USB數(shù)據(jù)采集技術(shù)

簡介
    近幾年來，USB已經(jīng)從用于鼠標(biāo)、鍵盤和其它電腦配件的簡單低速外設(shè)總線，發(fā)展為一種能夠滿足高要求應(yīng)用方案的總線選擇，這其中就包括了數(shù)據(jù)采集 （data acquisition，簡稱DAQ）應(yīng)用。一份最近由Sensors雜志做的網(wǎng)上調(diào)查顯示，相比于其它總線，工程師們更傾向于在他們的下一個(gè)數(shù)據(jù)采集應(yīng) 用中使用USB總線。
    隨著USB總線的廣泛應(yīng)用，許多數(shù)據(jù)采集公司都開始致力于縮小USB與諸如PCI和PXI等嵌入式DAQ設(shè)備間的性能差距。NI公司剛剛發(fā)布的 CompactDAQ平臺(tái)就是一個(gè)例證。CompactDAQ平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)，使得工程師們可以靈活地選擇不同的模塊來構(gòu)建他們的測試系統(tǒng)，并滿足 他們的測試需求。通過將高速USB標(biāo)準(zhǔn)、全新半導(dǎo)體技術(shù)，以及NI靈活、高效的軟件平臺(tái)和專利的信號(hào)流技術(shù)相結(jié)合，CompactDAQ平臺(tái)不但具有卓越 的性能，并且簡單易用，使其成為便攜式測試和控制應(yīng)用的理想選擇。
     在評(píng)價(jià)USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能的時(shí)候，需要著重考慮兩種主要的性能表現(xiàn)：一是把采集到的大量緩沖數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)的存儲(chǔ)器中的能力，二是對(duì)于較低速 物理過程實(shí)施單點(diǎn)控制的能力。下文將主要闡述NI的專利技術(shù)如何達(dá)到這些性能要求，并且還將給出應(yīng)用實(shí)例來介紹如何發(fā)揮新型NI CompactDAQ平臺(tái)在高性能和易用性方面的優(yōu)勢。
 
信號(hào)流技術(shù)(Signal-streaming Technology)
      NI公司專利的信號(hào)流技術(shù)通過下列方法，來滿足上述兩項(xiàng)任務(wù)的性能要求：
l  把部分驅(qū)動(dòng)程序下移到設(shè)備級(jí)，以盡可能減少USB總線上的控制通信流量。
l  在設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和USB總線兩部分間的DMA傳輸，以確保主機(jī)可以隨時(shí)調(diào)用所需數(shù)據(jù)。
這種新型的信號(hào)流技術(shù)最大限度地改善了USB總線的總吞吐量，并且優(yōu)化了設(shè)備對(duì)應(yīng)用程序的響應(yīng)靈敏度。
USB構(gòu)架和傳輸機(jī)制：
為了更好的理解這項(xiàng)技術(shù)，這里有必要來回顧一下USB總線的傳輸機(jī)制。圖1給出了數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)部件的高層示意圖。
 
圖表1：使用USB電纜來簡化電腦與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸
在USB通信中，數(shù)據(jù)傳輸總是由USB主機(jī)端（由圖1結(jié)構(gòu)中的PC機(jī)所表示）發(fā)起的。應(yīng)用軟件（如NI LabVIEW和NI-DAQmx等）通過將輸入/輸出請(qǐng)求包（I/O request packets，IRP）排隊(duì)來請(qǐng)求自設(shè)備端的數(shù)據(jù)傳輸。這些請(qǐng)求被傳遞給USB驅(qū)動(dòng)程序，后者把他們分成包。這些包被傳遞給USB主控制器，由其發(fā)送給 設(shè)備。USB主控制器是用于控制PC機(jī)的USB總線通信的硬件。每傳輸一個(gè)包，就要在PC機(jī)與設(shè)備間進(jìn)行一次交互。圖２顯示了USB輸入和輸出交互實(shí)例。
 
