理解下一代数据采集技术

理解下一代数据采集技术
——USB和Wi-Fi数据采集的优势
美国国家仪器有限公司 Graham Green
过去20年中，数据采集从一种应用有限的技术已经发展为可适用于各种高性能测量应用的平台。通过软件为核心的图形化编程和基于PC的模块化硬件，工程师和科学家可以快速开发功能强大、灵活且可高度自定义的数据采集（DAQ）系统。
在应用中轻松集成USB和Wi-Fi的能力为DAQ技术的发展提供了一种新的途径。举例来说，位于法国的一位NI公司联盟伙伴SAPHIR最近开发了一款基于USB的高级声音和振动监测系统，用于帮助其建筑行业的客户实施结构监测，来遵循临近街区的噪声规定。最近他们又采用Wi-Fi DAQ对其系统进行了扩展。
 “我们采用NI NI WLS-9163外盒配置NI 9234模块将我们的监控站扩大到100米的范围，系统提供了IEEE 802.11g (Wi-Fi)无线连接，实现灵活性的最大化。无线构架提供了更划算的系统扩展方案。”
从环境监测到山地自行车测试，USB和Wi-Fi DAQ越来越受到青睐。那么这些DAQ技术是如何发展的，您在实现它们时需要考虑哪些问题呢？
DAQ通常涉及多任务，如模拟I/O、数字I/O和计数器/定时器同时运行。为了实现这些功能，DAQ设备必须能够同时支持多个数据流，并能快速将数据读取或写入PC内存。目前，PCI是应用最广泛的数据采集总线，并且仍用于最高性能的应用。PCI是DAQ的理想选择，它能提供高带宽、低延迟、总线控制和直接存储器访问(DMA)通道，允许直接向存储器传输数据流。此外，随着PCI Express的出现，如今的超高速和高通道数数据传输应用中的专用通道单槽单向带宽已可达到1GB/s。然而，当便携性和易于部署性比高传输速度更重要时，许多工程师会转而选择使用USB和Wi-Fi。
USB简化了向台式机或笔记本电脑上添加DAQ功能的工作。全世界有超过二十亿的USB端口正在使用，这种通用性使USB成为最直接的选择。现在的工程师和科学家可以通过USB DAQ快速共享设备，系统的便携性和紧凑性也变得更好。
USB在测量应用中也存在对其自身的挑战。举例来说，高速USB的60 MB/s理论带宽对于大多数DAQ应用来说是足够的；然而，在设计USB DAQ的软硬件中，为了达到这个理论带宽还需要克服几项障碍。USB是由主机驱动的串口协议，也就是说操作系统必须初始化所有数据传输请求。这种异步数据传输方式会降低确定性并增加CPU的负担。解决该问题的一种方法是将数据缓冲到设备的额外存储器上。这将有助于克服数据丢失，但却增加了延迟和设备成本。我们真正需要的是一种在USB上支持多DAQ数据传输的方法。在许多设备中，这种想法受到传统板载系统构架的限制。
用于连接DAQ设备和USB端的处理器是其中一个限制因素。在标准USB系统中，这一般是基于指令的单线程芯片，它就像一个开关，成为数据的瓶颈，一次只允许传输一段数据流。为了降低延迟提高吞吐量，主机必须能够连续向设备发送数据请求。为满足这种要求，设备必须尽快使数据在USB端就绪。传统的‘单线传输’构架无法做到，而全新的NI USB信号流技术能够解决这个问题。

