采用CompactDAQ平臺提高USB數據采集應用的性能

近幾年來(lái)，USB已經(jīng)從用于鼠標、鍵盤(pán)和其它電腦配件的簡(jiǎn)單低速外設總線(xiàn)，發(fā)展為一種能夠滿(mǎn)足高要求應用需要的總線(xiàn)選擇，這其中就包括了數據采集(DAQ)應用。一份最近由Sensors雜志做的網(wǎng)上調查顯示，相比于其它總線(xiàn)，工程師們更傾向于在他們的下一個(gè)數據采集應用中使用USB總線(xiàn)。

隨著(zhù)USB總線(xiàn)的廣泛應用，許多數據采集公司都開(kāi)始致力于縮小USB與諸如PCI和PXI等嵌入式DAQ設備間的性能差距。NI公司剛剛發(fā)布的CompactDAQ平臺就是一個(gè)例證。CompactDAQ平臺采用模塊化的設計，使得工程師們可以根據自身的測試需要，靈活地選擇不同的模塊來(lái)構建他們自己的測試系統。通過(guò)將高速USB標準、全新的半導體技術(shù)，以及NI靈活高效的軟件平臺和專(zhuān)利的信號流技術(shù)相結合，CompactDAQ平臺不但具有卓越的性能，并且簡(jiǎn)單易用，使其成為便攜式測試和控制應用的理想選擇。

在評價(jià)USB數據采集設備性能的時(shí)候，需要著(zhù)重考慮兩種主要任務(wù)的性能表現：一是把采集到的大量緩沖數據傳輸到PC機的存儲器中的能力，二是對于較低速的物理過(guò)程實(shí)施單點(diǎn)控制的能力。下文將主要闡述NI的專(zhuān)利技術(shù)如何達到這些性能要求，并且還將給出應用實(shí)例來(lái)介紹如何發(fā)揮新型NI CompactDAQ平臺在高性能和易用性方面的優(yōu)勢。

信號流技術(shù)

NI公司專(zhuān)利的信號流技術(shù)(Signal-streaming Technology)通過(guò)下列方法，來(lái)滿(mǎn)足上述兩項任務(wù)的性能要求：

1. 把部分驅動(dòng)任務(wù)下移到設備級，以盡可能減少USB總線(xiàn)上的控制通信流量。
2. 在設備內部實(shí)現數據采集和USB總線(xiàn)兩部分間的DMA傳輸，以確保主機可以隨時(shí)調用所需數據。

這種新型的信號流技術(shù)最大限度地改善了USB總線(xiàn)的總吞吐量，并且優(yōu)化了設備對應用程序的響應速度。

USB架構和傳輸機制

為了更好地理解這項技術(shù)，這里有必要來(lái)回顧一下USB總線(xiàn)的傳輸機制。圖1給出了數據采集設備中，USB數據傳輸的相關(guān)部分的高層示意圖。

在USB通信中，數據傳輸總是由USB主機端(由圖1裝置中的PC機所表示)發(fā)起的。應用軟件(如NI LabVIEW和NI-DAQmx等)通過(guò)將輸入/輸出請求包(IRP)排隊，以請求來(lái)自設備端的數據傳輸。這些請求被傳遞給USB驅動(dòng)程序，后者把它們分成包。這些包被傳遞給USB主控制器，由其發(fā)送給設備。USB主控制器是用于控制PC的USB總線(xiàn)通信的硬件。每傳輸一個(gè)包，就要在PC與設備間進(jìn)行一次交互。圖２顯示了USB輸入和輸出交互的實(shí)例。

在每次交互中，主控制器以令牌包為開(kāi)始發(fā)起數據傳輸。這個(gè)令牌包提供了目標設備的地址、數據的流向和在設備中尋址的特定的數據源。這個(gè)特定的數據源被稱(chēng)為USB終端(endpoint)。在數據采集設備中，USB終端包括模擬信號輸入、模擬信號輸出和數字信號輸入。在令牌包后面，如果數據是可用的，那么設備會(huì )響應并發(fā)送數據包，最后主機發(fā)送一個(gè)握手包來(lái)結束交互。