圖２USB主機(jī)端通過輸入令牌后接數(shù)據(jù)和握手包來發(fā)起交互
在每次交互中，主控制器以令牌包為開始發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)令牌包提供了目標(biāo)設(shè)備的地址、數(shù)據(jù)的流向和設(shè)備上特定的數(shù)據(jù)源地址。這個(gè)特定的數(shù)據(jù)源被稱 為USB終端。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，USB終端包括模擬信號(hào)輸入、模擬信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)輸入。在令牌包后面，如果數(shù)據(jù)是可用的，那么設(shè)備會(huì)響應(yīng)并發(fā)送數(shù)據(jù) 包，最后主機(jī)發(fā)送一個(gè)握手包來結(jié)束交互。
當(dāng)交互由于傳輸錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)無法獲取或者設(shè)備沒有準(zhǔn)備好而失敗時(shí)，主機(jī)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?yàn)樗麄兛赡軙?huì)造成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。NI公司的信號(hào)流技術(shù)在設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和USB總線部分之間實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)通道，將這些重試的發(fā)生次數(shù)減小到最低 限度。
信號(hào)流綜述
按照慣例來說，設(shè)備上的控制器負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)采集或者輸入/輸出端部分與USB接口間的數(shù)據(jù)傳輸。這種傳統(tǒng)的中斷驅(qū)動(dòng)式方法會(huì)導(dǎo)致了主要的延時(shí)，并且 會(huì)降低響應(yīng)靈敏性和設(shè)備性能。NI公司的信號(hào)流技術(shù)使用設(shè)備上連接USB接口和數(shù)據(jù)采集接口的DMA通道來進(jìn)行傳輸，以取代傳統(tǒng)的方法(如圖3所示)。

 
     圖3 每一個(gè)數(shù)據(jù)采集I/O端口的DMA通道都會(huì)以高吞吐量與USB接口終端間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)
圖中的每個(gè)數(shù)據(jù)采集I/O端口的DMA通道都表示一個(gè)特定的數(shù)據(jù)采集功能（例如模擬信號(hào)輸入），并且被映射為USB接口相對(duì)應(yīng)的終端上。通過這種映 射，每一個(gè)DAQ　I/O端口通道直接從對(duì)應(yīng)的USB終端緩存收發(fā)數(shù)據(jù)流，而不涉及與控制器的交互。這種傳輸機(jī)制保證了一旦數(shù)據(jù)有效，會(huì)立即在USB總線 上得到收發(fā)，同時(shí)設(shè)備對(duì)于主機(jī)端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)數(shù)量會(huì)達(dá)到最大限度。
根據(jù)USB協(xié)議，USB終端是獨(dú)立進(jìn)行工作的，所以在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的DMA映射，實(shí)際上就是在USB 總線上為設(shè)備上的６條高速信號(hào)通道提供不同的數(shù) 據(jù)采集功能。利用這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備，諸如NI公司M系列多功能USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以在USB總線上獲得高達(dá)16MS/s的吞吐量。
最小的采集建立時(shí)間
這項(xiàng)技術(shù)的另一條重要性能是它的底層軟件，它智能化地把設(shè)備上的非數(shù)據(jù)型USB總線通信降低到最小。設(shè)備上有專門電路來接收從主機(jī)發(fā)出的函數(shù)調(diào)用， 并且進(jìn)行諸如寫寄存器等的系統(tǒng)配置操作。通過這個(gè)額外的特性，主機(jī)可以發(fā)出一個(gè)函數(shù)并且把寫寄存器的操作留給設(shè)備去完成，以盡可能減少USB總線上的非數(shù) 據(jù)傳輸。
在單點(diǎn)式采集應(yīng)用中，采集每個(gè)點(diǎn)都需要大量的建立時(shí)間——比如建立控制寄存器。按照慣例，主機(jī)通過USB總線對(duì)所有的建立進(jìn)行控制，這樣就使得建立 時(shí)間變長?，F(xiàn)在通過這種全新的信號(hào)流技術(shù)，設(shè)備上的控制器可以通過配置設(shè)備來進(jìn)行單點(diǎn)式數(shù)據(jù)采集，而同時(shí)主機(jī)再也不需要通過從USB總線發(fā)送命令來設(shè)定每 個(gè)寄存器。最近的測試表明，利用信號(hào)流技術(shù)，設(shè)備單點(diǎn)式采集的速率性能大幅度提高，增加可高達(dá)1600%。
 
