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——USB和Wi-Fi數據采集的優(yōu)勢 作者：美國國家儀器有限公司 Graham Green 過(guò)去20年中，數據采集從一種應用有限的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為可適用于各種高性能測量應用的平臺。通過(guò)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(xué)家可以快速開(kāi)發(fā)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(shù)的發(fā)展提供了一種新的途徑。舉例來(lái)說(shuō)，位于法國的一位NI公司聯(lián)盟伙伴SAPHIR最近開(kāi)發(fā)了一款基于USB的高級聲音和振動(dòng)監測系統，用于幫助其建筑行業(yè)的客戶(hù)實(shí)施結構監測，來(lái)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(jìn)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(wú)線(xiàn)連接，實(shí)現靈活性的最大化。無(wú)線(xiàn)構架提供了更劃算的系統擴展方案�！� 從環(huán)境監測到山地自行車(chē)測試，USB和Wi-Fi DAQ越來(lái)越受到青睞。那么這些DAQ技術(shù)是如何發(fā)展的，您在實(shí)現它們時(shí)需要考慮哪些問(wèn)題呢？ DAQ通常涉及多任務(wù)，如模擬I/O、數字I/O和計數器/定時(shí)器同時(shí)運行。為了實(shí)現這些功能，DAQ設備必須能夠同時(shí)支持多個(gè)數據流，并能快速將數據讀取或寫(xiě)入PC內存。目前，PCI是應用最廣泛的數據采集總線(xiàn)，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(xiàn)控制和直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)通道，允許直接向存儲器傳輸數據流。此外，隨著(zhù)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(zhuān)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(shí)，許多工程師會(huì )轉而選擇使用USB和Wi-Fi。 USB簡(jiǎn)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(guò)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�，F在的工程師和科學(xué)家可以通過(guò)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(lái)說(shuō)，高速USB的60 MB/s理論帶寬對于大多數DAQ應用來(lái)說(shuō)是足夠的；然而，在設計USB DAQ的軟硬件中，為了達到這個(gè)理論帶寬還需要克服幾項障礙。USB是由主機驅動(dòng)的串口協(xié)議，也就是說(shuō)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(huì )降低確定性并增加CPU的負擔。解決該問(wèn)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(gè)限制因素。在標準USB系統中，這一般是基于指令的單線(xiàn)程芯片，它就像一個(gè)開(kāi)關(guān)，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(fā)送數據請求。為滿(mǎn)足這種要求，設備必須盡快使數據在USB端就緒。傳統的‘單線(xiàn)傳輸’構架無(wú)法做到，而全新的NI USB信號流技術(shù)能夠解決這個(gè)問(wèn)題。 
圖1. 采用標準USB的DAQ設備傳輸構架
圖2. 采用基于USB的NI信號流的DAQ設備傳輸構架 作為NI公司的一項專(zhuān)利，USB信號流技術(shù)通過(guò)多線(xiàn)程方法避免了基于處理器的類(lèi)似開(kāi)關(guān)的行為。配合NI-STC 2系統定時(shí)控制器，NI信號流控制器提供4條高速DMA通道，支持向4個(gè)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(shí)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(lái)自主機的指令數量，從而降低延遲。 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(zhù)多條雙向數據流能夠同時(shí)進(jìn)行，NI公司DAQ設備能達到超過(guò)26MB/s的速度。 盡管有上述的進(jìn)展，USB線(xiàn)仍然有5米傳輸的限制。這個(gè)長(cháng)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(dòng)，該延遲對于防止信號反射是必須的。5米線(xiàn)是實(shí)際的最大值。假設最糟糕的延遲時(shí)間，5米hub或USB線(xiàn)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(xiàn)長(cháng)度。也就是說(shuō)USB對于分布式環(huán)境監測等應用來(lái)說(shuō)是不實(shí)用的。 為了擴展測量系統的使用距離，傳統方案是使用線(xiàn)纜式的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，這樣即增加成本又增加復雜性。因此，人們對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )作為替代方案的興趣越來(lái)越濃厚�，F在面臨的挑戰是，在使用新技術(shù)的同時(shí)又保持USB的易配置性。