采用CompactDAQ平臺(tái)提高USB數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的性能

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)用需要的總線選擇，這其中就包括了數(shù)據(jù)采集(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)，使得工程師們可以根據(jù)自身的測試需要，靈活地選擇不同的模塊來構(gòu)建他們自己的測試系統(tǒng)。通過將高速USB標(biāo)準(zhǔn)、全新的半導(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任務(wù)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，二是對于較低速的物理過程實(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。

信號流技術(shù)

NI公司專利的信號流技術(shù)(Signal-streaming Technology)通過下列方法，來滿足上述兩項(xiàng)任務(wù)的性能要求：

1. 把部分驅(qū)動(dòng)任務(wù)下移到設(shè)備級，以盡可能減少USB總線上的控制通信流量。
2. 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)備對應(yīng)用程序的響應(yīng)速度。

USB架構(gòu)和傳輸機(jī)制

為了更好地理解這項(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)部分的高層示意圖。

在USB通信中，數(shù)據(jù)傳輸總是由USB主機(jī)端(由圖1裝置中的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/輸出請求包(IRP)排隊(duì)，以請求來自設(shè)備端的數(shù)據(jù)傳輸。這些請求被傳遞給USB驅(qū)動(dòng)程序，后者把它們分成包。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的USB總線通信的硬件。每傳輸一個(gè)包，就要在PC與設(shè)備間進(jìn)行一次交互。圖２顯示了USB輸入和輸出交互的實(shí)例。

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)的流向和在設(shè)備中尋址的特定的數(shù)據(jù)源。這個(gè)特定的數(shù)據(jù)源被稱為USB終端(endpoint)。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，USB終端包括模擬信號輸入、模擬信號輸出和數(shù)字信號輸入。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)樗鼈兛赡軙?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。

圖1：使用USB線纜來簡化電腦與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸

圖２：USB主機(jī)端通過先輸入令牌，然后是數(shù)據(jù)和握手包，來發(fā)起交互

信號流綜述

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)方式會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的延時(shí)，并且會(huì)降低響應(yīng)速度和設(shè)備性能。NI公司的信號流技術(shù)使用設(shè)備本地的DMA通道連接USB接口和數(shù)據(jù)采集接口，取代了傳統(tǒng)的傳輸方式(如圖3所示)。

圖3： 每一個(gè)DAQ I/O DMA通道都會(huì)與USB接口終端進(jìn)行直接數(shù)據(jù)收發(fā)，以獲得高的吞吐量。

圖中的數(shù)據(jù)采集I/O端口的每個(gè)DMA通道都表示一個(gè)特定的數(shù)據(jù)采集功能(例如模擬信號輸入)，并且被映射到USB接口相對應(yīng)的終端上。通過這種映射，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集I/O端口通道直接從對應(yīng)的USB終端的緩存收發(fā)數(shù)據(jù)流，而無需與控制器進(jìn)行交互。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)備對于主機(jī)端的數(shù)據(jù)請求響應(yīng)的數(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，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。

最小的采集設(shè)置時(shí)間

這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)重要特性是它的底層軟件，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)備上有專門的電路來接收從主機(jī)發(fā)出的函數(shù)調(diào)用，并且進(jìn)行系統(tǒng)配置操作，如寫寄存器等。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)都需要大量的設(shè)置時(shí)間——比如設(shè)置控制寄存器。按照慣例，主機(jī)通過USB總線對所有的設(shè)置進(jìn)行控制，這樣就使得設(shè)置時(shí)間變長。現(xiàn)在通過這種全新的信號流技術(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，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)置每個(gè)寄存器。最近的測試表明，利用信號流技術(shù)，設(shè)備的單點(diǎn)式采集速率性能大幅度提高，性能可提高至1,600%。

NI公司的信號流技術(shù)對USB設(shè)備的響應(yīng)速度也進(jìn)行了改善。通常來說，對于點(diǎn)數(shù)一定的采集集合來說，比如10,000個(gè)點(diǎn)，在采集到10,000個(gè)點(diǎn)之前，用戶不能訪問數(shù)據(jù)的任何一個(gè)子集。利用信號流技術(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10,000個(gè)采樣點(diǎn)，并且要求立即獲取第一個(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10,000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9,999個(gè)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)速度。通過使用這種新技術(shù)，高性能、高速度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如新型的USB M型和新型的NI CompactDAQ平臺(tái)，能夠以高達(dá)3.2MS/s的速度進(jìn)行采集。

NI CompactDAQ的應(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。它具有與筆記本進(jìn)行USB連接的能力和小的體積，這使得它具有優(yōu)異的便攜性能。同時(shí)其具有的低功耗需求、12V電池和與傳感器的直接連接性，使得它非常適合于車載數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用。

本田公司把這項(xiàng)解決方案運(yùn)用于車載數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用，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)、聲音和車輛測量結(jié)果。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)的便攜性使得把硬件裝置直接帶到現(xiàn)場成為可能。

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)研發(fā)工程師Mike Dickinson這樣評論：“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)的電纜和設(shè)備轉(zhuǎn)化成了一個(gè)更小、更整潔、成本更低并且更直觀的組件?！?/P>

下一項(xiàng)應(yīng)用方案，請看由哈里伯頓公司(Halliburton)的一位工程師寫的用戶解決方案。

利用NI公司的CompactDAQ平臺(tái)開發(fā)出高度可靠且持久耐用的超聲波水泥分析儀

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。超聲波水泥分析儀(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，以確定樣本最初的固化速率。

哈里伯頓公司的FANN儀器部門一直努力要為應(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共用的壓力源上的熱壓罐，把水泥固化速率的數(shù)據(jù)讀回到一個(gè)獨(dú)立的中央計(jì)算機(jī)上。

表１：NI公司信號流技術(shù)對于單點(diǎn)式采集性能的改進(jìn)

我們需要一個(gè)獨(dú)立式的解決方案，它要包含壓力和溫度源以及控制這些源的計(jì)算機(jī)，并能在一個(gè)緊湊的單元中存儲(chǔ)記錄的數(shù)據(jù)。在考慮了許多種選擇后，最終我們選擇了NI公司的CompactDAQ平臺(tái)，來幫助開發(fā)這種新型的獨(dú)立式UCA。

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τ诠こ處焷碚f，利用現(xiàn)成的產(chǎn)品總是比閉門造車容易。我們原來的系統(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表現(xiàn)出較明顯的局限性。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外部控制器或者接口卡。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)備的直接互連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)我們在機(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)對點(diǎn)的電纜連接。而且通過中間連接，無需使用其它部件。

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)超聲波水泥分析儀，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，所以需要數(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，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很不劃算的。

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)立式超聲波水泥分析儀的最好、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，我們與其它有著優(yōu)良信譽(yù)的公司進(jìn)行合作是非常重要的。我們不僅預(yù)計(jì)在未來的儀器設(shè)計(jì)中將使用NI公司的CompactDAQ模塊，而且我們計(jì)劃在現(xiàn)場使用的儀器中引入NI公司的CompactDAQ進(jìn)行儀器的更新。