表格１NI公司信號(hào)流技術(shù)對(duì)于單點(diǎn)式采集性能的改進(jìn)
NI公司的信號(hào)流技術(shù)對(duì)USB設(shè)備的響應(yīng)靈敏度也進(jìn)行了改善。按照慣例來說，對(duì)于點(diǎn)數(shù)一定的采集集合來說，比如10000點(diǎn)，那么在采集到 10000個(gè)點(diǎn)之前，用戶不能訪問到數(shù)據(jù)集的任何一個(gè)子集。利用信號(hào)流技術(shù)，設(shè)備采集到數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送。每個(gè)信號(hào)流又配有一個(gè)標(biāo)志寄存器來告訴設(shè)備需要 發(fā)送多少子集采樣點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到那個(gè)數(shù)目之后，可用的采樣點(diǎn)被發(fā)送給主機(jī)端應(yīng)用程序并且傳輸中止。同時(shí)，在主機(jī)端，另一項(xiàng)傳輸任務(wù)被制定以獲取其余的采樣點(diǎn)。 比如，如果需要10000個(gè)采樣點(diǎn)，并且要求即刻獲取第一個(gè)采樣點(diǎn)，那么用戶可以把標(biāo)志寄存器設(shè)為1，那么采集到的第一個(gè)采樣點(diǎn)就被發(fā)送出來，并終止 10000個(gè)采樣點(diǎn)的傳輸。同時(shí)，另一個(gè)傳輸任務(wù)被制定來獲得其余的9999的采樣點(diǎn)。
 
