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採用CompactDAQ平台提高USB數據採集應用性能

上網時間: 2007年01月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DAQ  訊號串流技術  CompactDAQ  數據採集 

近年來,USB已經從用於滑鼠、鍵盤和其它電腦配件的簡單低速週邊設備匯流排,發展為一種能夠滿足高要求應用需要的匯流排選擇,其中包括了數據採集(DAQ)應用。相較於其它匯流排,許多工程師更傾向於在下一個數據採集應用中使用USB匯流排。

隨著USB匯流排的廣泛應用,許多數據採集公司都開始致力於縮小USB與諸如PCI和PXI等嵌入式DAQ設備間的性能差距。NI公司甫發佈的CompactDAQ平台即為一個例證。CompactDAQ平台採用模組化的設計,使工程師們可根據自身的測試需求,靈活地選擇不同模組來建構測試系統。透過整合高速USB標準、全新的半導體技術,以及NI的軟體平台和訊號串流技術,CompactDAQ平台不僅具有良好性能,而且簡單易用,使其成為可攜式測試和控制應用的選擇之一。

在評估USB數據採集設備性能時,需著重考慮兩種主要任務的性能表現:一是把採集到的大量緩衝數據傳輸到PC記憶體中的能力,二是對較低速設備實施單點控制的能力。本文將闡述NI的技術如何達到這些性能要求,並提供應用實例介紹如何使用NI CompactDAQ平台。

訊號串流技術

NI的訊號串流技術(Signal-streaming Technology)主要透過下列方法滿足上述兩項任務的性能要求:1. 把部份驅動任務下移到設備級,以盡可能減少USB匯流排上的控制通訊流量;2. 在設備內部實現數據採集和USB匯流排兩部份間的DMA傳輸,以確保主機可以隨時調用所需數據。

訊號串流技術能大幅改善USB匯流排的總吞吐量,並最佳化設備對應用程式的響應速度。為更好地瞭解這項技術,此處將先回顧USB匯流排的傳輸機制。圖1為在數據採集設備中,USB數據傳輸相關部份的高層示意圖。

在USB通訊中,數據傳輸是由USB主機端發起的。應用軟體(如NI LabVIEW和NI-DAQmx等)透過將輸入/輸出請求封包(IRP)排成佇列,以請求來自設備端的數據傳輸。這些請求被傳遞給USB驅動程式,後者把它們分成封包。這些封包被傳遞給USB主控制器,由其發送給設備。USB主控制器是用於控制PC的USB匯流排通訊硬體。每傳輸一個封包,就必須使PC與設備進行一次互動。圖2顯示了USB輸入和輸出互動的實例。

在每次互動中,主控制器以令牌封包為開始發起數據傳輸。這個令牌封包提供了目標設備的地址、數據流向和在設備中尋址的特定數據來源。這個特定的數據來源被稱為USB終端(endpoint)。在數據採集設備中,USB終端包括類比訊號輸入、類比訊號輸出和數位訊號輸入。在令牌封包後面,如果數據是可用的,那麼設備會響應同步送數據封包,最後主機發送一個握手封包來結束互動。

當互動由於傳輸錯誤、數據無法獲取或設備沒有準備好而失敗時,主機會把此次互動重新安排到下一個可用的時間區段。這些重新安排要盡量減到最小,因為它們可能會造成嚴重的數據傳輸延遲。NI的訊號串流技術在設備的數據採集和USB匯流排部份之間實現了高速數據通道,將這些重試的產生次數減少到最小。


圖1:使用USB纜線來簡化電腦與設備間的數據傳輸。


圖2:USB主機端透過先輸入令牌,然後是數據和握手封包,來發起互動

訊號串流綜述

依照慣例,設備上的控制器負責處理數據採集,或是輸入/輸出端與USB介面間的數據傳輸。這種傳統的中斷驅動方式會導致嚴重的延遲,並降低響應速度和設備性能。NI的訊號串流技術使用設備本地的DMA通道連接USB介面和數據採集介面,取代了傳統的傳輸方式(圖3)。