當交互由于傳輸錯誤、數據無(wú)法獲取或者設備沒(méi)有準備好而失敗時(shí)，主機會(huì )把此次交互重新安排到下一個(gè)可用的時(shí)間段。這些重新安排要盡量減到最小限度，因為它們可能會(huì )造成嚴重的數據傳輸延時(shí)。NI公司的信號流技術(shù)在設備的數據采集和USB總線(xiàn)部分之間實(shí)現了高速數據通道，將這些重試的發(fā)生次數減小到最低限度。

圖1：使用USB線(xiàn)纜來(lái)簡(jiǎn)化電腦與設備間的數據傳輸

圖２：USB主機端通過(guò)先輸入令牌，然后是數據和握手包，來(lái)發(fā)起交互

信號流綜述

按照慣例來(lái)說(shuō)，設備上的控制器負責處理數據采集，或者輸入/輸出端部分與USB接口間的數據傳輸。這種傳統的中斷驅動(dòng)方式會(huì )導致嚴重的延時(shí)，并且會(huì )降低響應速度和設備性能。NI公司的信號流技術(shù)使用設備本地的DMA通道連接USB接口和數據采集接口，取代了傳統的傳輸方式(如圖3所示)。

圖3： 每一個(gè)DAQ I/O DMA通道都會(huì )與USB接口終端進(jìn)行直接數據收發(fā)，以獲得高的吞吐量。

圖中的數據采集I/O端口的每個(gè)DMA通道都表示一個(gè)特定的數據采集功能(例如模擬信號輸入)，并且被映射到USB接口相對應的終端上。通過(guò)這種映射，每一個(gè)數據采集I/O端口通道直接從對應的USB終端的緩存收發(fā)數據流，而無(wú)需與控制器進(jìn)行交互。這種傳輸機制保證了一旦數據有效，會(huì )立即在USB總線(xiàn)上得到收發(fā)，同時(shí)設備對于主機端的數據請求響應的數量會(huì )達到最大限度。

根據USB協(xié)議，USB終端是獨立進(jìn)行工作的，所以在設備上實(shí)現的DMA映射，實(shí)際上就是在USB?總線(xiàn)上為設備上的６條高速信號通道提供不同的數據采集功能。利用這項技術(shù)的設備，如NI公司M系列多功能USB數據采集設備，可以在USB總線(xiàn)上獲得高達16MS/s的吞吐量。

最小的采集設置時(shí)間

這項技術(shù)的另一個(gè)重要特性是它的底層軟件，它智能化地把設備上的非數據型USB總線(xiàn)通信降低到最小。設備上有專(zhuān)門(mén)的電路來(lái)接收從主機發(fā)出的函數調用，并且進(jìn)行系統配置操作，如寫(xiě)寄存器等。通過(guò)這個(gè)額外的特性，主機可以發(fā)出一個(gè)函數并且把寫(xiě)寄存器的操作留給設備去完成，以盡可能減少USB總線(xiàn)上的非數據傳輸。

在單點(diǎn)式采集應用中，采集每個(gè)點(diǎn)都需要大量的設置時(shí)間——比如設置控制寄存器。按照慣例，主機通過(guò)USB總線(xiàn)對所有的設置進(jìn)行控制，這樣就使得設置時(shí)間變長(cháng)?，F在通過(guò)這種全新的信號流技術(shù)，設備上的控制器可以通過(guò)配置設備來(lái)進(jìn)行單點(diǎn)式數據采集，同時(shí)主機再也不需要通過(guò)從USB總線(xiàn)發(fā)送命令來(lái)設置每個(gè)寄存器。最近的測試表明，利用信號流技術(shù)，設備的單點(diǎn)式采集速率性能大幅度提高，性能可提高至1,600%。

