1. 背景
在高精度PZT扫描系统中，经常需要实现这样一种功能：
PZT按照固定速度运动，每移动固定距离触发一次相机采集，从而获得等间隔空间采样数据。
例如：
PZT扫描范围：100 μm
触发步长：0.076 μm
相机帧率：150 FPS
理想情况下，希望得到：
也就是说：
空间采样间隔应该由PZT位移决定，而不是由时间决定。
2. 传统触发方案的问题
在项目初期，实现PZT扫描触发通常有几种方式。
2.1 软件循环触发
最简单的方案是由上位机软件控制：
这种方案实现简单，但存在明显问题。
通信延迟
整个链路：
会受到：
Windows线程调度
程序执行时间
通信周期
SDK响应时间
影响。
因此很难保证触发位置严格对应实际空间位置。
高速扫描能力有限
当扫描速度提高后：
PZT移动速度增加
触发间隔缩短
软件判断周期不足
容易出现：
触发位置偏移
数据间距不均匀
丢触发
软件循环更适合低速定位场景，而不适合作为高精度PZT扫描触发方案。
2.2 外部硬件时间触发
为了改善软件触发的稳定性，项目中曾采用过一种硬件时间触发方案。
由硬件工程师设计了一块独立触发板：
触发板按照固定时间间隔输出脉冲。
每 6.67ms 输出一次Trigger
≈150 FPS
例如：
相比软件循环：
优势：
不依赖Windows系统调度
触发周期更加稳定
延迟更低
相机采集更加可靠
实际效果明显优于软件轮询。
但是这种方案仍然存在一个本质问题：
它控制的是时间间隔，而不是空间间隔。
例如：
PZT速度 = 10 μm/s
Trigger周期 = 10ms
理论采样间隔：
10 × 0.01 = 0.1 μm
但是实际运行过程中，如果PZT受到：
环境振动
机械共振
负载变化
微小速度波动
那么：
最终可能出现：
对于普通成像影响不大，但对于：
纳米级位移扫描
表面轮廓测量
共聚焦扫描
会导致：
点云比例失真
局部拉伸/压缩
测量误差增加
2.3 PI控制器位置触发
相比时间触发，PI PZT控制器提供了硬件级位置触发功能。
触发逻辑：
此时触发条件由：
时间
变成：
空间位置
例如设置：
Trigger Step = 0.076 μm
控制器自动：
0
0.076
0.152
0.228
...
每经过固定距离输出一次Trigger。
这种方式：
不依赖PC实时性
不受Windows调度影响
不受通信周期影响
触发点与PZT位置同步
对环境振动更加不敏感
因此对于高精度扫描系统：
最理想的触发方式不是固定时间触发，而是固定空间距离触发。
3. PI GCS触发功能简介
PI的GCS（General Command Set）中，Trigger Output主要由两个接口完成。
CTO：Configure Trigger Output
CTO用于配置触发规则。
可以设置：
Trigger模式
参考轴
触发步长
起始位置
结束位置
简单理解：
CTO负责告诉控制器什么时候产生Trigger。
TRO：Trigger Output
TRO用于开启或者关闭触发输出。
简单理解：
TRO负责打开Trigger输出开关。
完整流程：
4. PI位置触发模式
本文使用：
Position Distance
即：
每经过固定距离输出一次Trigger。
例如：
设置：
Trigger Step = 0.076 μm
控制器产生：
0
0.076
0.152
0.228
...
每到达一个位置点：
输出一次触发。
5. 触发参数说明
主要参数：
例如：
扫描：
Start = 10 μm
End = 20 μm
Step = 0.1 μm
控制器产生：
10.1
10.2
...
