理解下一代數據采集技術

　　過去20年中，數據采集從一種應用有限的技術已經發展為可適用于各種高性能測量應用的平臺。通過軟件為核心的圖形化編程和基于PC的模塊化硬件，工程師和科學家可以快速開發功能強大、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技術的發展提供了一種新的途徑。舉例來說，位于法國的一位NI公司聯盟伙伴SAPHIR最近開發了一款基于USB的高級聲音和振動監測系統，用于幫助其建筑行業的客戶實施結構監測，來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)無線連接，實現靈活性的最大化。無線構架提供了更劃算的系統擴展方案。”

　　從環境監測到山地自行車測試，USB和Wi-Fi DAQ越來越受到青睞。那么這些DAQ技術是如何發展的，您在實現它們時需要考慮哪些問題呢?

　　DAQ通常涉及多任務，如模擬I/O、數字I/O和計數器/定時器同時運行。為了實現這些功能，DAQ設備必須能夠同時支持多個數據流，并能快速將數據讀取或寫入PC內存。目前，PCI是應用最廣泛的數據采集總線，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、總線控制和直接存儲器訪問(DMA)通道，允許直接向存儲器傳輸數據流。此外，隨著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，許多工程師會轉而選擇使用USB和Wi-Fi。

　　USB簡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。現在的工程師和科學家可以通過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。舉例來說，高速USB的60 MB/s理論帶寬對于大多數DAQ應用來說是足夠的;然而，在設計USB DAQ的軟硬件中，為了達到這個理論帶寬還需要克服幾項障礙。USB是由主機驅動的串口協議，也就是說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降低確定性并增加CPU的負擔。解決該問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限制因素。在標準USB系統中，這一般是基于指令的單線程芯片，它就像一個開關，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送數據請求。為滿足這種要求，設備必須盡快使數據在USB端就緒。傳統的‘單線傳輸’構架無法做到，而全新的NI USB信號流技術能夠解決這個問題。

　　作為NI公司的一項專利，USB信號流技術通過多線程方法避免了基于處理器的類似開關的行為。配合NI-STC 2系統定時控制器，NI信號流控制器提供4條高速DMA通道，支持向4個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。這樣就能最小化來自主機的指令數量，從而降低延遲。