Como o sistema oferece sincronização de aquisição de dados (DAQ) ao nível de nanossegundos

Nos testes de áudio e NVH, manter os sinais alinhados no tempo é frequentemente mais difícil do que aumentar o número de canais ou a resolução.

Com um único chassis, sincronizar várias dezenas ou até uma centena de canais já não é um grande desafio. O verdadeiro problema surge quando vários chassis de aquisição estão distribuídos por diferentes locais e ligados através de uma rede, mas mesmo assim se espera que mantenham sincronização ao nível de nanossegundos - ou pelo menos ao nível de submicrosegundos. Caso contrário, análises avançadas, como a reconstrução do campo sonoro no interior do veículo, a formação e localização de feixes em matrizes (array beamforming) ou os ensaios modais estruturais, serão todas prejudicadas por eixos temporais desalinhados.

Um dos principais objetivos de conceção do SonoDAQ é tornar este tipo de sincronização entre múltiplos dispositivos algo intuitivo: ligue o cabo de rede e deixe o sistema tratar do resto, para que muitas unidades se comportem como um único instrumento. O principal facilitador desta capacidade é uma arquitetura de temporização rigorosamente concebida em torno de PTP e GPS.

Porque é que a sincronização entre vários dispositivos é tão difícil?

Nas arquiteturas tradicionais, a sincronização entre vários dispositivos é normalmente tratada de algumas formas:

• Confiar no relógio do sistema operativo em conjunto com o alinhamento por software
• Utilizar um dispositivo para fornecer um relógio ou trigger e configurar todos os outros dispositivos como escravos
• Aplicar um protocolo simples de tempo de rede, como o NTP

Estas técnicas são apenas aceitáveis quando os requisitos de sincronização estão na ordem de dezenas de milissegundos ou alguns milissegundos. Mas quando se entra no domínio dos microssegundos ou mesmo dos nanossegundos, surgem vários problemas fundamentais:

• Jitter incontrolado do sistema operativo: o escalonamento de tarefas, a cache e a latência dos controladores fazem com que o tempo aparente do sistema oscile.
• Latência e jitter de rede: diferentes percursos e switches introduzem atrasos variáveis que são difíceis de compensar totalmente apenas em software.
• Deriva a longo prazo: mesmo que os dispositivos estejam aproximadamente alinhados no arranque, qualquer pequeno erro de frequência nos osciladores locais fará com que as suas bases de tempo se desviem lentamente ao longo de dezenas de minutos ou horas.

A abordagem do SonoDAQ é ancorar todas as ações críticas no tempo a uma base de tempo de hardware comum, em vez de depender da noção de tempo do sistema operativo.

Do tempo de rede ao tempo de hardware: PTP + PHC

O primeiro passo é garantir que todas as unidades SonoDAQ partilham o mesmo tempo absoluto.

(1) PTP / GPS como relógio de referência a montante

O SonoDAQ pode obter uma referência UTC unificada a partir do PTP IEEE 1588 na rede ou de um recetor GPS externo. Esta referência é primeiro encaminhada para o PTP Hardware Clock (PHC) integrado na placa, que funciona como base de tempo local. Em outras palavras, o PTP/GPS fornece o tempo padrão mundial, enquanto o PHC é uma cópia local desse tempo mundial dentro de cada chassis de aquisição.

(2) Correção em malha fechada a cada 1/128 s

Um alinhamento único no arranque não é suficiente. O SonoDAQ compara continuamente cada PHC local com o relógio de referência com um período de 1/128 s:

• Avalia, no instante atual, tanto o erro de fase como o erro de frequência.
• Aplica pequenas correções incrementais ao PHC, evitando grandes saltos;
• Ao longo de longos períodos de funcionamento, esta malha fechada suprime continuamente os erros causados pela deriva térmica e envelhecimento do cristal.

Como resultado, o PHC de cada SonoDAQ acompanha de perto a referência PTP/GPS e não se desvia silenciosamente ao longo do tempo. Neste ponto, todos os dispositivos foram colocados na mesma base de tempo de hardware com precisão ao nível de nanossegundos - esta é a base temporal absoluta para todos os mecanismos de sincronização subsequentes.

PLL + 10 PPS: levar o tempo unificado a cada FPGA

Depois de estabelecido um PHC comum, é ainda necessário convertê-lo num sinal de hardware tangível que cada FPGA consiga "sentir".

Do PHC / 1 PPS para 10 PPS

O PTP / GPS fornece normalmente um sinal de 1 PPS (um impulso por segundo). No SonoDAQ, este sinal de 1 PPS é remodelado e multiplicado por um PLL integrado para gerar um impulso estável de 10 PPS, que é então distribuído a cada FPGA.

Nanossegundos através de vários chassis: benefícios de uma base de tempo unificada

Com esta arquitetura de temporização em várias camadas, o SonoDAQ pode proporcionar alinhamento à escala de nanossegundos dentro de um único chassis e alinhamento ao nível de submicrosegundos entre vários chassis quando instalado com uma referência PTP/GPS adequada e uma topologia de rede apropriada.

Para os engenheiros de testes, estes detalhes traduzem-se, em última análise, em capacidades muito concretas:

• Ensaios NVH de veículos completos: microfones interiores e exteriores e sensores de vibração podem ser adquiridos em sincronia com sinais de velocidade, binário e ângulo do veio, permitindo análises de ordens e análises de percursos de transmissão mais fiáveis.
• Ensaios modais estruturais multiponto: vários chassis distribuídos por uma grande estrutura podem captar a excitação e as respostas com relações temporais precisas, tornando a extração de modos de ordem elevada e a estimação do amortecimento mais robustas.
• Medições de atraso ponto a ponto: uma marca temporal unificada permite medir a verdadeira latência desde a saída do estímulo até à entrada da resposta, o que ajuda a ajustar e a compensar cadeias de sinal de áudio complexas.

Experiência de engenharia: um sistema de temporização transparente e de alta precisão

Embora tenhamos acabado de percorrer em detalhe o funcionamento de PTP, PHC e 10 PPS, na prática os engenheiros não precisam de se preocupar com nada disto - o SonoDAQ trata de tudo automaticamente.

Quando arrasta dados de várias unidades SonoDAQ para o mesmo gráfico no software, o que vê já é um único eixo temporal perfeitamente alinhado. É exatamente isso que queremos dizer com sincronização ao nível de nanossegundos para a aquisição de dados prática.

Este é o objetivo original de conceção do SonoDAQ: levar a infraestrutura de temporização ao limite, para que os engenheiros se possam concentrar totalmente nas estratégias de ensaio e na análise de dados.

Para saber mais sobre o CRYSOUND SonoDAQ e a plataforma OpenTest, visite o site da CRYSOUND ou contacte a nossa equipa através do formulário "Contacte-nos".