 
图2. 采用基于USB的NI信号流的DAQ设备传输构架
作为NI公司的一项专利，USB信号流技术通过多线程方法避免了基于处理器的类似开关的行为。配合NI-STC 2系统定时控制器，NI信号流控制器提供4条高速DMA通道，支持向4个USB端口的直接数据传输。这种方法省去了对处理器资源的占用，此时的处理器可以接受主机的高级指令，将其转化为一系列DAQ设备可接受的寄存器级指令。这样就能最小化来自主机的指令数量，从而降低延迟。
信号流使得模拟输入和输出的单端采集性能分别提高了1600%和250%。这就意味着多条双向数据流能够同时进行，NI公司DAQ设备能达到超过26MB/s的速度。
尽管有上述的进展，USB线仍然有5米传输的限制。这个长度受限于26ns的延迟标准限制。由于USB使用源端和电压模式的驱动，该延迟对于防止信号反射是必须的。5米线是实际的最大值。假设最糟糕的延迟时间，5米hub或USB线上连接的全速设备有280ps的停滞。将该值降低为0ps也只能增加0.05米的USB线长度。也就是说USB对于分布式环境监测等应用来说是不实用的。
为了扩展测量系统的使用距离，传统方案是使用线缆式的工业网络，这样即增加成本又增加复杂性。因此，人们对无线网络作为替代方案的兴趣越来越浓厚。现在面临的挑战是，在使用新技术的同时又保持USB的易配置性。这不仅与新应用的设计有关，许多现有应用的扩展也可能用到无线。上文提到的SAPHIR公司的振动监测系统最初采用了USB，但由于每个测试地点都需要一台笔记本，成本的增加促使他们转而采用Wi-Fi。这种转换必须快速、简单且经济。
无线传感器网络的应用已有多年历史，但在其应用中需要采用定制硬件和专属软件。这使得简单应用的构建也变得复杂，并要求极高的成本和工程技术能力。此外，许多现有的无线传感器技术都与单点测量联系在一起，而少有数据流波形采集。理想的无线DAQ方案应提供高性能、易用性、可靠性和安全性。基于以上，NI选择了IEEE 802.11b/g，配以128位AES加密和IEEE 802.11i (WPA2)支持。IEEE 802.11的广泛使用以及其高达56 MB/s的传输速度，提供了易用性和足够的性能来支持100kS/s的数据流采集。
IEEE 802.11也具备足够可靠性。IEEE 802.11标准规定了无线客户端之间、无线客户端和基站或接入点之间的空中接口协议。标准还规定了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)，并针对性地解决了制造商和无线设备之间的兼容问题。连接不符合IEEE标准的无线DAQ设备往往需要大量努力，同时也使测试变得不可靠的。那么，什么是IEEE 802.11标准，为何它对于DAQ来说是必须的呢？
IEEE 802.11的基本连接机制是载波监听多路访问和冲突检测(CSMA/CA)协议，与以太网类似。任何希望传输数据的设备首先监听物理网络；如果网络忙(如其它设备正在传输)，就延迟并在之后重新传输。如果网络预定时间段空闲(DIFS – 分布式帧间隔)，传输开始。但是当两台设备同时发现网络空闲时就会出现问题。两台设备都开始进行传输，造成冲突。
在线缆式系统如以太网中，这种冲突很容易被监测和计数，因为所有设备都能“听到”其它设备。而在无线网络中，一台设备可能感知到网络空闲，而事实上目标接收机(放置在中心位置)可能正忙于接收来自另一台感知范围之外的设备的数据。在通常的运行中，接收机在信息中添加一个校验和，向设备返回确认(ACK)信息。如果设备没有接收到确认信息，即时检测到的网络仍然是空闲的，但它仍将尝试继续发送请求。
这种数据保护协议是DAQ应用中必须的，不同于无线音乐或视频流，任何数据丢失都将造成异常结果，使测量结果无效。IEEE 802.11标准的无线产品被认为是可靠且灵活的，但400页的标准文档中没有提到任何安全性相关的文字。
许多应用对数据传输提出了安全性要求——出于国家安全的原因或是向潜在竞争对手隐藏数据的原因。无线安全性方面的语言可能非常复杂，且涉及更多缩写。所有安全性都是基于各种数据编码和用户权限的组合。编码标准由多种。首先是WEP(有线等效加密)，接下来是WPA(Wi-Fi保护访问)，但两种都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi产品符合WPA2标准，并使用AES(高级编码标准)。它采用了128位密码，这种密码比WEP和WPA的算法更难破译。事实上，国家标准技术局(NIST)选择了AES作为编码标准，所有美国政府机关都采用该标准。WPA2已被证实是稳定安全的，可用于各类应用包括Wi-Fi DAQ。
SAPHIR公司选择使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒，因为它符合IEEE 802.11协议和WPA2的安全性。他们使用与之前USB系统相同的NI-DAQmx驱动，可以在无需重写代码的前提下升级到Wi-Fi。USB和Wi-Fi外盒都是用相同的C系列平台，作为采集和信号调理模块，因此使硬件成本支出最小化。这也简化并加速了向更实用、功能更强大的Wi-Fi系统的转化。
 
图3. WLS-9163包含NI-9234动态信号采集模块。
现在，Wi-Fi可以作为简单且安全的DAQ选择，供任何行业内的科学家和工程师使用。在那些采用有线方案会不实际，不能实现或者成本太高的应用中，它已经成功实现动态数据传输。今天的科学家和工程师无需担心总线带来的限制。相反，通过灵活的软件和易用的驱动，开发人员能够可以指定选择适合应用的总线，从高吞吐率的PCI Express到简单即插即用配置的USB、或高度灵活性和移动性的Wi-Fi。现在，领域专家掌握了DAQ系统的选择权，从而更好地满足他们的需要。