20.0
共100次触发。
6. SDK调用流程
6.1 设置触发模式
PI.GCS2.CTO(
handle,
new int[] { Digital_OUT_1 },
new int[] { P_TriggerMode },
new double[] { PositionDistance },
1);
6.2 设置触发轴
PI.GCS2.CTOString(
handle,
new int[] { Digital_OUT_1 },
new int[] { P_Axis },
"1",
1);
6.3 设置触发间隔
例如：
TriggerStep = 0.076;
表示：
每移动：
0.076 μm
输出一次触发。
6.4 设置触发范围
例如：
Start = 0
End = 100
对应：
StartThreshold = 0
StopThreshold = 100
控制器只在该范围内输出Trigger。
6.5 开启触发
PI.GCS2.TRO(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{1},
1);
7. 实际项目代码
以下代码用于配置PI PZT位置触发。
功能：
设置触发步长
设置扫描范围
开启/关闭Trigger Output
public static int Digital_OUT_1 = 1;
public static int Digital_OUT_2 = 2;
public static int Digital_OUT_3 = 3;
public enum PztTriggerMode
{
PositionDistance = 0,
OnTarget = 2,
MinMaxThreshold = 3,
GeneratorTrigger = 4,
InMotion = 6
};
public enum PztTriggerParameter
{
P_TriggerStep = 1,
P_Axis = 2,
P_TriggerMode = 3,
P_MinThreshold = 5,
P_MaxThreshold = 6,
P_StartThreshold = 8,
P_StopThreshold = 9
};
/// <summary>
/// 配置触发输出
/// </summary>
/// <param name="step">步长</param>
/// <param name="start">起始位置</param>
/// <param name="end">结束位置</param>
/// <param name="isenable">是否启用</param>
public void SetTriOutConfigure(
float step,
double start,
double end,
bool isenable)
{
if (!isenable)
{
// 设置Trigger模式关闭
double[] CTOparamsoff =
{
(double)PztTriggerMode.InMotion
};
int result =
PI.GCS2.CTO(
handle,
new int[] { Digital_OUT_1 },
new int[] {
(int)PztTriggerParameter.P_TriggerMode
},
CTOparamsoff,
1);
if(result != 1)
{
LogHelper.Debug(
"PI_CTO error : PositionDistance");
return;
}
// 设置触发轴
result =
PI.GCS2.CTOString(
handle,
new int[] {Digital_OUT_1},
new int[]{
(int)PztTriggerParameter.P_Axis
},
axes,
1);
if(result != 1)
{
LogHelper.Debug(
"PI_CTOString error : Axis");
return;
}
// 关闭Trigger输出
result =
PI.GCS2.TRO(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{0},
1);
if(result != 1)
{
LogHelper.Debug(
"PI_TRO error : disable");
}
return;
}
// ==========================
// Enable Trigger
// ==========================
// 1. Position Distance模式
double[] CTOparams =
{
(double)PztTriggerMode.PositionDistance
};
int isok =
PI.GCS2.CTO(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{
(int)PztTriggerParameter.P_TriggerMode
},
CTOparams,
1);
if(isok != 1)
{
LogHelper.Debug(
"PI_CTO error : PositionDistance");
return;
}
// 2. 设置触发轴
isok =
PI.GCS2.CTOString(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{
(int)PztTriggerParameter.P_Axis
},
"1",
1);
if(isok != 1)
{
LogHelper.Debug(
"PI_CTOString error : Axis");
return;
}
// 3. 设置Trigger Step
isok =
PI.GCS2.CTO(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{
(int)PztTriggerParameter.P_TriggerStep
},
new double[]{step},
1);
if(isok != 1)
{
LogHelper.Debug(
"PI_CTO error : TriggerStep");
return;
}
// 4. 设置触发范围
isok =
PI.GCS2.CTO(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{
(int)PztTriggerParameter.P_StartThreshold
},
new double[]{start},
1);
if(isok != 1)
return;
isok =
PI.GCS2.CTO(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{
(int)PztTriggerParameter.P_StopThreshold
},
new double[]{end},
1);
if(isok != 1)
return;
// 5. 开启Trigger Output
isok =
PI.GCS2.TRO(
handle,
new int[]{Digital_OUT_1},
new int[]{1},
1);
if(isok != 1)
{
LogHelper.Debug(
"PI_TRO error : enable");
}
}8. 扫描时序建议
推荐流程：
注意：
不要在PZT加速阶段开始采集。
更推荐：
也就是说在触发范围前后各留一段距离。
这样可以避免扫描前后数据间距异常。
9. 速度与相机帧率匹配
Trigger步长决定空间采样率。
计算公式：
PZT速度 = TriggerStep × CameraFPS
例如：
步长：
0.076 μm
相机：
150 FPS
理论速度：
0.076 × 150 = 11.4 μm/s
实际工程中需要留出余量。
推荐：
9~10 μm/s
避免：
相机丢帧
Trigger堆积
PZT速度波动造成采样误差
实际相机的极限帧率应当根据测试情况来决定。
10. 总结
PI PZT硬件触发核心只有两个接口：
对于高精度扫描：
相比：
软件轮询触发
固定时间硬件触发
位置触发能够保证：
更高同步精度
更稳定空间采样间隔
更低系统延迟
适用于：
共聚焦扫描
白光干涉
表面轮廓测量
PZT纳米级位移扫描
注：
本文中的CTO参数编号、Trigger模式枚举等内容与具体PI控制器型号有关，实际开发时需要参考对应控制器手册。
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