多通道数据采集仪DAQ应用_为您的测量应用选择合适的总线_5页.pdf

1/为您的测量应用选择 合适的总线1.2.3.4.概览NI LabVIEW 2009延续了直观 的图形化开发环境以 及数据采集硬件与 PC总线的无缝集 成。面对多种总线上 超过200种的不同 硬件设备，如何选择 一款总线来满足您的 应用需求？该白皮书讨论了可供选择的总 线，并概述了您在为 测量应用选择最佳总 线时需要考虑的各种 因素。目录在选择最佳总线时您 需要回答的五个问题最常见总线的选择指 南数据采集总线概览下一步在选择最佳总线时您 需要回答的五个问题1.我将通过该总线传输 的数据有多少？2.我的单点I/O需求 是什么？3.我需要实现多台设备 的同步么？4.该系统应当具有怎样 的便携性？5.我的测量结果距离我 的计算机有多远？我将通过该总线传输 的数据有多少？所有的PC总线均对 于在某个时间段内可 以传输的数据量有一 定的限制。这被称为 总线带宽，通常以每 秒兆字节（MB/s）为 表 述单位。如果动态波 形测量在您的应用中 很重要，请必须考虑一种具有足够带宽的 总线。总带宽可以为多台设 备间共享或为某台设 备专用，这取决于您 所选用的总线，例 如，PCI总线为计 算机上所有PCI设 备提供了共享 132 MB/s的 理论带宽。提供专用 带宽的总线，如 PCIEpresss和快 速PXI Express，实 现了每台设备的最大 数据吞吐量。在进行波形测量时，您需要一定的采样率 和精度，这基于您的 信号频率而确定。您 可以通过将每个采样 点的字节数（如不满 一个字节则进位到一 字节）分别与采样 率、通道数相乘，计算所要求的最低带 宽。例如，一台16-bit的设备（两个 字节），其四路通道 的采样率为4 MS/s，有：您的总线带宽需要能 够满足正在被采集的 信号的速率，而且，重要的是，注意到实 际系统的带宽将会低 于总线的理论带宽。实际带宽取决于系统 中设备的数目和开销 带来的任何额外总线流量。若您需要在众 多的通道上传输大量 的数据，带宽可能是 在选择您数据采集总 线时最为重要的考虑 因素。我的单点I/O需求 是什么？要求单点读写的应用 常常要求I/O数值 的一致性与及时性。如果基于总线架构如 何在软硬件中实现，单点I/O需求可能 会成为您选择总线的 决定性因素。总线时延是I/O的 响应特性。它是指驱 动程序软件函数被调 用时刻与该I/O的 实际硬件数值被更新 时刻之间的时间延 滞。取决于您所选择 的总线，该时延范围 可能从少于1微妙到 数毫秒。例如，在一个PID 控制系统中，该总线 时延可能会直接影响 控制循环的最大速 率。单点I/O应用中另 一个重要因素便是确 定性，它用于度量 I/O如何一致地执 行。与响应特性会发 生改变的总线相比，那些在与I/O通信 时总是具有相同时延 的总线拥有更高的确 定性。确定性对于控制应用很重要，因为 它直接影响了控制循 环的可靠性，而许多 控制算法是基于该控 制循环将总是以恒定 速率执行为前提设计 的。任何相对期望速 率的偏离都将使得整 个控制系统降低效 率。从软件层面来讨论通 信总线如何被实现，对于总线时延和确定 性有着重要的作用。支持实时操作系统的 总线与软件驱动程序 将提供最佳的确定 性，进而为您提供最 高的性能。一般情况下，内部总线，如 PCI Epress和 PXI Epresss，比 外部总线（如USB 或无线）更适合低时 延的单点I/O应 用。我需要实现多台设备 的同步么？许多测量系统存在复 杂的同步需求，无论 它是实现数百个通道 的同步还是实现多种 类型仪器的同步。例 如，一个激励响应系 统可能会要求输出通 道共用同一个采样时 钟，使用触发作为输入通道以实现I/O 的相关操作，并更好 地分析其结果。NI 不同总线上的数据采 集设备都提供了这一 功能。几乎所有的 NI数据采集（DAQ）设备都提 供对可编程多功能输 入（PFI）端的访:文件类型 技术指南:是 是否NI支持:Oct 4,2011 发布日期2/问（PFI可用于实 现时钟与触发信号在 不同设备间的路 由），以及在NI-DAQmx中通过软 件方便地配置这些 PFI端口。然而，某些总线拥有额外 的、内置的定时与触 发线路，以使得多设备的同步尽可能地方 便。PCI与 PCI Express设备 提供了实时系统集成（RTSI）总线，通过此总线，一个台 式系统的多只板卡可 以在机箱内部直接用 导线连接。这样免除 了从前面连接端子额外接线，并简化了 I/O的连接。