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作者：Serges Lemo，NI全球數據采集產品市場工程師 簡介 近幾年來，USB已經從用于鼠標、鍵盤和其它電腦配件的簡單低速外設總線，發展為一種能夠滿足高要求應用方案的總線選擇，這其中就包括了數據采集 （data acquisition，簡稱DAQ）應用。一份最近由Sensors雜志做的網上調查顯示，相比于其它總線，工程師們更傾向于在他們的下一個數據采集應 用中使用USB總線。 隨著USB總線的廣泛應用，許多數據采集公司都開始致力于縮小USB與諸如PCI和PXI等嵌入式DAQ設備間的性能差距。NI公司剛剛發布的 CompactDAQ平臺就是一個例證。CompactDAQ平臺采用模塊化的設計，使得工程師們可以靈活地選擇不同的模塊來構建他們的測試系統，并滿足 他們的測試需求。通過將高速USB標準、全新半導體技術，以及NI靈活、高效的軟件平臺和專利的信號流技術相結合，CompactDAQ平臺不但具有卓越 的性能，并且簡單易用，使其成為便攜式測試和控制應用的理想選擇。 在評價USB數據采集設備性能的時候，需要著重考慮兩種主要的性能表現：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 物理過程實施單點控制的能力。下文將主要闡述NI的專利技術如何達到這些性能要求，并且還將給出應用實例來介紹如何發揮新型NI CompactDAQ平臺在高性能和易用性方面的優勢。 信號流技術(Signal-streaming Technology) NI公司專利的信號流技術通過下列方法，來滿足上述兩項任務的性能要求： l 把部分驅動程序下移到設備級，以盡可能減少USB總線上的控制通信流量。 l 在設備內部實現數據采集和USB總線兩部分間的DMA傳輸，以確保主機可以隨時調用所需數據。 這種新型的信號流技術最大限度地改善了USB總線的總吞吐量，并且優化了設備對應用程序的響應靈敏度。 USB構架和傳輸機制： 為了更好的理解這項技術，這里有必要來回顧一下USB總線的傳輸機制。圖1給出了數據采集設備中，USB數據傳輸的相關部件的高層示意圖。 
圖表1：使用USB電纜來簡化電腦與設備間的數據傳輸 在USB通信中，數據傳輸總是由USB主機端（由圖1結構中的PC機所表示）發起的。應用軟件（如NI LabVIEW和NI-DAQmx等）通過將輸入/輸出請求包（I/O request packets，IRP）排隊來請求自設備端的數據傳輸。這些請求被傳遞給USB驅動程序，后者把他們分成包。這些包被傳遞給USB主控制器，由其發送給 設備。USB主控制器是用于控制PC機的USB總線通信的硬件。每傳輸一個包，就要在PC機與設備間進行一次交互。圖２顯示了USB輸入和輸出交互實例。
圖2 USB主機端通過輸入令牌后接數據和握手包來發起交互 在每次交互中，主控制器以令牌包為開始發起數據傳輸。這個令牌包提供了目標設備的地址、數據的流向和設備上特定的數據源地址。這個特定的數據源被稱 為USB終端。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，那么設備會響應并發送數據 包，最后主機發送一個握手包來結束交互。 當交互由于傳輸錯誤、數據無法獲取或者設備沒有準備好而失敗時，主機會把此次交互重新安排到下一個可用的時間段。這些重新安排要盡量減到最小限度， 因為他們可能會造成嚴重的數據傳輸延時。NI公司的信號流技術在設備的數據采集和USB總線部分之間實現了高速數據通道，將這些重試的發生次數減小到最低 限度。 信號流綜述 按照慣例來說，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式方法會導致了主要的延時，并且 會降低響應靈敏性和設備性能。NI公司的信號流技術使用設備上連接USB接口和數據采集接口的DMA通道來進行傳輸，以取代傳統的方法(如圖3所示)。
圖3 每一個數據采集I/O端口的DMA通道都會以高吞吐量與USB接口終端間進行數據收發 圖中的每個數據采集I/O端口的DMA通道都表示一個特定的數據采集功能（例如模擬信號輸入），并且被映射為USB接口相對應的終端上。通過這種映 射，每一個DAQ I/O端口通道直接從對應的USB終端緩存收發數據流，而不涉及與控制器的交互。這種傳輸機制保證了一旦數據有效，會立即在USB總線 上得到收發，同時設備對于主機端的數據請求響應數量會達到最大限度。 根據USB協議，USB終端是獨立進行工作的，所以在設備上實現的DMA映射，實際上就是在USB 總線上為設備上的６條高速信號通道提供不同的數 據采集功能。利用這項技術的設備，諸如NI公司M系列多功能USB數據采集設備，可以在USB總線上獲得高達16MS/s的吞吐量。 最小的采集建立時間 這項技術的另一條重要性能是它的底層軟件，它智能化地把設備上的非數據型USB總線通信降低到最小。設備上有專門電路來接收從主機發出的函數調用， 并且進行諸如寫寄存器等的系統配置操作。通過這個額外的特性，主機可以發出一個函數并且把寫寄存器的操作留給設備去完成，以盡可能減少USB總線上的非數 據傳輸。 在單點式采集應用中，采集每個點都需要大量的建立時間——比如建立控制寄存器。按照慣例，主機通過USB總線對所有的建立進行控制，這樣就使得建立 時間變長。現在通過這種全新的信號流技術，設備上的控制器可以通過配置設備來進行單點式數據采集，而同時主機再也不需要通過從USB總線發送命令來設定每 個寄存器。最近的測試表明，利用信號流技術，設備單點式采集的速率性能大幅度提高，增加可高達1600%。
