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(shì)。

　　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。