這不僅與新應用的設計有關(guān)，許多現有應用的擴展也可能用到無(wú)線(xiàn)。上文提到的SAPHIR公司的振動(dòng)監測系統最初采用了USB，但由于每個(gè)測試地點(diǎn)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(jiǎn)單且經(jīng)濟。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(zhuān)屬軟件。這使得簡(jiǎn)單應用的構建也變得復雜，并要求極高的成本和工程技術(shù)能力。此外，許多現有的無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)都與單點(diǎn)測量聯(lián)系在一起，而少有數據流波形采集。理想的無(wú)線(xiàn)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(lái)支持100kS/s的數據流采集。 IEEE 802.11也具備足夠可靠性。IEEE 802.11標準規定了無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端之間、無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端和基站或接入點(diǎn)之間的空中接口協(xié)議。標準還規定了物理層(PHY)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)，并針對性地解決了制造商和無(wú)線(xiàn)設備之間的兼容問(wèn)題。連接不符合IEEE標準的無(wú)線(xiàn)DAQ設備往往需要大量努力，同時(shí)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(lái)說(shuō)是必須的呢？ IEEE 802.11的基本連接機制是載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測(CSMA/CA)協(xié)議，與以太網(wǎng)類(lèi)似。任何希望傳輸數據的設備首先監聽(tīng)物理網(wǎng)絡(luò )；如果網(wǎng)絡(luò )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(luò )預定時(shí)間段空閑(DIFS – 分布式幀間隔)，傳輸開(kāi)始。但是當兩臺設備同時(shí)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )空閑時(shí)就會(huì )出現問(wèn)題。兩臺設備都開(kāi)始進(jìn)行傳輸，造成沖突。 在線(xiàn)纜式系統如以太網(wǎng)中，這種沖突很容易被監測和計數，因為所有設備都能“聽(tīng)到”其它設備。而在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，一臺設備可能感知到網(wǎng)絡(luò )空閑，而事實(shí)上目標接收機(放置在中心位置)可能正忙于接收來(lái)自另一臺感知范圍之外的設備的數據。在通常的運行中，接收機在信息中添加一個(gè)校驗和，向設備返回確認(ACK)信息。如果設備沒(méi)有接收到確認信息，即時(shí)檢測到的網(wǎng)絡(luò )仍然是空閑的，但它仍將嘗試繼續發(fā)送請求。 這種數據保護協(xié)議是DAQ應用中必須的，不同于無(wú)線(xiàn)音樂(lè )或視頻流，任何數據丟失都將造成異常結果，使測量結果無(wú)效。IEEE 802.11標準的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品被認為是可靠且靈活的，但400頁(yè)的標準文檔中沒(méi)有提到任何安全性相關(guān)的文字。 許多應用對數據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據的原因。無(wú)線(xiàn)安全性方面的語(yǔ)言可能非常復雜，且涉及更多縮寫(xiě)。所有安全性都是基于各種數據編碼和用戶(hù)權限的組合。編碼標準由多種。首先是WEP(有線(xiàn)等效加密)，接下來(lái)是WPA(Wi-Fi保護訪(fǎng)問(wèn))，但兩種都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi產(chǎn)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(shí)上，國家標準技術(shù)局(NIST)選擇了AES作為編碼標準，所有美國政府機關(guān)都采用該標準。WPA2已被證實(shí)是穩定安全的，可用于各類(lèi)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系統相同的NI-DAQmx驅動(dòng)，可以在無(wú)需重寫(xiě)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(jiǎn)化并加速了向更實(shí)用、功能更強大的Wi-Fi系統的轉化。
圖3. WLS-9163包含NI-9234動(dòng)態(tài)信號采集模塊。 現在，Wi-Fi可以作為簡(jiǎn)單且安全的DAQ選擇，供任何行業(yè)內的科學(xué)家和工程師使用。在那些采用有線(xiàn)方案會(huì )不實(shí)際，不能實(shí)現或者成本太高的應用中，它已經(jīng)成功實(shí)現動(dòng)態(tài)數據傳輸。今天的科學(xué)家和工程師無(wú)需擔心總線(xiàn)帶來(lái)的限制。相反，通過(guò)靈活的軟件和易用的驅動(dòng)，開(kāi)發(fā)人員能夠可以指定選擇適合應用的總線(xiàn)，從高吞吐率的PCI Express到簡(jiǎn)單即插即用配置的USB、或高度靈活性和移動(dòng)性的Wi-Fi�，F在，領(lǐng)域專(zhuān)家掌握了DAQ系統的選擇權，從而更好地滿(mǎn)足他們的需要。 美國國家儀器有限公司供稿 |
