理解下一代數(shù)據(jù)采集技術(shù)

理解下一代數(shù)據(jù)采集技術(shù)
——USB和Wi-Fi數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢
美國國家儀器有限公司 Graham Green
過去20年中，數(shù)據(jù)采集從一種應(yīng)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(yīng)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(xué)家可以快速開發(fā)功能強(qiáng)大、靈活且可高度自定義的數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)。
在應(yīng)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。舉例來說，位于法國的一位NI公司聯(lián)盟伙伴SAPHIR最近開發(fā)了一款基于USB的高級聲音和振動監(jiān)測系統(tǒng)，用于幫助其建筑行業(yè)的客戶實(shí)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測，來遵循臨近街區(qū)的噪聲規(guī)定。最近他們又采用Wi-Fi DAQ對其系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展。
 “我們采用NI NI WLS-9163外盒配置NI 9234模塊將我們的監(jiān)控站擴(kuò)大到100米的范圍，系統(tǒng)提供了IEEE 802.11g (Wi-Fi)無線連接，實(shí)現(xiàn)靈活性的最大化。無線構(gòu)架提供了更劃算的系統(tǒng)擴(kuò)展方案?！?br />從環(huán)境監(jiān)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(shù)是如何發(fā)展的，您在實(shí)現(xiàn)它們時需要考慮哪些問題呢？
DAQ通常涉及多任務(wù)，如模擬I/O、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時器同時運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，DAQ設(shè)備必須能夠同時支持多個數(shù)據(jù)流，并能快速將數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭隤C內(nèi)存。目前，PCI是應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)采集總線，并且仍用于最高性能的應(yīng)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(shù)據(jù)流。此外，隨著PCI Express的出現(xiàn)，如今的超高速和高通道數(shù)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中的專用通道單槽單向帶寬已可達(dá)到1GB/s。然而，當(dāng)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(zhuǎn)而選擇使用USB和Wi-Fi。
USB簡化了向臺式機(jī)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(xiàn)在的工程師和科學(xué)家可以通過USB DAQ快速共享設(shè)備，系統(tǒng)的便攜性和緊湊性也變得更好。
USB在測量應(yīng)用中也存在對其自身的挑戰(zhàn)。舉例來說，高速USB的60 MB/s理論帶寬對于大多數(shù)DAQ應(yīng)用來說是足夠的；然而，在設(shè)計(jì)USB DAQ的軟硬件中，為了達(dá)到這個理論帶寬還需要克服幾項(xiàng)障礙。USB是由主機(jī)驅(qū)動的串口協(xié)議，也就是說操作系統(tǒng)必須初始化所有數(shù)據(jù)傳輸請求。這種異步數(shù)據(jù)傳輸方式會降低確定性并增加CPU的負(fù)擔(dān)。解決該問題的一種方法是將數(shù)據(jù)緩沖到設(shè)備的額外存儲器上。這將有助于克服數(shù)據(jù)丟失，但卻增加了延遲和設(shè)備成本。我們真正需要的是一種在USB上支持多DAQ數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒āＴ谠S多設(shè)備中，這種想法受到傳統(tǒng)板載系統(tǒng)構(gòu)架的限制。
用于連接DAQ設(shè)備和USB端的處理器是其中一個限制因素。在標(biāo)準(zhǔn)USB系統(tǒng)中，這一般是基于指令的單線程芯片，它就像一個開關(guān)，成為數(shù)據(jù)的瓶頸，一次只允許傳輸一段數(shù)據(jù)流。為了降低延遲提高吞吐量，主機(jī)必須能夠連續(xù)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請求。為滿足這種要求，設(shè)備必須盡快使數(shù)據(jù)在USB端就緒。傳統(tǒng)的‘單線傳輸’構(gòu)架無法做到，而全新的NI USB信號流技術(shù)能夠解決這個問題。

 
圖2. 采用基于USB的NI信號流的DAQ設(shè)備傳輸構(gòu)架
作為NI公司的一項(xiàng)專利，USB信號流技術(shù)通過多線程方法避免了基于處理器的類似開關(guān)的行為。配合NI-STC 2系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jī)的高級指令，將其轉(zhuǎn)化為一系列DAQ設(shè)備可接受的寄存器級指令。這樣就能最小化來自主機(jī)的指令數(shù)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%。這就意味著多條雙向數(shù)據(jù)流能夠同時進(jìn)行，NI公司DAQ設(shè)備能達(dá)到超過26MB/s的速度。
盡管有上述的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)限制。由于USB使用源端和電壓模式的驅(qū)動，該延遲對于防止信號反射是必須的。5米線是實(shí)際的最大值。假設(shè)最糟糕的延遲時間，5米hub或USB線上連接的全速設(shè)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(yīng)用來說是不實(shí)用的。
