簡介
近幾年來，USB已經(jīng)從用于鼠標、鍵盤和其它電腦配件的簡單低速外設總線，發(fā)展為一種能夠滿足高要求應用方案的總線選擇，這其中就包括了數(shù)據(jù)采集 （data acquisition，簡稱DAQ）應用。一份最近由Sensors雜志做的網(wǎng)上調查顯示，相比于其它總線，工程師們更傾向于在他們的下一個數(shù)據(jù)采集應 用中使用USB總線。
隨著USB總線的廣泛應用，許多數(shù)據(jù)采集公司都開始致力于縮小USB與諸如PCI和PXI等嵌入式DAQ設備間的性能差距。NI公司剛剛發(fā)布的 CompactDAQ平臺就是一個例證。CompactDAQ平臺采用模塊化的設計，使得工程師們可以靈活地選擇不同的模塊來構建他們的測試系統(tǒng)，并滿足 他們的測試需求。通過將高速USB標準、全新半導體技術，以及NI靈活、高效的軟件平臺和專利的信號流技術相結合，CompactDAQ平臺不但具有卓越 的性能，并且簡單易用，使其成為便攜式測試和控制應用的理想選擇。
在評價USB數(shù)據(jù)采集設備性能的時候，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機的存儲器中的能力，二是對于較低速 物理過程實施單點控制的能力。下文將主要闡述NI的專利技術如何達到這些性能要求，并且還將給出應用實例來介紹如何發(fā)揮新型NI CompactDAQ平臺在高性能和易用性方面的優(yōu)勢。
信號流技術(Signal-streaming Technology)
NI公司專利的信號流技術通過下列方法，來滿足上述兩項任務的性能要求：
l 把部分驅動程序下移到設備級，以盡可能減少USB總線上的控制通信流量。
l 在設備內部實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和USB總線兩部分間的DMA傳輸，以確保主機可以隨時調用所需數(shù)據(jù)。
這種新型的信號流技術最大限度地改善了USB總線的總吞吐量，并且優(yōu)化了設備對應用程序的響應靈敏度。
USB構架和傳輸機制：
為了更好的理解這項技術，這里有必要來回顧一下USB總線的傳輸機制。圖1給出了數(shù)據(jù)采集設備中，USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P部件的高層示意圖。
圖表1：使用USB電纜來簡化電腦與設備間的數(shù)據(jù)傳輸
在USB通信中，數(shù)據(jù)傳輸總是由USB主機端（由圖1結構中的PC機所表示）發(fā)起的。應用軟件（如NI LabVIEW和NI-DAQmx等）通過將輸入/輸出請求包（I/O request packets，IRP）排隊來請求自設備端的數(shù)據(jù)傳輸。這些請求被傳遞給USB驅動程序，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 設備。USB主控制器是用于控制PC機的USB總線通信的硬件。每傳輸一個包，就要在PC機與設備間進行一次交互。圖２顯示了USB輸入和輸出交互實例。
圖2 USB主機端通過輸入令牌后接數(shù)據(jù)和握手包來發(fā)起交互
在每次交互中，主控制器以令牌包為開始發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。這個令牌包提供了目標設備的地址、數(shù)據(jù)的流向和設備上特定的數(shù)據(jù)源地址。這個特定的數(shù)據(jù)源被稱 為USB終端。在數(shù)據(jù)采集設備中，USB終端包括模擬信號輸入、模擬信號輸出和數(shù)字信號輸入。在令牌包后面，如果數(shù)據(jù)是可用的，那么設備會響應并發(fā)送數(shù)據(jù) 包，最后主機發(fā)送一個握手包來結束交互。
當交互由于傳輸錯誤、數(shù)據(jù)無法獲取或者設備沒有準備好而失敗時，主機會把此次交互重新安排到下一個可用的時間段。這些重新安排要盡量減到最小限度， 因為他們可能會造成嚴重的數(shù)據(jù)傳輸延時。NI公司的信號流技術在設備的數(shù)據(jù)采集和USB總線部分之間實現(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。
信號流綜述
按照慣例來說，設備上的控制器負責處理數(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)的中斷驅動式方法會導致了主要的延時，并且 會降低響應靈敏性和設備性能。NI公司的信號流技術使用設備上連接USB接口和數(shù)據(jù)采集接口的DMA通道來進行傳輸，以取代傳統(tǒng)的方法(如圖3所示)。