表格１NI公司信號流技術對于單點式采集性能的改進 NI公司的信號流技術對USB設備的響應靈敏度也進行了改善。按照慣例來說，對于點數一定的采集集合來說，比如10000點，那么在采集到 10000個點之前，用戶不能訪問到數據集的任何一個子集。利用信號流技術，設備采集到數據即可實現發送。每個信號流又配有一個標志寄存器來告訴設備需要 發送多少子集采樣點。當達到那個數目之后，可用的采樣點被發送給主機端應用程序并且傳輸中止。同時，在主機端，另一項傳輸任務被制定以獲取其余的采樣點。 比如，如果需要10000個采樣點，并且要求即刻獲取第一個采樣點，那么用戶可以把標志寄存器設為1，那么采集到的第一個采樣點就被發送出來，并終止 10000個采樣點的傳輸。同時，另一個傳輸任務被制定來獲得其余的9999的采樣點。 NI公司的數據流技術同時運用軟硬件以顯著地改善USB總線的吞吐量和數據采集的響應靈敏度。使用這種新技術，高性能、高速度的數據采集設備，諸如新型的USB M型和新型的NI CompactDAQ平臺，可以以高達3.2MS/s的速度進行采樣。 NI CompactDAQ應用方案 作為一項通用的數據采集解決平臺，NI CompactDAQ平臺適用于很多類型的測試和控制應用。它滿足了筆記本USB連接、小體積，以及低功耗需求，12V的電池，使得它具有優異的便攜性 能。同時，得益于與傳感器的直接連接性，車載數據記錄的應用是這個平臺的強項之一所在。 把這項解決方案運用于車載數據記錄應用的公司之一是本田公司，在他們的項目中，CompactDAQ平臺被用于進行車內的懸掛測試，用于記錄振動、 聲音和車輛測量。此外，需要著重指出的是這項任務在測試實驗室中也會經常用到; 同時因為CompactDAQ平臺的便攜性使得在現場直接進行硬件設置成為可能。 在完成了基于CompactDAQ平臺的系統之后，美國本田研發中心的傳動研究工程師Mike Dickinson這樣評論:“這個系統為我們的車載數據采集方法帶來了革新。通過CompactDAQ系統，我們把無數的電線和設備轉化成了一個更小、 更整潔、更高性價比的并且更直觀的組件。” 下一項應用方案，請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平臺開發出高度可靠且持久的超聲水泥分析儀》。 在油氣勘探工業中，水泥在鉆孔過程中經常要用到，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 的固化速率來確保在繼續鉆孔之前它已經凝固了。超聲水泥分析儀（ultrasonic cement analyzer，簡稱UCA）通常用在現場實驗室和鉆探平臺上，利用模擬的壓力和溫度環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用設計一個獨立的UCA。傳統的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據讀回到一個分離的中央計算機上。 我們需要一個獨立式的解決方案，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據儲存到緊湊單元中的計算機。在考慮了許多種選項后，我們選擇了NI公司的CompactDAQ平臺來幫助我們開發這種新型的獨立式UCA。 現成的功能 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，因為對于工程師來說，利用現成的產品總是比閉門造車容易。我們原來的系 統采用自有設計，需要很長的開發時間，并且從一臺機器轉移到另一臺機器上時，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新模塊那樣的簡單。新型UCA使用嵌入式工業計算機，這樣，NI CompactDAQ標準的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，通過使用NI LabVIEW來開發我們的軟件，我們可以顯著地節省開發時間。 選擇一個在我們的產品線范圍內都可以使用的通用平臺是非常重要的，這樣，我們可以帶著一個通用底板從一臺機器轉到另一臺機器。NI CompactDAQ設備的直接互聯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，我們可以從NI CompactDAQ模塊上方便地把連接頭拔下，并且當模塊產生故障時我們可以馬上進行更換。由于連接頭是直接連到系統上的，這也避免了點對點的電纜連 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，并且執行在獨立熱壓罐上不可能實現的其它任務。我們還可以把這種新型的、獨立式UCA直接帶到現場的鉆探平臺上，而在以前，運輸整個系統是極其困難的。 采用NI CompactDAQ來設計超聲水泥分析儀，我們減少了自行設計硬件的費用，還節省了我們用于新產品開發的數周時間。而且，由于我們的很多儀器要求具有用 戶指定的功能，所以數據采集系統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極不劃算的。 NI公司是一家著名的數據采集系統提供商，其CompactDAQ設備是獨立式超聲水泥分析儀的最好、最可靠的選擇。我們的一些設備在這個領域里使用了30到50年，所以在未來的幾年里，我們有必要與其它有著優良信譽的公司進行合作。 NI公司供稿 |