对于多台设备的同 步，最佳的总线选择 便是PXI平台，包 括PXI和PXI Express。该 开放性标准特别适合 高性能的同步与触 发，并对于同一块底 板内的I/O模块的 同步以及多块底板的同步，具有大量不同 的可选方案。该系统应当具有怎样 的便携性？引入便携式计算为工 程师和科学家们提供 了新的利用基于PC 的数据采集进行创新 的方式。便携性对于 许多应用都是一项重 要的因素，而且可能 会轻易地成为选择一 种总线而不是另一种总线的主要理由。例 如，车载数据采集应 用获益于紧凑且方便 运输的硬件。外部总 线，如USB和以太 网，特别适合于便携 式数据采集系统，因 为其快速的硬件安装 和与便携式电脑的兼容性。总线供电的 USB设备提供了额 外的便利，因为它们 不需要提供一个分立 的电源供应。采用无 线数据传输总线是实 现便携性的另一个较 好的选择，因为该测 量硬件自身变为便携式的，而该计算机仍 可放在原有位置。测量结果距离我的计 算机有多远？您需要进行测量的位 置和计算机所处的位 置之间的距离，可能 会因应用而异。为实 现最佳的信号完整性 和测量精度，您应当 将您的数据采集硬件 放置在尽可能靠近信 号源的地方。这对于大规模分布式测量（如那些面向结构健 康监测或环境监测的 应用）可能会成为一 项挑战。跨越大桥或 工厂地面布置很长的 线缆，不仅成本高 昂，而且会引入噪 声。解决该问题的方法便是利用便携式计 算平台将采集系统移 至更接近信号源的地 方。利用无线技术，计算机与测量硬件之 间的有线连接被去 除，您可以进行分布 式测量并将该数据回 传至中央位置。最常见总线的选择指 南基于前面概述的这五 个问题，表1展示了 一份面向现可用最常 见数据采集总线的选 择指南。总线波形数据流盘单点I/O设备同步便携性分布式测量举例PCI132 MB/s（共享带宽）最佳较好良好良好M系列PCIExpress250 MB/s（每通道带宽）最佳较好良好良好X系列PXI132 MB/s（共享带宽）最佳最佳较好较好M系列PXIExpress250 MB/s（每通道带宽）最佳最佳较好较好X系列USB60 MB/s较好良好最佳较好NI CompactDAQEthernet12.5 MB/s良好良好最佳最佳以太网DAQWireless6.75 MB/s良好良好最佳最佳WiFi DAQ表1。该表展示了一 份基于应用需求的总 线选择指南以及NI 范例产品1最大理论数据速率基 于下列总线规范：PCI、快速 PCI 1.0、PXI、快速 PXI 1.0、USB 2.0、100Mbps以太 网与Wi-Fi 802.11g。数据采集总线概览虽然存在很多种不同 的总线以及外形尺寸 以供选择，但是，该 部分聚焦于七种最为 常见的总线，其中包 括：PCIPCI ExpressUSBPXIPXI Express以太网无线图1将这些总线按由 NI数据采集产品组 成的PC-总线体系 架构的方式组织展 示，从内插式到可热 插拔的外部总线。3/图1。多种总线可用 于满足您的数据采集 需求。PCI图2。PCI M系 列多功能DAQ外设部件互连（PCI）总线是现 今最常用的内部计算 机在线之一。凭借 132 MB/s的 共享带宽，PCI提 供了高速数据传输和 面向单点控制应用的 确定性的数据传输性 能。PCI有许多种不同的数据采集硬件 选择，包括高达 10 MS/秒和高 达18-位精度的多 功能I/O板卡。PCI Express图3。PCI Epress的X系 列多功能DAQPCI Express是 PCI的一项演进技 术，它完成了PC行 业的一个新层次的创 新。快速PCI架构 的最大一项优势便是 由独立的数据传输线 路提供的专用总线带 宽。与132 MB/s带宽为所有设备共享的PCI不 同，快速PCI采用 了独立的数据通路，每条数据通路能够以 高达250 MB/s的速率传输 数据。该PCI Express总线 还能够从单个x1（念作“乘1”）数 据通路扩展至x16 数据通路，以实现 4 GB/s的最大 吞吐量，足以在不足 一分钟的时间内填满 一只200 GB的 硬盘。对于测量应用，这意味着更高 的、持续的采样率和 数据吞吐速率，故 而，多台设备不必抢 占总线。了解新款面向快速 PCI的X系列 DAQ设备USB4/图4。带有直接 BNC连接的USB 总线供电M系列通用串行总线（USB）最初是为 了实现外周设备（如 键盘与鼠标）与PC 的连接而设计。