理解下一代數(shù)據(jù)采集技術

　　信號流使得模擬輸入和輸出的單端采集性能分別提高了1600%和250%。這就意味著多條雙向數(shù)據(jù)流能夠同時進行，NI公司DAQ設備能達到超過26MB/s的速度。

　　盡管有上述的進展，USB線仍然有5米傳輸?shù)南拗?。這個長度受限于26ns的延遲標準限制。由于USB使用源端和電壓模式的驅動，該延遲對于防止信號反射是必須的。5米線是實際的最大值。假設最糟糕的延遲時間，5米hub或USB線上連接的全速設備有280ps的停滯。將該值降低為0ps也只能增加0.05米的USB線長度。也就是說USB對于分布式環(huán)境監(jiān)測等應用來說是不實用的。

　　為了擴展測量系統(tǒng)的使用距離，傳統(tǒng)方案是使用線纜式的工業(yè)網(wǎng)絡，這樣即增加成本又增加復雜性。因此，人們對無線網(wǎng)絡作為替代方案的興趣越來越濃厚?，F(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，在使用新技術的同時又保持USB的易配置性。這不僅與新應用的設計有關，許多現(xiàn)有應用的擴展也可能用到無線。上文提到的SAPHIR公司的振動監(jiān)測系統(tǒng)最初采用了USB，但由于每個測試地點都需要一臺筆記本，成本的增加促使他們轉而采用Wi-Fi。這種轉換必須快速、簡單且經濟。

　　無線傳感器網(wǎng)絡的應用已有多年歷史，但在其應用中需要采用定制硬件和專屬軟件。這使得簡單應用的構建也變得復雜，并要求極高的成本和工程技術能力。此外，許多現(xiàn)有的無線傳感器技術都與單點測量聯(lián)系在一起，而少有數(shù)據(jù)流波形采集。理想的無線DAQ方案應提供高性能、易用性、可靠性和安全性?；谝陨?，NI選擇了IEEE 802.11b/g，配以128位AES加密和IEEE 802.11i (WPA2)支持。IEEE 802.11的廣泛使用以及其高達56 MB/s的傳輸速度，提供了易用性和足夠的性能來支持100kS/s的數(shù)據(jù)流采集。

　　IEEE 802.11也具備足夠可靠性。IEEE 802.11標準規(guī)定了無線客戶端之間、無線客戶端和基站或接入點之間的空中接口協(xié)議。標準還規(guī)定了物理層(PHY)和介質訪問控制層(MAC)，并針對性地解決了制造商和無線設備之間的兼容問題。連接不符合IEEE標準的無線DAQ設備往往需要大量努力，同時也使測試變得不可靠的。那么，什么是IEEE 802.11標準，為何它對于DAQ來說是必須的呢?

　　IEEE 802.11的基本連接機制是載波監(jiān)聽多路訪問和沖突檢測(CSMA/CA)協(xié)議，與以太網(wǎng)類似。任何希望傳輸數(shù)據(jù)的設備首先監(jiān)聽物理網(wǎng)絡;如果網(wǎng)絡忙(如其它設備正在傳輸)，就延遲并在之后重新傳輸。如果網(wǎng)絡預定時間段空閑(DIFS – 分布式幀間隔)，傳輸開始。但是當兩臺設備同時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡空閑時就會出現(xiàn)問題。兩臺設備都開始進行傳輸，造成沖突。

　　在線纜式系統(tǒng)如以太網(wǎng)中，這種沖突很容易被監(jiān)測和計數(shù)，因為所有設備都能“聽到”其它設備。而在無線網(wǎng)絡中，一臺設備可能感知到網(wǎng)絡空閑，而事實上目標接收機(放置在中心位置)可能正忙于接收來自另一臺感知范圍之外的設備的數(shù)據(jù)。在通常的運行中，接收機在信息中添加一個校驗和，向設備返回確認(ACK)信息。如果設備沒有接收到確認信息，即時檢測到的網(wǎng)絡仍然是空閑的，但它仍將嘗試繼續(xù)發(fā)送請求。

　　這種數(shù)據(jù)保護協(xié)議是DAQ應用中必須的，不同于無線音樂或視頻流，任何數(shù)據(jù)丟失都將造成異常結果，使測量結果無效。IEEE 802.11標準的無線產品被認為是可靠且靈活的，但400頁的標準文檔中沒有提到任何安全性相關的文字。

　　許多應用對數(shù)據(jù)傳輸提出了安全性要求——出于國家安全的原因或是向潛在競爭對手隱藏數(shù)據(jù)的原因。無線安全性方面的語言可能非常復雜，且涉及更多縮寫。所有安全性都是基于各種數(shù)據(jù)編碼和用戶權限的組合。編碼標準由多種。首先是WEP(有線等效加密)，接下來是WPA(Wi-Fi保護訪問)，但兩種都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi產品符合WPA2標準，并使用AES(高級編碼標準)。它采用了128位密碼，這種密碼比WEP和WPA的算法更難破譯。事實上，國家標準技術局(NIST)選擇了AES作為編碼標準，所有美國政府機關都采用該標準。WPA2已被證實是穩(wěn)定安全的，可用于各類應用包括Wi-Fi DAQ。

　　SAPHIR公司選擇使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒，因為它符合IEEE 802.11協(xié)議和WPA2的安全性。他們使用與之前USB系統(tǒng)相同的NI-DAQmx驅動，可以在無需重寫代碼的前提下升級到Wi-Fi。USB和Wi-Fi外盒都是用相同的C系列平臺，作為采集和信號調理模塊，因此使硬件成本支出最小化。這也簡化并加速了向更實用、功能更強大的Wi-Fi系統(tǒng)的轉化。

　　圖3. WLS-9163包含NI-9234動態(tài)信號采集模塊。

　　現(xiàn)在，Wi-Fi可以作為簡單且安全的DAQ選擇，供任何行業(yè)內的科學家和工程師使用。在那些采用有線方案會不實際，不能實現(xiàn)或者成本太高的應用中，它已經成功實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。今天的科學家和工程師無需擔心總線帶來的限制。相反，通過靈活的軟件和易用的驅動，開發(fā)人員能夠可以指定選擇適合應用的總線，從高吞吐率的PCI Express到簡單即插即用配置的USB、或高度靈活性和移動性的Wi-Fi?，F(xiàn)在，領域專家掌握了DAQ系統(tǒng)的選擇權，從而更好地滿足他們的需要。