Comment il assure une synchronisation DAQ au niveau de la nanoseconde

Dans les essais audio et NVH, maintenir l'alignement temporel des signaux est souvent plus difficile qu'augmenter le nombre de voies ou la résolution.

Avec un seul châssis, la synchronisation de plusieurs dizaines, voire d'une centaine de voies, n'est plus un grand défi. Ce qui devient vraiment problématique, c'est lorsque plusieurs châssis d'acquisition sont répartis sur différents sites et reliés par un réseau, tout en devant néanmoins conserver une synchronisation au niveau de la nanoseconde - ou au moins au sous-microseconde. Sinon, des analyses de haut niveau telles que la reconstruction du champ sonore dans le véhicule, le beamforming et la localisation par réseaux de capteurs, ou les essais modaux de structures, souffriront toutes d'axes temporels mal alignés.

L'un des objectifs de conception fondamentaux de SonoDAQ est de rendre ce type de synchronisation multi-dispositifs totalement transparente : il suffit de brancher le câble réseau et de laisser le système s'occuper du reste, afin que de nombreux unités se comportent comme un seul instrument. L'élément clé qui le permet est une architecture de synchronisation soigneusement conçue autour de PTP et du GPS.

Pourquoi la synchronisation multi-dispositifs est-elle si difficile ?

Dans les architectures traditionnelles, la synchronisation multi-dispositifs est généralement assurée de plusieurs façons :

• S'appuyer sur l'horloge du système d'exploitation complétée par un alignement logiciel
• Utiliser un appareil pour fournir une horloge ou un déclenchement et configurer tous les autres appareils en esclaves
• Appliquer un protocole de temps réseau simple tel que NTP

Ces techniques sont à peine acceptables lorsque les exigences de synchronisation se situent à l'échelle de quelques dizaines de millisecondes ou de quelques millisecondes. Mais lorsque l'on descend dans le domaine de la microseconde, voire de la nanoseconde, plusieurs problèmes fondamentaux apparaissent :

• Gigue du système d'exploitation non maîtrisée : l'ordonnancement des tâches, la mise en cache et la latence des pilotes font toutes dériver dans le temps apparent du système.
• Latence réseau et gigue : les différents chemins et commutateurs introduisent des délais variables qu'il est difficile de compenser entièrement par logiciel.
• Dérive à long terme : même si les appareils sont grossièrement alignés au démarrage, la moindre erreur de fréquence dans les oscillateurs locaux fera diverger progressivement leurs bases de temps sur des dizaines de minutes ou des heures.

L'approche de SonoDAQ consiste à ancrer chaque action critique en temps sur une base de temps matérielle commune, plutôt que de s'appuyer sur la notion de temps du système d'exploitation.

Du temps réseau au temps matériel : PTP + PHC

La première étape consiste à s'assurer que chaque unité SonoDAQ partage la même heure absolue.

(1) PTP / GPS comme horloge amont

SonoDAQ peut recevoir une référence UTC unifiée soit via IEEE 1588 PTP sur le réseau, soit à partir d'un récepteur GPS externe. Cette référence est d'abord injectée dans l'horloge matérielle PTP (PHC) embarquée, qui sert de base de temps locale. En d'autres termes, PTP/GPS fournit l'heure universelle de référence, tandis que la PHC est une copie locale de cette heure universelle à l'intérieur de chaque châssis d'acquisition.

(2) Correction en boucle fermée toutes les 1/128 s

Un simple alignement ponctuel au démarrage ne suffit pas. SonoDAQ compare en continu chaque PHC locale à l'horloge de référence avec une période de 1/128 s :

• Il évalue à chaque instant l'erreur de phase et de fréquence.
• Il applique de petites corrections incrémentales à la PHC, en évitant les sauts importants ;
• Sur de longues durées de fonctionnement, cette boucle fermée supprime en continu les erreurs causées par la dérive en température et le vieillissement des quartz.

En conséquence, la PHC de chaque SonoDAQ suit de très près la référence PTP/GPS et ne dérive pas insidieusement au fil du temps. À ce stade, tous les appareils ont été rassemblés sur la même base de temps matérielle de précision nanoseconde - c'est le socle temporel absolu de tous les mécanismes de synchronisation ultérieurs.

PLL + 10 PPS : amener l'heure unifiée dans chaque FPGA

Une fois une PHC commune établie, il reste à la convertir en un signal matériel concret que chaque FPGA peut percevoir.

De PHC / 1 PPS à 10 PPS

PTP / GPS fournit généralement un signal 1 PPS (un top par seconde). Sur SonoDAQ, ce signal 1 PPS est reformaté et multiplié par une PLL embarquée pour générer une impulsion stable à 10 PPS, qui est ensuite distribuée à chaque FPGA.

Nanoseconde à travers plusieurs châssis : avantages d'une base de temps unifiée

Avec cette architecture de synchronisation multi-niveaux, SonoDAQ peut offrir un alignement à l'échelle de la nanoseconde au sein d'un seul châssis et un alignement au sous-microseconde entre plusieurs châssis lorsqu'il est déployé avec une référence PTP/GPS et une topologie réseau appropriées.

Pour les ingénieurs d'essais, ces détails se traduisent finalement par des capacités très concrètes :

• Essais NVH de véhicule complet : les microphones intérieurs et extérieurs ainsi que les capteurs de vibrations peuvent être acquis en parfaite synchronisation avec les signaux de vitesse, de couple et d'angle d'arbre, ce qui permet une analyse d'ordres et une analyse des chemins de transfert plus fiables.
• Essais modaux de structures multi-points : plusieurs châssis répartis sur une grande structure peuvent acquérir l'excitation et les réponses avec des relations temporelles précises, ce qui rend l'extraction modale d'ordre élevé et l'estimation de l'amortissement plus robustes.
• Mesures de délai de bout en bout : un horodatage unifié vous permet de mesurer la latence réelle entre la sortie du stimulus et l'entrée de la réponse, ce qui aide à régler et à compenser des chaînes de signaux audio complexes.

Expérience d'ingénierie : un système de synchronisation haute précision transparent

Même si nous venons de passer en revue une bonne partie de la « plomberie » PTP, PHC et 10 PPS, en pratique les ingénieurs n'ont pas à s'en préoccuper : SonoDAQ s'en charge automatiquement.

Lorsque vous faites glisser dans le logiciel les données de plusieurs unités SonoDAQ sur le même graphique, ce que vous voyez est déjà un axe temporel unique et parfaitement aligné. C'est exactement ce que nous entendons par synchronisation au niveau de la nanoseconde pour l'acquisition de données pratique.

C'est l'intention de conception initiale de SonoDAQ : pousser l'infrastructure temporelle dans ses retranchements afin que les ingénieurs puissent se concentrer entièrement sur les stratégies d'essais et l'analyse des données.

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