簡(jiǎn)介
近幾年來(lái)，USB已經(jīng)從用于鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和其它電腦配件的簡(jiǎn)單低速外設(shè)總線，發(fā)展為一種能夠滿(mǎn)足高要求應(yīng)用方案的總線選擇，這其中就包括了數(shù)據(jù)采集 （data acquisition，簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)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)，使得工程師們可以靈活地選擇不同的模塊來(lái)構(gòu)建他們的測(cè)試系統(tǒng)，并滿(mǎn)足 他們的測(cè)試需求。通過(guò)將高速USB標(biāo)準(zhǔn)、全新半導(dǎo)體技術(shù)，以及NI靈活、高效的軟件平臺(tái)和專(zhuān)利的信號(hào)流技術(shù)相結(jié)合，CompactDAQ平臺(tái)不但具有卓越 的性能，并且簡(jiǎn)單易用，使其成為便攜式測(cè)試和控制應(yīng)用的理想選擇。
在評(píng)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(duì)于較低速 物理過(guò)程實(shí)施單點(diǎn)控制的能力。下文將主要闡述NI的專(zhuān)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(lái)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(shì)。
信號(hào)流技術(shù)(Signal-streaming Technology)
NI公司專(zhuān)利的信號(hào)流技術(shù)通過(guò)下列方法，來(lái)滿(mǎn)足上述兩項(xiàng)任務(wù)的性能要求：
l 把部分驅(qū)動(dòng)程序下移到設(shè)備級(jí)，以盡可能減少USB總線上的控制通信流量。
l 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(hào)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(duì)應(yīng)用程序的響應(yīng)靈敏度。
USB構(gòu)架和傳輸機(jī)制：
為了更好的理解這項(xiàng)技術(shù)，這里有必要來(lái)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)部件的高層示意圖。
圖表1：使用USB電纜來(lái)簡(jiǎn)化電腦與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸
在USB通信中，數(shù)據(jù)傳輸總是由USB主機(jī)端（由圖1結(jié)構(gòu)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(guò)將輸入/輸出請(qǐng)求包（I/O request packets，IRP）排隊(duì)來(lái)請(qǐng)求自設(shè)備端的數(shù)據(jù)傳輸。這些請(qǐng)求被傳遞給USB驅(qū)動(dòng)程序，后者把他們分成包。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機(jī)的USB總線通信的硬件。每傳輸一個(gè)包，就要在PC機(jī)與設(shè)備間進(jìn)行一次交互。圖２顯示了USB輸入和輸出交互實(shí)例。
圖2 USB主機(jī)端通過(guò)輸入令牌后接數(shù)據(jù)和握手包來(lái)發(fā)起交互
在每次交互中，主控制器以令牌包為開(kāi)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)的流向和設(shè)備上特定的數(shù)據(jù)源地址。這個(gè)特定的數(shù)據(jù)源被稱(chēng) 為USB終端。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，USB終端包括模擬信號(hào)輸入、模擬信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)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(lái)結(jié)束交互。
當(dāng)交互由于傳輸錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)無(wú)法獲取或者設(shè)備沒(méi)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)樗麄兛赡軙?huì)造成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。NI公司的信號(hào)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。
信號(hào)流綜述
按照慣例來(lái)說(shuō)，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)式方法會(huì)導(dǎo)致了主要的延時(shí)，并且 會(huì)降低響應(yīng)靈敏性和設(shè)備性能。NI公司的信號(hào)流技術(shù)使用設(shè)備上連接USB接口和數(shù)據(jù)采集接口的DMA通道來(lái)進(jìn)行傳輸，以取代傳統(tǒng)的方法(如圖3所示)。
