并进一步控制数据采集卡通过总线从各测量板卡采集数据。测量伺服周期的第二部分，总线数据交互时，所有测量板卡内FIFO数据不会被刷新改变，故可知所有挂接在总线上的所有测量板卡的采样时刻是一致的，各测量板卡的锁存时刻也具有一致性，能够满足多板卡的数据同步采样的要求。

本发明提供的多板卡数据同步采样系统，能保证各个测量板卡的采样时刻严格保持一致，各测量板卡之间的采样时差为采样脉冲在总线上的延时，一般在1ns以内，本发明的应用在高精密高速多轴加工设备的测试中，能够满足对工作台超精密运动控制对位置测量纳秒级的同步需求。

本发明提供的多板卡数据同步采样系统，可以方便地通过调节控制信号（b）的频率实现调节数据采集频率的作用，在实践中具有非常重要的意义。有些激光计数卡数据采集需要固定的几个时钟周期后才能达到稳定，例如安捷伦激光计数卡需要数个10MHZ采样脉冲才能得到稳定数据，因此需要控制激光计数卡在多个时钟周期后进行数据采样。现有技术控制激光计数卡的采样时刻，通常采用改变激光计数卡的采样时钟频率实现，但是这种方法有严重的局限性：一是部分激光计数卡的采样时钟频率无法调节；二是即使部分激光计数卡的采样时钟频率可以调节，但是导致代码复杂、操作不便，并且使整个系统运行的稳定性变差。而本发明提供的多板卡数据同步采样系统，通过调节控制信号的频率实现数据采样频率的调节，具有更强的兼容性和可控性，在所有类型板卡都能够通用，并且激光计数卡采样时钟频率不变使系统具有更好的稳定性，可在系统运行过程中无缝隙实时修改同步采样间隔时间，代码实现更为简单。

Claims (2)

1.一种多板卡数据同步采样系统，包括数据采集卡、总线以及两个以上的测量板卡，其特征在于：所述数据采集卡包括由时钟发生器、控制信号发生器、总线控制器和与门组成的采样信号控制模块，所述时钟发生器发出的时钟信号和控制信号发生器发出的控制信号经过与门形成采样信号并经采样信号线输出到每个测量板卡；

所述控制信号的周期即为测量伺服周期，所述控制信号的周期大于时钟信号并且为时钟信号周期的整数倍，所述控制信号输出高电平时，与时钟信号与门后的采样信号控制每个测量板卡同步采集数据，同时所述控制信号还控制数据采集卡停止总线数据采集，所述控制信号输出低电平时，与时钟信号与门后的采样信号控制每个测量板卡同步停止采集数据并存储到FIFO内，同时所述控制信号还控制数据采集卡进行总线数据采集。

2.根据权利要求1所述的一种多板卡数据同步采样系统，其特征在于：所述测量板卡为激光计数卡。