USB数据采集技术

作者：Serges Lemo，NI全球数据采集产品市场工程师

简介

近几年来，USB已经从用于鼠标、键盘和其它电脑配件的简单低速外设总线，发展为一种能够满足高要求应用方案的总线选择，这其中就包括了数据采集 （data acquisition，简称DAQ）应用。一份最近由Sensors杂志做的网上调查显示，相比于其它总线，工程师们更倾向于在他们的下一个数据采集应 用中使用USB总线。

随着USB总线的广泛应用，许多数据采集公司都开始致力于缩小USB与诸如PCI和PXI等嵌入式DAQ设备间的性能差距。NI公司刚刚发布的 CompactDAQ平台就是一个例证。CompactDAQ平台采用模块化的设计，使得工程师们可以灵活地选择不同的模块来构建他们的测试系统，并满足 他们的测试需求。通过将高速USB标准、全新半导体技术，以及NI灵活、高效的软件平台和专利的信号流技术相结合，CompactDAQ平台不但具有卓越 的性能，并且简单易用，使其成为便携式测试和控制应用的理想选择。

在评价USB数据采集设备性能的时候，需要着重考虑两种主要的性能表现：一是把采集到的大量缓冲数据传输到PC机的存储器中的能力，二是对于较低速 物理过程实施单点控制的能力。下文将主要阐述NI的专利技术如何达到这些性能要求，并且还将给出应用实例来介绍如何发挥新型NI CompactDAQ平台在高性能和易用性方面的优势。

信号流技术(Signal-streaming Technology)

NI公司专利的信号流技术通过下列方法，来满足上述两项任务的性能要求：

l  把部分驱动程序下移到设备级，以尽可能减少USB总线上的控制通信流量。
l  在设备内部实现数据采集和USB总线两部分间的DMA传输，以确保主机可以随时调用所需数据。

这种新型的信号流技术最大限度地改善了USB总线的总吞吐量，并且优化了设备对应用程序的响应灵敏度。

USB构架和传输机制：

为了更好的理解这项技术，这里有必要来回顾一下USB总线的传输机制。图1给出了数据采集设备中，USB数据传输的相关部件的高层示意图。


图表1：使用USB电缆来简化电脑与设备间的数据传输

在USB通信中，数据传输总是由USB主机端（由图1结构中的PC机所表示）发起的。应用软件（如NI LabVIEW和NI-DAQmx等）通过将输入/输出请求包（I/O request packets，IRP）排队来请求自设备端的数据传输。这些请求被传递给USB驱动程序，后者把他们分成包。这些包被传递给USB主控制器，由其发送给 设备。USB主控制器是用于控制PC机的USB总线通信的硬件。每传输一个包，就要在PC机与设备间进行一次交互。图２显示了USB输入和输出交互实例。


图2 USB主机端通过输入令牌后接数据和握手包来发起交互

在每次交互中，主控制器以令牌包为开始发起数据传输。这个令牌包提供了目标设备的地址、数据的流向和设备上特定的数据源地址。这个特定的数据源被称 为USB终端。在数据采集设备中，USB终端包括模拟信号输入、模拟信号输出和数字信号输入。在令牌包后面，如果数据是可用的，那么设备会响应并发送数据 包，最后主机发送一个握手包来结束交互。

当交互由于传输错误、数据无法获取或者设备没有准备好而失败时，主机会把此次交互重新安排到下一个可用的时间段。这些重新安排要尽量减到最小限度， 因为他们可能会造成严重的数据传输延时。NI公司的信号流技术在设备的数据采集和USB总线部分之间实现了高速数据通道，将这些重试的发生次数减小到最低 限度。

信号流综述

按照惯例来说，设备上的控制器负责处理数据采集或者输入/输出端部分与USB接口间的数据传输。这种传统的中断驱动式方法会导致了主要的延时，并且 会降低响应灵敏性和设备性能。NI公司的信号流技术使用设备上连接USB接口和数据采集接口的DMA通道来进行传输，以取代传统的方法(如图3所示)。


图3 每一个数据采集I/O端口的DMA通道都会以高吞吐量与USB接口终端间进行数据收发

图中的每个数据采集I/O端口的DMA通道都表示一个特定的数据采集功能（例如模拟信号输入），并且被映射为USB接口相对应的终端上。通过这种映 射，每一个DAQ　I/O端口通道直接从对应的USB终端缓存收发数据流，而不涉及与控制器的交互。这种传输机制保证了一旦数据有效，会立即在USB总线 上得到收发，同时设备对于主机端的数据请求响应数量会达到最大限度。

根据USB协议，USB终端是独立进行工作的，所以在设备上实现的DMA映射，实际上就是在USB 总线上为设备上的６条高速信号通道提供不同的数 据采集功能。利用这项技术的设备，诸如NI公司M系列多功能USB数据采集设备，可以在USB总线上获得高达16MS/s的吞吐量。