NI公司的信號流技術(shù)對USB設備的響應速度也進(jìn)行了改善。通常來(lái)說(shuō)，對于點(diǎn)數一定的采集集合來(lái)說(shuō)，比如10,000個(gè)點(diǎn)，在采集到10,000個(gè)點(diǎn)之前，用戶(hù)不能訪(fǎng)問(wèn)數據的任何一個(gè)子集。利用信號流技術(shù)，設備采集到數據即可實(shí)現發(fā)送。每個(gè)信號流又配有一個(gè)標志寄存器來(lái)告訴設備需要發(fā)送多少子集采樣點(diǎn)。當達到那個(gè)數目之后，可用的采樣點(diǎn)被發(fā)送給主機端應用程序并且傳輸中止。同時(shí)，在主機端，另一項傳輸任務(wù)被制定以獲取其余的采樣點(diǎn)。比如，如果需要10,000個(gè)采樣點(diǎn)，并且要求立即獲取第一個(gè)采樣點(diǎn)，那么用戶(hù)可以把標志寄存器設為1，那么采集到的第一個(gè)采樣點(diǎn)就被發(fā)送出來(lái)，并終止10,000個(gè)采樣點(diǎn)的傳輸。同時(shí)，另一個(gè)傳輸任務(wù)被制定來(lái)獲得其余的9,999個(gè)采樣點(diǎn)。

NI公司的數據流技術(shù)同時(shí)運用軟硬件以顯著(zhù)地改善USB總線(xiàn)的吞吐量和數據采集的響應速度。通過(guò)使用這種新技術(shù)，高性能、高速度的數據采集設備，如新型的USB M型和新型的NI CompactDAQ平臺，能夠以高達3.2MS/s的速度進(jìn)行采集。

NI CompactDAQ的應用方案

作為一項通用的數據采集解決平臺，NI CompactDAQ平臺適用于很多類(lèi)型的測試和控制應用。它具有與筆記本進(jìn)行USB連接的能力和小的體積，這使得它具有優(yōu)異的便攜性能。同時(shí)其具有的低功耗需求、12V電池和與傳感器的直接連接性，使得它非常適合于車(chē)載數據記錄應用。

本田公司把這項解決方案運用于車(chē)載數據記錄應用，在他們的項目中，CompactDAQ平臺被用于進(jìn)行車(chē)內的懸掛測試，用于記錄振動(dòng)、聲音和車(chē)輛測量結果。此外，需要著(zhù)重指出的是這項任務(wù)在測試實(shí)驗室中也會(huì )經(jīng)常用到; 同時(shí)因為CompactDAQ平臺的便攜性使得把硬件裝置直接帶到現場(chǎng)成為可能。

在完成了基于CompactDAQ平臺的系統之后，美國本田研發(fā)中心的傳動(dòng)研發(fā)工程師Mike Dickinson這樣評論：“這個(gè)系統為我們的車(chē)載數據采集方法帶來(lái)了革新。通過(guò)CompactDAQ系統，我們把無(wú)數的電纜和設備轉化成了一個(gè)更小、更整潔、成本更低并且更直觀(guān)的組件?！?/P>

下一項應用方案，請看由哈里伯頓公司(Halliburton)的一位工程師寫(xiě)的用戶(hù)解決方案。

利用NI公司的CompactDAQ平臺開(kāi)發(fā)出高度可靠且持久耐用的超聲波水泥分析儀

在油氣勘探工業(yè)中，水泥在鉆孔過(guò)程中經(jīng)常要用到，以確保鉆孔后，管套被放置在正確的位置。鉆好的孔通常有幾千英尺深，其中非常重要的就是要監視水泥的固化速率來(lái)確保在繼續鉆孔之前它已經(jīng)凝固了。超聲波水泥分析儀(ultrasonic cement analyzer，簡(jiǎn)稱(chēng)UCA)通常用在現場(chǎng)實(shí)驗室和鉆探平臺上，利用模擬的壓力和溫度環(huán)境來(lái)測試水泥漿樣品，以確定樣本最初的固化速率。