然 而，在包括测量与自 动化的许多其他应用 中，它已被证明非常 有用。USB提供了 数据采集设备与PC之间的一种成本低廉 的、易于使用的连接 方式。高速USB 2.0具有最高的理 论带宽60 MB/s，该带宽为 连接在单个USB控 制器上的所有设备所 共享。USB设备本 质上是有时延的且非确定性的。这意味着 单点数据传输不会严 格如所预期的发生，因而，USB并不适 合高性能控制应用。在另一方面，该 USB总线拥有几项 使其相比一些传统的 内部PC总线更易于 使用的特性。USB 设备是可热插拔的，因此，它们免除了关 闭PC以添加或删除 设备这一繁琐步骤。该总线还具有自动的 设备检测，这意味着 用户在插入其设备后 不必手动对其进行配 置。一旦完成了软件 驱动程序的安装，操 作系统自身会检测和 安装该设备。察看面向USB 2.0的NI CompactDAQ 传感器系统PXI平台图5。PXI平台由 底板、控制器和 I/O模块组成。面向仪器系统的 PCI扩展（PXI）是为了连 接台式机PC系统与 高端VXI和 GPIB系统之间的 间隙而开发的。PXI系统联盟拥有 超过200家成员，维护该开放标准，并 在2006年，通过 了PXIExpress规 范，以便在PXI平 台上实现PCI Express数据 传输技术。基于 CompactPCI，PXI吸纳了仪器系 统拓展和更严格的系 统层次规范，以确保 面向测量与自动化的 开放性和更高的性 能。PXI的数据采 集系统的技术优势包 含通过坚固的封装可以承受在工业应用中 常有的恶劣环境。PXI系统还提供了 模块化架构，这意味 着您可以将多台设备 装配在同一个机箱，作为单个独立的仪器 使用，而且您能够扩 展您的系统，使其功能远超出具有PCI 总线的PC机。PXI所提供的另一 个最重要的技术优势 在于其集成的定时与 触发功能。无需任何 外部连接，可以利用 集成在PXI底板的 背板上的内部总线，实现多台设备的同步。以太网5/图6。C系列模块的NI以 太网DAQ 面向以太网几乎是世界上 每个公司网络的主干 网，故而广泛可用。作为一种用于数据采 集的总线，以太网非 常适合在距离超过 USB线缆的5米长 度范围情况下，进行 便携式测量或分布式测量。单个以太网线 缆在需要采用集线 器、交换机或中继器 之前，可以拓展至 100米。这样的距 离，结合在实验室、办公室和制造设施内 大量安装的网络基 础，使得以太网成为远距离分布式测量的 理想选择。虽然可用 的网络带宽取决于联 网设备的数量，100BASE-T（100 MB/s）以太网可 以容纳以太网数据采 集设备。此外，千兆 位以太网（1000BASE-T）可以容纳更多来 自100BASE-T网络的数据，以支 持更大型的系统。无线技术图7。面向C系列模 块的NI Wi-Fi DAQ无线技术将基于PC 的数据采集的灵活性 和便携性，拓展至以 往难以布线的测量应 用，如风力发电站或 民用设施。无线技术 通过免除了布线和安 装显著地降低了成 本。尽管如此，无线技术比其他任何数据 采集总线的时延都要 高，因此，不推荐要 求高速控制或确定性 的应用。现有许多不 同的无线技术可供使 用，其中，最为普及 的是IEEE 802.11（Wi-Fi）。Wi-Fi属于最方 便设置的无线技术。连接至Wi-Fi“热点”与插入 USB线缆非常相 似。经过在IT部门 的10年使用，Wi-Fi也变得很 安全。IEEE 802.11i（WPA2）是现今 商业上可用的最严格的无线安全标准，具 有128-位AES 加密和IEEE 802.1X身份认 证。对于动态波形信 号的数据流传输，Wi-Fi比其他无 线技术提供更高的带 宽，这使其成为机器 状况监测和其他高速应用的理想选择。下一步了解新款面向 PCI Express的X 系列DAQ设备观看网络视频：利用 NI LabVIEW与 Wi-Fi数据采集 简化远程监测体验LabVIEW 在数据采集与信号处 理中的应用法律条款本教程由 National Instruments 公司（简称“NI”）开发。尽管 National Instruments 可为该程序提供技术 支持，但是该指南的 内容并非完全通过测 试和验证，NI不以 任何方式保证其质量，也不保证相关产 品或驱动程序的新版 本出现时继续为其提 供技术支持。本教程 仅以其“现状”向用 户提供，教程没有任 何担保。教程使用受 网站上 使用条款的约 束。(ni.)com/legal/termsofuse/unitedstates/us/