為了擴(kuò)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(luò)，這樣即增加成本又增加復(fù)雜性。因此，人們對無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)的同時又保持USB的易配置性。這不僅與新應(yīng)用的設(shè)計(jì)有關(guān)，許多現(xiàn)有應(yīng)用的擴(kuò)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(diǎn)都需要一臺筆記本，成本的增加促使他們轉(zhuǎn)而采用Wi-Fi。這種轉(zhuǎn)換必須快速、簡單且經(jīng)濟(jì)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已有多年歷史，但在其應(yīng)用中需要采用定制硬件和專屬軟件。這使得簡單應(yīng)用的構(gòu)建也變得復(fù)雜，并要求極高的成本和工程技術(shù)能力。此外，許多現(xiàn)有的無線傳感器技術(shù)都與單點(diǎn)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(yīng)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無線客戶端之間、無線客戶端和基站或接入點(diǎn)之間的空中接口協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制層(MAC)，并針對性地解決了制造商和無線設(shè)備之間的兼容問題。連接不符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的無線DAQ設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，為何它對于DAQ來說是必須的呢？
IEEE 802.11的基本連接機(jī)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(shè)備首先監(jiān)聽物理網(wǎng)絡(luò)；如果網(wǎng)絡(luò)忙(如其它設(shè)備正在傳輸)，就延遲并在之后重新傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)預(yù)定時間段空閑(DIFS – 分布式幀間隔)，傳輸開始。但是當(dāng)兩臺設(shè)備同時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空閑時就會出現(xiàn)問題。兩臺設(shè)備都開始進(jìn)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(jì)數(shù)，因?yàn)樗性O(shè)備都能“聽到”其它設(shè)備。而在無線網(wǎng)絡(luò)中，一臺設(shè)備可能感知到網(wǎng)絡(luò)空閑，而事實(shí)上目標(biāo)接收機(jī)(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(shè)備的數(shù)據(jù)。在通常的運(yùn)行中，接收機(jī)在信息中添加一個校驗(yàn)和，向設(shè)備返回確認(rèn)(ACK)信息。如果設(shè)備沒有接收到確認(rèn)信息，即時檢測到的網(wǎng)絡(luò)仍然是空閑的，但它仍將嘗試?yán)^續(xù)發(fā)送請求。
這種數(shù)據(jù)保護(hù)協(xié)議是DAQ應(yīng)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(jié)果，使測量結(jié)果無效。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線產(chǎn)品被認(rèn)為是可靠且靈活的，但400頁的標(biāo)準(zhǔn)文檔中沒有提到任何安全性相關(guān)的文字。
許多應(yīng)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?cái)?shù)據(jù)的原因。無線安全性方面的語言可能非常復(fù)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(quán)限的組合。編碼標(biāo)準(zhǔn)由多種。首先是WEP(有線等效加密)，接下來是WPA(Wi-Fi保護(hù)訪問)，但兩種都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi產(chǎn)品符合WPA2標(biāo)準(zhǔn)，并使用AES(高級編碼標(biāo)準(zhǔn))。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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)選擇了AES作為編碼標(biāo)準(zhǔn)，所有美國政府機(jī)關(guān)都采用該標(biāo)準(zhǔn)。WPA2已被證實(shí)是穩(wěn)定安全的，可用于各類應(yīng)用包括Wi-Fi DAQ。
SAPHIR公司選擇使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒，因?yàn)樗螴EEE 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(qū)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(diào)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(shí)用、功能更強(qiáng)大的Wi-Fi系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(nèi)的科學(xué)家和工程師使用。在那些采用有線方案會不實(shí)際，不能實(shí)現(xiàn)或者成本太高的應(yīng)用中，它已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。今天的科學(xué)家和工程師無需擔(dān)心總線帶來的限制。相反，通過靈活的軟件和易用的驅(qū)動，開發(fā)人員能夠可以指定選擇適合應(yīng)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(lǐng)域?qū)＜艺莆樟薉AQ系統(tǒng)的選擇權(quán)，從而更好地滿足他們的需要。