哈里伯頓公司的FANN儀器部門(mén)一直努力要為應用設計一個(gè)獨立的UCA。傳統的UCA是利用一系列連接到共用的壓力源上的熱壓罐，把水泥固化速率的數據讀回到一個(gè)獨立的中央計算機上。

表１：NI公司信號流技術(shù)對于單點(diǎn)式采集性能的改進(jìn)

我們需要一個(gè)獨立式的解決方案，它要包含壓力和溫度源以及控制這些源的計算機，并能在一個(gè)緊湊的單元中存儲記錄的數據。在考慮了許多種選擇后，最終我們選擇了NI公司的CompactDAQ平臺，來(lái)幫助開(kāi)發(fā)這種新型的獨立式UCA。

使用NI公司CompactDAQ設備的主要好處是它提供了現成即用的功能，因為對于工程師來(lái)說(shuō)，利用現成的產(chǎn)品總是比閉門(mén)造車(chē)容易。我們原來(lái)的系統采用自有設計，需要很長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且從一臺機器轉移到另一臺機器上時(shí)，在軟硬件的重用性方面表現出較明顯的局限性。由于NI公司的CompactDAQ設備具有模塊化的特性，為定制機器上的UCA添加功能就如同插入一個(gè)新模塊那樣的簡(jiǎn)單。新型UCA使用嵌入式工業(yè)計算機，這樣，NI CompactDAQ標準的USB連接特性就可以為我們省去外部控制器或者接口卡。同時(shí)，通過(guò)使用NI LabVIEW來(lái)開(kāi)發(fā)我們的軟件，我們可以顯著(zhù)地節省開(kāi)發(fā)時(shí)間。

選擇一個(gè)在我們的產(chǎn)品線(xiàn)范圍內都可以使用的通用平臺是非常重要的，這樣，我們可以帶著(zhù)一個(gè)通用底板從一臺機器轉到另一臺機器。NI CompactDAQ設備的直接互連性為我們提供了更具可用性的儀器并且具有更高的可靠性。當我們在機器上操作時(shí)，我們可以從NI CompactDAQ模塊上方便地把連接頭拔下，并且當模塊產(chǎn)生故障時(shí)我們可以馬上進(jìn)行更換。由于連接頭是直接連到系統上的，這也避免了點(diǎn)對點(diǎn)的電纜連接。而且通過(guò)中間連接，無(wú)需使用其它部件。

利用NI公司的CompactDAQ模塊，我們可以控制溫度、壓力和斜坡曲線(xiàn)，并且執行在獨立熱壓罐上不可能實(shí)現的其它任務(wù)。我們還可以把這種新型的、獨立式UCA直接帶到現場(chǎng)的鉆探平臺上，而在以前，運輸整個(gè)系統是極其困難的。

采用NI CompactDAQ來(lái)設計超聲波水泥分析儀，我們減少了自行設計硬件的費用，還節省了我們用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的數周時(shí)間。而且，由于我們的很多儀器要求具有用戶(hù)指定的功能，所以需要數據采集系統足夠靈活并可以適用于廣泛的I/O要求，利用NI CompactDAQ的模塊化特性，我們可以從一臺機器轉移到另一臺機器，而不需要設計我們自己的電路板，因為在數量很小的情況下那樣做是很不劃算的。

NI公司是一家著(zhù)名的數據采集系統提供商，其CompactDAQ設備是獨立式超聲波水泥分析儀的最好、最可靠的選擇。我們的一些設備在這個(gè)領(lǐng)域里使用了30到50年，所以在未來(lái)的幾年里，我們與其它有著(zhù)優(yōu)良信譽(yù)的公司進(jìn)行合作是非常重要的。我們不僅預計在未來(lái)的儀器設計中將使用NI公司的CompactDAQ模塊，而且我們計劃在現場(chǎng)使用的儀器中引入NI公司的CompactDAQ進(jìn)行儀器的更新。