理解下一代數(shù)據(jù)采集技術(shù)

――USB和Wi-Fi數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)

美國(guó)國(guó)家儀器有限公司 Graham Green

過去20年中，數(shù)據(jù)采集從一種應(yīng)用有限的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為可適用于各種高性能測(cè)量應(yīng)用的平臺(tái)。通過軟件為核心的圖形化編程和基于PC的模塊化硬件，工程師和科學(xué)家可以快速開發(fā)功能強(qiáng)大、靈活且可高度自定義的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)。

在應(yīng)用中輕松集成USB和Wi-Fi的能力為DAQ技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的途徑。舉例來說，位于法國(guó)的一位NI公司聯(lián)盟伙伴SAPHIR最近開發(fā)了一款基于USB的高級(jí)聲音和振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于幫助其建筑行業(yè)的客戶實(shí)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，來遵循臨近街區(qū)的噪聲規(guī)定。最近他們又采用Wi-Fi DAQ對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展。

“我們采用NI NI WLS-9163外盒配置NI 9234模塊將我們的監(jiān)控站擴(kuò)大到100米的范圍，系統(tǒng)提供了IEEE 802.11g (Wi-Fi)無線連接，實(shí)現(xiàn)靈活性的最大化。無線構(gòu)架提供了更劃算的系統(tǒng)擴(kuò)展方案。”

從環(huán)境監(jiān)測(cè)到山地自行車測(cè)試，USB和Wi-Fi DAQ越來越受到青睞。那么這些DAQ技術(shù)是如何發(fā)展的，您在實(shí)現(xiàn)它們時(shí)需要考慮哪些問題呢?

DAQ通常涉及多任務(wù)，如模擬I/O、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器同時(shí)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，DAQ設(shè)備必須能夠同時(shí)支持多個(gè)數(shù)據(jù)流，并能快速將數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭隤C內(nèi)存。目前，PCI是應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)采集總線，并且仍用于最高性能的應(yīng)用。PCI是DAQ的理想選擇，它能提供高帶寬、低延遲、總線控制和直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)通道，允許直接向存儲(chǔ)器傳輸數(shù)據(jù)流。此外，隨著PCI Express的出現(xiàn)，如今的超高速和高通道數(shù)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中的專用通道單槽單向帶寬已可達(dá)到1GB/s。然而，當(dāng)便攜性和易于部署性比高傳輸速度更重要時(shí)，許多工程師會(huì)轉(zhuǎn)而選擇使用USB和Wi-Fi。

USB簡(jiǎn)化了向臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦上添加DAQ功能的工作。全世界有超過二十億的USB端口正在使用，這種通用性使USB成為最直接的選擇?，F(xiàn)在的工程師和科學(xué)家可以通過USB DAQ快速共享設(shè)備，系統(tǒng)的便攜性和緊湊性也變得更好。

USB在測(cè)量應(yīng)用中也存在對(duì)其自身的挑戰(zhàn)。舉例來說，高速USB的60 MB/s理論帶寬對(duì)于大多數(shù)DAQ應(yīng)用來說是足夠的;然而，在設(shè)計(jì)USB DAQ的軟硬件中，為了達(dá)到這個(gè)理論帶寬還需要克服幾項(xiàng)障礙。USB是由主機(jī)驅(qū)動(dòng)的串口協(xié)議，也就是說操作系統(tǒng)必須初始化所有數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求。這種異步數(shù)據(jù)傳輸方式會(huì)降低確定性并增加CPU的負(fù)擔(dān)。解決該問題的一種方法是將數(shù)據(jù)緩沖到設(shè)備的額外存儲(chǔ)器上。這將有助于克服數(shù)據(jù)丟失，但卻增加了延遲和設(shè)備成本。我們真正需要的是一種在USB上支持多DAQ數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。在許多設(shè)備中，這種想法受到傳統(tǒng)板載系統(tǒng)構(gòu)架的限制。

用于連接DAQ設(shè)備和USB端的處理器是其中一個(gè)限制因素。在標(biāo)準(zhǔn)USB系統(tǒng)中，這一般是基于指令的單線程芯片，它就像一個(gè)開關(guān)，成為數(shù)據(jù)的瓶頸，一次只允許傳輸一段數(shù)據(jù)流。為了降低延遲提高吞吐量，主機(jī)必須能夠連續(xù)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。為滿足這種要求，設(shè)備必須盡快使數(shù)據(jù)在USB端就緒。傳統(tǒng)的‘單線傳輸’構(gòu)架無法做到，而全新的NI USB信號(hào)流技術(shù)能夠解決這個(gè)問題。

圖2. 采用基于USB的NI信號(hào)流的DAQ設(shè)備傳輸構(gòu)架

作為NI公司的一項(xiàng)專利，USB信號(hào)流技術(shù)通過多線程方法避免了基于處理器的類似開關(guān)的行為。配合NI-STC 2系統(tǒng)定時(shí)控制器，NI信號(hào)流控制器提供4條高速DMA通道，支持向4個(gè)USB端口的直接數(shù)據(jù)傳輸。這種方法省去了對(duì)處理器資源的占用，此時(shí)的處理器可以接受主機(jī)的高級(jí)指令，將其轉(zhuǎn)化為一系列DAQ設(shè)備可接受的寄存器級(jí)指令。這樣就能最小化來自主機(jī)的指令數(shù)量，從而降低延遲。

信號(hào)流使得模擬輸入和輸出的單端采集性能分別提高了1600%和250%。這就意味著多條雙向數(shù)據(jù)流能夠同時(shí)進(jìn)行，NI公司DAQ設(shè)備能達(dá)到超過26MB/s的速度。

盡管有上述的進(jìn)展，USB線仍然有5米傳輸?shù)南拗?。這個(gè)長(zhǎng)度受限于26ns的延遲標(biāo)準(zhǔn)限制。由于USB使用源端和電壓模式的驅(qū)動(dòng)，該延遲對(duì)于防止信號(hào)反射是必須的。5米線是實(shí)際的最大值。假設(shè)最糟糕的延遲時(shí)間，5米hub或USB線上連接的全速設(shè)備有280ps的停滯。將該值降低為0ps也只能增加0.05米的USB線長(zhǎng)度。也就是說USB對(duì)于分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用來說是不實(shí)用的。

為了擴(kuò)展測(cè)量系統(tǒng)的使用距離，傳統(tǒng)方案是使用線纜式的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，這樣即增加成本又增加復(fù)雜性。因此，人們對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)作為替代方案的興趣越來越濃厚?，F(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，在使用新技術(shù)的同時(shí)又保持USB的易配置性。這不僅與新應(yīng)用的設(shè)計(jì)有關(guān)，許多現(xiàn)有應(yīng)用的擴(kuò)展也可能用到無線。上文提到的SAPHIR公司的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最初采用了USB，但由于每個(gè)測(cè)試地點(diǎn)都需要一臺(tái)筆記本，成本的增加促使他們轉(zhuǎn)而采用Wi-Fi。這種轉(zhuǎn)換必須快速、簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)。