关键词：模拟输出，板载FIFO，连续非环绕输出，输出保持
导读
在实际工程应用中，经常需要使用模拟输出板卡输出指定的波形作为激励或者仿真，本篇文章以简仪5500系列板卡为例介绍模拟输出功能的使用方式，其余型号的板卡使用方式基本类似。
硬件参数
5500系列板卡的模拟输出参数见图一所示。以5515为例，此板卡有两个同步模拟输出通道，使能一个输出通道时最大更新率为2.86 MS/s，使能两个模拟输出通道时每通道最大更新率为2 MS/s。板卡为单端输出，输出阻抗为2欧姆低阻。每通道最大电流驱动能力为10 mA，因此需要外接功放才能拥有更大的驱动能力。所有输出通道共享32 M采样点的板载FIFO，如果使能2通道输出，每通道最大可用的板载FIFO是16 M采样点。
图一 5500系列板卡模拟输出参数
5500系列板卡有两个输出电压输出范围，分别是±5 V和±10 V，不同输出范围的电压输出精度见图二所示。
图二 5500系列板卡模拟输出参数
输出模式详解
5500系列板卡的模拟输出通道支持单点、有限点、连续环绕和连续非环绕这四种输出模式，其中后三种模式都需要事先向板载FIFO中写入数据，然后使用硬件时钟根据设定的时钟速率参数进行确定性波形输出。整个过程中用户可以直接针对板载FIFO进行操作，而无需经过PC内存。
下面针对这四种输出模式做个简单说明：
单点模式输出(Single)：输出一个固定直流信号，如果在循环中持续更新输出电压值，就相当于软件定时的波形输出。此时输出速率决定于操作系统或程序（在生成循环中添加延时）。
有限点模式输出(Finite)：事先向板载FIFO写入指定长度的波形数据，然后按照指定时钟速率开始对外输出，数据全部输出完毕后任务自动停止，整个输出过程的持续时间等于输出数组长度除以更新率。每个通道输出数据的最大长度取决于板载FIFO大小除以通道数。
连续环绕模式输出(ContinuousWrapping)：事先向板载FIFO写入指定长度的波形数据，然后按照指定时钟速率开始对外循环输出，直到上位机发送停止输出指令为止。因为数据被预存到了板载FIFO中，在整个模拟输出的过程中都没有数据总线和内存的交互操作。由于了减少了系统的交互，使用这种模式的模拟输出更新率最大。
连续非环绕模式输出(ContinuousNoWrapping)：事先向板载FIFO写入指定长度的波形数据，然后按照指定时钟速率开始对外输出，在此过程中用户需要不停地向板载FIFO中写入新数据。旧数据在输出之前都不会被新写入的数据覆盖，如果PC端写入/发送数据的速度小于板载FIFO的输出速度，就会产生underflow错误，如果PC端写入/发送数据的速度超过板载FIFO的输出速度，板载FIFO可能处于满载状态，需要等待板载FIFO有空余位置时才可以写入新数据，或者达到指定的超时时间后报错。
有限点输出模式的进一步说明
有限点输出模式下，当写入的数据全部输出完毕后，输出任务也就自动停止了。可以通过WaitUntilDone(int timeout = -1)方法查询输出任务是否完成，括号中的输入参数含义是单位为ms的超时时间，设置为-1代表永不超时。
此外，在有限点输出模式下，所有通道加起来一共的写入点数不能超过板载FIFO大小，否则就会产生”Error_AO_SamplesToUpdateOverRange”的异常。那么如果需要输出的点数超过板载FIFO，可以参考下文提到的连续非环绕模式，将总数据切分为多个小于板载FIFO大小的数组，分次写入板载FIFO再进行输出即可，还需要在循环中需要手动设置停止输出条件。
连续非环绕模式输出的进一步说明
为了能够在波形输出的同时程序地更改DAQ设备输出的波形，必须使用连续非环绕模式进行输出，此时板载FIFO在输出旧的数据的同时也需要有新数据的持续写入。在使用过程中，我们经常会遇到以下两个问题：
为什么会产生underflow报错？
为什么写入的新数据要过好几秒甚至几十秒才会出现在输出端，怎样才能让新数据尽快地进行输出？
首先我们来看第一个问题，在前面介绍连续非环绕模式输出时我们提到过如果PC端写入/发送数据的速度一直小于板载FIFO的输出速度，那么当板载FIFO为空的时候就没有数据输出了，此时驱动就会产生underflow的报错。因此必须保证板载FIFO不能为空才会避免出现此类报错。
