Cómo ofrece sincronización de adquisición de datos (DAQ) a nivel de nanosegundos

En las pruebas de audio y NVH, mantener las señales alineadas en el tiempo suele ser más difícil que aumentar la cantidad de canales o la resolución.

Con un único chasis, sincronizar varias docenas o incluso un centenar de canales ya no es un gran reto. Lo verdaderamente complicado es cuando varios chasis de adquisición están distribuidos en distintas ubicaciones y conectados a través de una red, pero aun así se espera que mantengan una sincronización a nivel de nanosegundos -o al menos a nivel de submicrosegundos-. De lo contrario, análisis avanzados como la reconstrucción del campo sonoro en el vehículo, el conformado de haz y la localización con arrays, o los ensayos modales estructurales se verán afectados por ejes de tiempo desalineados.

Uno de los objetivos de diseño fundamentales de SonoDAQ es hacer que este tipo de sincronización entre múltiples dispositivos resulte sencilla: conectar el cable de red y dejar que el sistema se encargue del resto, de modo que muchas unidades se comporten como un único instrumento. El factor clave que lo hace posible es una arquitectura de temporización cuidadosamente diseñada en torno a PTP y GPS.

¿Por qué es tan difícil la sincronización entre múltiples dispositivos?

En arquitecturas tradicionales, la sincronización entre varios dispositivos suele gestionarse de algunas de las siguientes maneras:

• Confiar en el reloj del sistema operativo más una alineación por software
• Usar un dispositivo para generar una señal de reloj o de disparo y configurar todos los demás dispositivos como esclavos
• Aplicar un protocolo de tiempo de red sencillo como NTP

Estas técnicas apenas resultan aceptables cuando los requisitos de sincronización están en el orden de decenas de milisegundos o unos pocos milisegundos. Pero cuando se entra en el dominio de los microsegundos o incluso de los nanosegundos, aparecen varios problemas fundamentales:

• Jitter incontrolado del sistema operativo: la planificación de tareas, la caché y la latencia de los controladores hacen que el tiempo aparente del sistema fluctúe.
• Latencia y jitter de red: los distintos caminos y conmutadores introducen retardos variables que son difíciles de compensar por completo solo mediante software.
• Deriva a largo plazo: incluso si los dispositivos están razonablemente alineados en el arranque, cualquier pequeño error de frecuencia en los osciladores locales hará que sus bases de tiempo se vayan separando lentamente a lo largo de decenas de minutos u horas.

El enfoque de SonoDAQ consiste en anclar cada acción crítica en el tiempo a una base de tiempo común de hardware, en lugar de depender de la noción de tiempo del sistema operativo.

De la hora de red a la hora de hardware: PTP + PHC

El primer paso es asegurarse de que todas las unidades SonoDAQ comparten la misma hora absoluta.

(1) PTP / GPS como reloj ascendente

SonoDAQ puede tomar una referencia unificada de UTC ya sea desde IEEE 1588 PTP en la red o desde un receptor GPS externo. Esta referencia se introduce primero en el reloj de hardware PTP (PHC) integrado en la placa como base de tiempo local. En otras palabras, PTP/GPS proporciona la hora estándar mundial, mientras que el PHC es una copia local de esa hora mundial dentro de cada chasis de adquisición.

(2) Corrección en bucle cerrado cada 1/128 s

Una alineación única en el arranque no es suficiente. SonoDAQ compara continuamente cada PHC local con el reloj de referencia con un periodo de 1/128 s:

• Evalúa tanto el error de fase como el de frecuencia en el instante actual.
• Aplica correcciones pequeñas e incrementales al PHC, evitando saltos bruscos;
• Durante largos tiempos de funcionamiento, este bucle cerrado suprime de forma continua los errores causados por la deriva de temperatura y el envejecimiento del cristal.

Como resultado, el PHC de cada SonoDAQ sigue de cerca la referencia PTP/GPS y no se desvía silenciosamente con el tiempo. En este punto, todos los dispositivos han sido llevados a la misma base de tiempo de hardware, de grado nanosegundo; esta es la base temporal absoluta para todos los mecanismos de sincronización posteriores.

PLL + 10 PPS: llevar el tiempo unificado a cada FPGA

Una vez que se ha establecido un PHC común, aún es necesario convertirlo en una señal de hardware tangible que pueda percibir cada FPGA.

De PHC / 1 PPS a 10 PPS

Normalmente, PTP / GPS proporciona una señal de 1 PPS (un pulso por segundo). En SonoDAQ, este 1 PPS se remodela y se multiplica mediante un PLL integrado en la placa para generar un pulso estable de 10 PPS, que luego se distribuye a cada FPGA.

Nanosegundos entre múltiples chasis: ventajas de una base de tiempo unificada

Con esta arquitectura de temporización en varias capas, SonoDAQ puede ofrecer alineación a escala de nanosegundos dentro de un único chasis y alineación a nivel de submicrosegundos entre varios chasis cuando se implementa con una referencia PTP/GPS y una topología de red adecuadas.

Para los ingenieros de pruebas, todos estos detalles se traducen en capacidades muy concretas:

• Pruebas NVH de vehículos completos: se pueden adquirir de forma sincronizada los micrófonos interiores y exteriores y los sensores de vibración junto con las señales de velocidad, par y ángulo de eje, lo que permite realizar análisis de órdenes y análisis de trayectorias de transferencia más fiables.
• Ensayos modales estructurales multipunto: varios chasis distribuidos a lo largo de una estructura grande pueden capturar la excitación y las respuestas con relaciones temporales precisas, lo que hace que la extracción de modos de orden elevado y la estimación del amortiguamiento sean más robustas.
• Medidas de retardo de extremo a extremo: una marca de tiempo unificada permite medir la latencia real desde la señal de estímulo en la salida hasta la señal de respuesta en la entrada, lo que ayuda a ajustar y compensar cadenas de señal de audio complejas.

Experiencia de ingeniería: un sistema de temporización de alta precisión y uso transparente

Aunque acabamos de repasar bastantes detalles sobre PTP, PHC y 10 PPS, en la práctica los ingenieros no tienen que preocuparse por nada de esto: SonoDAQ se encarga automáticamente.

Cuando arrastras datos de varias unidades SonoDAQ al mismo gráfico en el software, lo que ves ya es un único eje temporal perfectamente alineado. Eso es exactamente lo que entendemos por sincronización a nivel de nanosegundos para la adquisición de datos práctica.

Este es el objetivo de diseño original de SonoDAQ: llevar la infraestructura de temporización hasta el límite, para que los ingenieros puedan centrarse por completo en las estrategias de prueba y el análisis de datos.

Para obtener más información sobre CRYSOUND SonoDAQ y OpenTest, visita el sitio web de CRYSOUND o ponte en contacto con nuestro equipo a través del formulario "Get in touch".