理解下一代數據采集技術(shù)

　　過(guò)去20年中，數據采集從一種應用有限的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為可適用于各種高性能測量應用的平臺。通過(guò)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(kāi)發(fā)功能強大、靈活且可高度自定義的數據采集(DAQ)系統。

　　在應用中輕松集成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(lái)說(shuō)，位于法國的一位NI公司聯(lián)盟伙伴SAPHIR最近開(kāi)發(fā)了一款基于USB的高級聲音和振動(dòng)監測系統，用于幫助其建筑行業(yè)的客戶(hù)實(shí)施結構監測，來(lái)遵循臨近街區的噪聲規定。最近他們又采用Wi-Fi DAQ對其系統進(jìn)行了擴展。

　　“我們采用NI NI WLS-9163外盒配置NI 9234模塊將我們的監控站擴大到100米的范圍，系統提供了IEEE 802.11g (Wi-Fi)無(wú)線(xiàn)連接，實(shí)現靈活性的最大化。無(wú)線(xiàn)構架提供了更劃算的系統擴展方案。”

　　從環(huán)境監測到山地自行車(chē)測試，USB和Wi-Fi DAQ越來(lái)越受到青睞。那么這些DAQ技術(shù)是如何發(fā)展的，您在實(shí)現它們時(shí)需要考慮哪些問(wèn)題呢?

　　DAQ通常涉及多任務(wù)，如模擬I/O、數字I/O和計數器/定時(shí)器同時(shí)運行。為了實(shí)現這些功能，DAQ設備必須能夠同時(shí)支持多個(gè)數據流，并能快速將數據讀取或寫(xiě)入PC內存。目前，PCI是應用最廣泛的數據采集總線(xiàn)，并且仍用于最高性能的應用。PCI是DAQ的理想選擇，它能提供高帶寬、低延遲、總線(xiàn)控制和直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)通道，允許直接向存儲器傳輸數據流。此外，隨著(zhù)PCI Express的出現，如今的超高速和高通道數數據傳輸應用中的專(zhuān)用通道單槽單向帶寬已可達到1GB/s。然而，當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 )轉而選擇使用USB和Wi-Fi。

　　USB簡(jiǎn)化了向臺式機或筆記本電腦上添加DAQ功能的工作。全世界有超過(guò)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在的工程師和科學(xué)家可以通過(guò)USB DAQ快速共享設備，系統的便攜性和緊湊性也變得更好。

　　USB在測量應用中也存在對其自身的挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，高速USB的60 MB/s理論帶寬對于大多數DAQ應用來(lái)說(shuō)是足夠的;然而，在設計USB DAQ的軟硬件中，為了達到這個(gè)理論帶寬還需要克服幾項障礙。USB是由主機驅動(dòng)的串口協(xié)議，也就是說(shuō)操作系統必須初始化所有數據傳輸請求。這種異步數據傳輸方式會(huì )降低確定性并增加CPU的負擔。解決該問(wèn)題的一種方法是將數據緩沖到設備的額外存儲器上。這將有助于克服數據丟失，但卻增加了延遲和設備成本。我們真正需要的是一種在USB上支持多DAQ數據傳輸的方法。在許多設備中，這種想法受到傳統板載系統構架的限制。

　　用于連接DAQ設備和USB端的處理器是其中一個(gè)限制因素。在標準USB系統中，這一般是基于指令的單線(xiàn)程芯片，它就像一個(gè)開(kāi)關(guān)，成為數據的瓶頸，一次只允許傳輸一段數據流。為了降低延遲提高吞吐量，主機必須能夠連續向設備發(fā)送數據請求。為滿(mǎn)足這種要求，設備必須盡快使數據在USB端就緒。傳統的‘單線(xiàn)傳輸’構架無(wú)法做到，而全新的NI USB信號流技術(shù)能夠解決這個(gè)問(wèn)題。

　　作為NI公司的一項專(zhuān)利，USB信號流技術(shù)通過(guò)多線(xiàn)程方法避免了基于處理器的類(lèi)似開(kāi)關(guān)的行為。配合NI-STC 2系統定時(shí)控制器，NI信號流控制器提供4條高速DMA通道，支持向4個(gè)USB端口的直接數據傳輸。這種方法省去了對處理器資源的占用，此時(shí)的處理器可以接受主機的高級指令，將其轉化為一系列DAQ設備可接受的寄存器級指令。這樣就能最小化來(lái)自主機的指令數量，從而降低延遲。