NI公司的數(shù)據(jù)流技術(shù)同時(shí)運(yùn)用軟硬件以顯著地改善USB總線的吞吐量和數(shù)據(jù)采集的響應(yīng)靈敏度。使用這種新技術(shù)，高性能、高速度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，諸如新型的USB M型和新型的NI CompactDAQ平臺(tái)，可以以高達(dá)3.2MS/s的速度進(jìn)行采樣。
NI CompactDAQ應(yīng)用方案
作為一項(xiàng)通用的數(shù)據(jù)采集解決平臺(tái)，NI CompactDAQ平臺(tái)適用于很多類型的測試和控制應(yīng)用。它滿足了筆記本USB連接、小體積，以及低功耗需求，12V的電池，使得它具有優(yōu)異的便攜性 能。同時(shí)，得益于與傳感器的直接連接性，車載數(shù)據(jù)記錄的應(yīng)用是這個(gè)平臺(tái)的強(qiáng)項(xiàng)之一所在。
把這項(xiàng)解決方案運(yùn)用于車載數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用的公司之一是本田公司，在他們的項(xiàng)目中，CompactDAQ平臺(tái)被用于進(jìn)行車內(nèi)的懸掛測試，用于記錄振動(dòng)、 聲音和車輛測量。此外，需要著重指出的是這項(xiàng)任務(wù)在測試實(shí)驗(yàn)室中也會(huì)經(jīng)常用到; 同時(shí)因?yàn)镃ompactDAQ平臺(tái)的便攜性使得在現(xiàn)場直接進(jìn)行硬件設(shè)置成為可能。
在完成了基于CompactDAQ平臺(tái)的系統(tǒng)之后，美國本田研發(fā)中心的傳動(dòng)研究工程師Mike Dickinson這樣評(píng)論:“這個(gè)系統(tǒng)為我們的車載數(shù)據(jù)采集方法帶來了革新。通過CompactDAQ系統(tǒng)，我們把無數(shù)的電線和設(shè)備轉(zhuǎn)化成了一個(gè)更小、 更整潔、更高性價(jià)比的并且更直觀的組件?！?
下一項(xiàng)應(yīng)用方案，請(qǐng)看由哈里伯頓公司的一位工程師寫的用戶解決方案：《哈里伯頓公司利用NI公司的CompactDAQ平臺(tái)開發(fā)出高度可靠且持久的超聲水泥分析儀》。
在油氣勘探工業(yè)中，水泥在鉆孔過程中經(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(jiān)視水泥 的固化速率來確保在繼續(xù)鉆孔之前它已經(jīng)凝固了。超聲水泥分析儀（ultrasonic cement analyzer，簡稱UCA）通常用在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室和鉆探平臺(tái)上，利用模擬的壓力和溫度環(huán)境來測試水泥漿樣品以決定樣本最初的固化速率。
在哈里伯頓公司的FANN儀器部門中，我們一直努力要為應(yīng)用設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的UCA。傳統(tǒng)的UCA是利用一系列連接到普通的壓力源上熱壓罐，把水泥固化速率的數(shù)據(jù)讀回到一個(gè)分離的中央計(jì)算機(jī)上。
我們需要一個(gè)獨(dú)立式的解決方案，它既要包含壓力和溫度源，又要包括控制這些源并且把記錄數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到緊湊單元中的計(jì)算機(jī)。在考慮了許多種選項(xiàng)后，我們選擇了NI公司的CompactDAQ平臺(tái)來幫助我們開發(fā)這種新型的獨(dú)立式UCA。
現(xiàn)成的功能
使用NI公司CompactDAQ設(shè)備的主要好處是它提供了現(xiàn)成即用的功能，因?yàn)閷?duì)于工程師來說，利用現(xiàn)成的產(chǎn)品總是比閉門造車容易。我們?cè)瓉淼南?統(tǒng)采用自有設(shè)計(jì)，需要很長的開發(fā)時(shí)間，并且從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器上時(shí)，在軟硬件的重用性方面有著較突出的局限性。由于NI公司的 CompactDAQ設(shè)備具有模塊化的特性，為定制機(jī)器上的UCA添加功能就如同插入一個(gè)新模塊那樣的簡單。新型UCA使用嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，這樣，NI CompactDAQ標(biāo)準(zhǔn)的USB連接特性就可以為我們省去另接外部控制器或者接口卡的麻煩。同時(shí)，通過使用NI LabVIEW來開發(fā)我們的軟件，我們可以顯著地節(jié)省開發(fā)時(shí)間。
選擇一個(gè)在我們的產(chǎn)品線范圍內(nèi)都可以使用的通用平臺(tái)是非常重要的，這樣，我們可以帶著一個(gè)通用底板從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)到另一臺(tái)機(jī)器。NI CompactDAQ設(shè)備的直接互聯(lián)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(dāng)我們?cè)跈C(jī)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(dāng)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(tǒng)上的，這也避免了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電纜連 接。并通過中間連接，而需使用其它部件。
利用NI公司的CompactDAQ模塊，我們可以控制溫度、壓力和斜坡曲線，并且執(zhí)行在獨(dú)立熱壓罐上不可能實(shí)現(xiàn)的其它任務(wù)。我們還可以把這種新型的、獨(dú)立式UCA直接帶到現(xiàn)場的鉆探平臺(tái)上，而在以前，運(yùn)輸整個(gè)系統(tǒng)是極其困難的。
采用NI CompactDAQ來設(shè)計(jì)超聲水泥分析儀，我們減少了自行設(shè)計(jì)硬件的費(fèi)用，還節(jié)省了我們用于新產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)周時(shí)間。而且，由于我們的很多儀器要求具有用 戶指定的功能，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)足夠靈活并可以適用于廣泛的I/O要求是十分重要的，利用NI CompactDAQ的模塊化特性，我們可以從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器，而不需要設(shè)計(jì)我們自己的電路板，因?yàn)樵跀?shù)量很小的情況下那樣做是極不劃算的。
NI公司是一家著名的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供商，其CompactDAQ設(shè)備是獨(dú)立式超聲水泥分析儀的最好、最可靠的選擇。我們的一些設(shè)備在這個(gè)領(lǐng)域里使用了30到50年，所以在未來的幾年里，我們有必要與其它有著優(yōu)良信譽(yù)的公司進(jìn)行合作。