圖3: 每一個DAQ I/O DMA通道都會與USB介面終端進行直接數據收發,以獲得高的吞吐量。

圖3中數據採集I/O埠的每個DMA通道都表示一個特定的數據採集功能(如類比訊號輸入),並被映射到USB介面相對應的終端上。透過這種映射,每一個數據採集I/O埠通道直接從對應的USB終端的緩衝記憶體收發數據串流,而無需與控制器進行互動。這種傳輸機制保證了一旦數據有效,會立即在USB匯流排上得到收發,同時設備對於主機端的數據請求響應的數量會達到最大。

根據USB協議,USB終端是獨立進行工作的,所以在設備上實現的DMA映射,實際上就是在USB匯流排上為設備上的6條高速訊號通道提供不同的數據採集功能。利用這項技術的設備,如NI M系列多功能USB數據採集設備,可以在USB匯流排上獲得16MS/s的吞吐量。

最小的採集設置時間

這項技術的另一個重要特性是其底層軟體,能智慧化地把設備上的非數據型USB匯流排通訊降到最小。設備上有專門的電路接收從主機發出的函數調用,並進行系統配置,如寫入暫存器等。透過這個額外特性,主機可發出一個函數並把寫入暫存器的作業留給設備去完成,以盡可能減少USB匯流排上的非數據傳輸。

在單點式採集應用中,採集每個點都需要大量的設置時間─如設置控制暫存器。依照慣例,主機透過USB匯流排對所有的設置進行控制,這會使設置時間變長。現在,透過訊號串流技術,設備上的控制器可透過配置設備進行單點式數據採集,同時主機也不需要透過從USB匯流排發送命令來設置每個暫存器。最近的測試顯示,利用訊號串流技術,設備的單點式採集速率性能大幅提升,性能可提高1,600%。

訊號串流技術對USB設備的響應速度也進行了改善。通常對點數一定的採集集合來說,如10,000個點,在採集到10,000個點之前,用戶不能存取數據的任何一個子集。利用訊號串流技術,設備採集到數據即可實現發送。每個訊號串流又配有一個標誌暫存器來告訴設備需發送多少子集採樣點。當達到該數字,可用的採樣點被發送給主機端應用程式並中止傳輸。同時,在主機端,另一項傳輸任務會被制訂以獲取其餘的採樣點。例如,若需要10,000個採樣點,並要求立即獲取第一個採樣點,那麼用戶可以把標誌暫存器設為1,那麼採集到的第一個採樣點就被發送出來,並終止10,000個採樣點的傳輸。同時,另一個傳輸任務被制訂為獲得其餘的9,999個採樣點。

數據串流技術透過同時運用軟硬體顯著地改善USB匯流排的吞吐量和數據採集響應速度。透過使用這種新技術,高性能、高速度的數據採集設備,如新型的USB M型和新型的NI CompactDAQ平台,能以3.2MS/s的速度進行採集。


表1:NI公司訊號串流技術對於單點式採集性能的改進

NI CompactDAQ應用方案

作為一種通用的數據採集方案,NI CompactDAQ平台適用於多種測試和控制應用。它具有與筆記型電腦進行USB連接的能力和小體積特性,這使其具有良好的可攜性能。同時其低功耗需求、12V電池和與感測器的直接連接性,也使它非常適合車載數據記錄應用。

就實際應用而言,本田公司已經把該方案用於車載數據記錄應用,本田主要用CompactDAQ平台進行車內懸掛測試,以記錄振動、聲音和車輛測量結果。另外,Halliburton公司也已採用CompactDAQ平台開發出超音波水泥分析儀(ultrasonic cement analyzer,UCA)。

在油氣勘探產業中,水泥在鑽孔過程中經常要用到,以確保鑽孔後,管套被放置在正確的位置。鑽好的孔通常有幾千英呎深,必須確認水泥的固化速率,以確保在繼續鑽孔之前水泥已經凝固。超音波水泥分析儀通常用在現場實驗室和鑽探平台上,利用模擬的壓力和溫度環境來測試水泥漿樣品,以確定樣本最初的固化速率。

作者:

Serges Lemo

數據採集產品行銷工程師

朱君

中國區技術行銷經理

美商國家儀器




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