SonoDAQ PTP 複数デバイス同期テスト:偏差は 40 ns 未満を維持

マルチデバイスのデータ収集システムで重要なのは、単にチャネル数ではなく、取得されたすべてのデータが同一の時間基準を共有しているかどうかです. アコースティックアレイ、音源定位、NVH 解析、分散振動試験といったアプリケーションでは、ごくわずかなタイミングのずれでも、位相関係、到来時間差、および音源定位精度に影響を与えます.

本記事では、3 台の SonoDAQ デバイスで実施した PTP 同期テストの結果を紹介します. 本テストでは、デイジーチェーンおよびスター型ネットワークトポロジー、OpenTest による同期精度モニタリング、1PPS 信号のオシロスコープ検証を取り上げ、マルチデバイス・マルチチャネルのデータ収集システムにおける同期一貫性を評価するための実用的なリファレンスを提供します.

テスト結果: テスト構成において、すべての収集チャネルの CH1 基準チャネルに対する同期偏差は、40 ns 以内に収まりました. さらに、2 台の SonoDAQ デバイスからの 1PPS 信号について、24 時間 にわたりエッジを比較した結果、時間差は 30 ns 未満でした. これらの結果から、SonoDAQ の PTP 同期性能は、カタログ上の仕様にとどまらず、実際のデータ収集システムにおいてモニタリング・検証が可能であり、かつ一貫して再現できることが示されました.

同期データ収集に PTP を使う理由

PTP(Precision Time Protocol、精密時刻プロトコル)は、一般に IEEE 1588 規格で定義されており、Ethernet 上で複数デバイス間に統一された時間基準を確立します. マスタークロックとスレーブクロックの間でタイムスタンプ付きメッセージを交換することで、PTP はネットワーク遅延とクロックオフセットを継続的に算出し、各デバイスがローカルクロックを補正して同期を維持できるようにします.

より一般的に知られている NTP(Network Time Protocol)と比べると、PTP は産業計測やデータ収集のような高精度アプリケーションに、はるかに適しています. ハードウェアタイムスタンプをサポートするシステムでは、PTP によりネットワークレイテンシやソフトウェア処理に起因する不確かさが大幅に低減され、複数の収集デバイスを共通の時間軸上で動作させることができます.

SonoDAQ による柔軟なネットワークトポロジー

SonoDAQ は、IEEE 1588 PTP 高精度時刻同期をサポートしており、標準 Ethernet ネットワーク上で、複数の収集デバイスが共通の時間基準を共有できます. 単一デバイスのマルチチャネルシステムから、分散型のマルチデバイス収集プラットフォームまで、PTP により専用の同期／トリガ配線の必要性が低減され、展開が容易になり、スケーラビリティも向上します.

システム規模や設置要件に応じて、SonoDAQ は次の 2 種類の一般的な同期トポロジーをサポートします.

• 小〜中規模システム向けのデイジーチェーントポロジーで、デバイス同士を迅速に接続できます.
• IEEE 1588 対応の PTP スイッチを用いるスター型トポロジーで、大規模・多チャネル・分散計測システムにおいて、より高い柔軟性と拡張性を提供します.

テスト構成:OpenTest でモニタリングされた 3 台の SonoDAQ デバイス

SonoDAQ の PTP 同期性能を評価するため、3 台の SonoDAQ ユニットから成る同期収集システムを構築しました. OpenTest 上で PTP 同期を有効化し、同期状態と精度を継続的にモニタリングしました.

同一のテスト信号を複数のチャネル、ボード、およびデバイスに分配し、実際によくあるマルチデバイス収集シナリオにおける同期性能を評価しました.

テスト構成

本テストでは、

• CH1 を基準チャネルとしました.
• CH2 で、同一デバイス内のチャネル間同期を検証しました.
• CH3 で、同一デバイス内の異なるボード間同期を検証しました.
• CH4 と CH5 で、異なる SonoDAQ デバイス間の同期を検証しました.

OpenTest は各チャネルの CH1 に対する同期偏差を継続的に表示し、ユーザーがリアルタイムに同期の安定性を評価できるようにしました.

測定結果:同期偏差 40 ns 未満

図 4 に示すように、比較対象が、

• 同一デバイス内の異なるチャネルの場合、
• 同一デバイス内の異なるボードの場合、あるいは
• 異なる SonoDAQ デバイス間の場合であっても、

OpenTest に表示される CH1 基準チャネルに対する同期偏差は、40 ns 以内に収まっていました.

これらの結果をさらに検証するため、PTP で同期された 2 台の SonoDAQ デバイスの 1PPS 出力を、オシロスコープのチャネル 1 とチャネル 2 に接続し、エッジジッタを比較しました.

24 時間連続動作後、図 5 に示すようにオシロスコープで得られた結果は、次のことを示しています.

• CH1 をトリガの基準としました.
• CH2 エッジのパーシスタンス幅は、30 ns 以内に収まりました.

これにより、本同期性能が名目上の仕様にとどまらず、実際の収集システムにおいて OpenTest およびオシロスコープ測定の両方で独立にモニタリング・検証され、再現可能であることが確認されました.

テスト結果のまとめ

注記:「40 ns」の結果は、本記事で説明した特定のテスト構成において、OpenTest 上で CH1 基準チャネルに対して表示された同期偏差を指します. 実際の同期性能は、ネットワークトポロジー、PTP スイッチ、配線、クロックソース、電磁環境などの要因によって影響を受ける可能性があります. 本番運用向けには、サイト固有の条件下での検証を推奨します.

エンジニアリング試験にとっての意味

アコースティックアレイ、ビームフォーミング、音源定位においては、チャネル間のタイミング誤差が位相関係や到来時間計算に直接影響します. NVH および振動試験では、測定点間の時間整合性が、周波数領域解析、相関解析、イベント位置特定の精度に影響します.

SonoDAQ の PTP 同期機能により、マルチチャネルデータを共通の時間軸上で取得でき、収集システム自身によって導入されるタイミング誤差を最小限に抑えることができます.

分散型の産業モニタリング、車両試験、鉄道試験、大型機械試験においても、PTP 同期により長距離の同期およびトリガ配線の必要性を低減できます. 新しい収集ノードが同一の PTP ネットワークに参加して正常に同期すれば、既存の測定システムに即座に組み込むことができ、単一デバイスから分散型マルチデバイスプラットフォームへのシームレスな拡張が可能になります.

ユーザーにとって、同期精度の価値は、より良い仕様値を達成することだけにとどまりません. 音源定位、位相解析、マルチポイントイベント解析において、収集系に起因する誤差要因を低減できます. OpenTest のリアルタイム同期モニタリングにより、エンジニアはシステムが信頼できる同期状態で動作しているかどうかを素早く判断でき、テスト終了後になって初めてデータが使えないことに気づくリスクを低減できます.

代表的な適用シナリオ

結論

PTP は、マルチデバイスのデータ収集システムに統一された時間基準を提供し、高精度な同期計測を実現するための重要な技術です.

SonoDAQ と OpenTest を組み合わせることで、デイジーチェーンまたはスター型ネットワーク構成による同期収集システムを構築し、同期状態をリアルタイムにモニタリングし、試験の全期間にわたって同期性能を検証できます.

本評価の結果、SonoDAQ はマルチデバイス・マルチチャネル収集シナリオにおいて、同期偏差 40 ns 未満を達成しました. さらに、1PPS のオシロスコープ測定による独立検証によって同期性能が確認されており、音響試験、振動計測、音源定位、NVH 解析、分散型産業モニタリングといった用途に対して、信頼性の高い基盤を提供します.

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