刚才提到的板载FIFO为空是一个极端，针对第二个问题我们来看另一个极端，也就是板载FIFO一直处于满载状态。此时如果继续调用写入方法向缓冲区写入新数据，必须要等待板载FIFO出现空位置才可以写入，而且由于FIFO的先进先出特性，此时写入的数据需要几秒钟甚至更长时间才能反映到输出端，因为新的波形数据需要传过整个板载的FIFO。如果想要使得写入的新数据尽可能快的出现在输出端，就要在板载FIFO几乎是空的状态时进行写入，此时新数据在输出前不需要经过整个FIFO，在到达DAQ板卡的时候已经在FIFO的末端，能够立即出现在输出端。
下面我们来看下在C#代码中如何实现刚才提到的问题，我们可以参考Winform AO Continuous NoWrapping这个范例。整个代码的执行分为以下几个步骤：
初始化模拟输出任务；
添加通道，设置更新率参数，设置输出模式为ContinuousNoWrapping；
写入一段数据到板载FIFO中；
开始输出任务；
在定时器循环中持续向板载FIFO中写入新数据；
停止输出任务并清除通道参数设置。
在驱动中提供了两个属性节点可以查询板载FIFO的内部状态：
AvaliableLenInSamples：当前每通道可以写入板载FIFO的点数，也就是当前板载FIFO空余的点数
BufLenInSamples：板载FIFO中能够容纳的每通道的最大点数
目前范例中的写入条件是aoTask.AvaliableLenInSamples >= writeValue.Length，也就是说当每次板卡板载FIFO不是满的，就会写入新的数据，此时板载FIFO总是保持接近满载的状态，这意味着如果要改变波形的输出，这种改变需要很长的时间才能反映到输出端。
如果希望新写入的数据尽可能快的出现在板卡输出端，建议尝试以下设置：
让循环运行的速度尽可能快，比如while循环减少sleep时间，定时器的Interval尽可能小，禁用界面控件更新等；
减小每次写入的数据块大小；
降低更新率，从而减缓板载FIFO的清空速度；
修改循环中的写入条件，使得板载FIFO处于近乎空的状态。使用BufLenInSamples减去AvaliableLenInSamples可以得到当前板载FIFO中剩余等待输出的点数，可以根据这个差值的大小来控制写入新数据的条件，但前提是不能让板载FIFO为空，否则就会产生前面提到的underflow报错。比如如下代码，当检测到板载FIFO中的点数小于1000时就会写入一次新数据。
if (aoTask.BufLenInSamples - aoTask.AvaliableLenInSamples <= 1000)
{
aoTask.WriteData(writeValue, -1);
}
这里给出一个参考的参数设置，可以维持较快的新数据更新：
将定时器的Interval设置为1 ms；
假设输出信号频率和每次写入的数据块大小都为A，可以设置板卡的更新率为100*A，即每次写入的波形长度是100个周期；
循环中的写入条件为aoTask.BufLenInSamples - aoTask.AvaliableLenInSamples <= 10*A，即当板载FIFO中的数据量小于10个周期波形时执行一次新数据写入。
输出保持
在进行模拟输出操作时，当停止运行程序后，不同的应用场景对最终输出状态的要求是不同的。如果是使用模拟输出控制一个设备的运行比如电机，那么用户一般的预期是程序停止后设备也应当停止运行，此时板卡的输出应当归零。如果使用模拟输出控制一台显微镜的振镜偏转，那么一般的预期是程序停止后振镜应当保持在最终的偏转位置，此时板卡的输出应当保持当前输出的最终状态。默认情况下，应用程序完成后，写入设备的最后一个值将被继续保留，也就是维持上一次输出时最后一个点的电压。除非重启计算机，否则板卡会一直保持输出状态。对于某些第三方板卡来讲，只能在程序结束之前，手动地将零伏特（0V）写入通道中。对于5500系列板卡而言，可以通过CompleteState这个属性来设定输出完成状态，默认值Hold表示输出保持，将属性设置为Zero就可以将输出完成状态设置为归零。
需要注意的是这个CompleteState属性是通过是否复位DAC来控制所有通道的输出完成状态，如果需要每个通道的输出完成状态不同，需要设置此属性为Hold，然后在停止任务前对需要归零的通道单独写入0伏特的电压。
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