理解下一代數(shù)據(jù)采集技術(shù)

　　信號流使得模擬輸入和輸出的單端采集性能分別提高了1600%和250%。這就意味著多條雙向數(shù)據(jù)流能夠同時(shí)進(jìn)行，NI公司DAQ設(shè)備能達(dá)到超過26MB/s的速度。

　　盡管有上述的進(jìn)展，USB線仍然有5米傳輸?shù)南拗?。這個(gè)長度受限于26ns的延遲標(biāo)準(zhǔn)限制。由于USB使用源端和電壓模式的驅(qū)動(dòng)，該延遲對于防止信號反射是必須的。5米線是實(shí)際的最大值。假設(shè)最糟糕的延遲時(shí)間，5米hub或USB線上連接的全速設(shè)備有280ps的停滯。將該值降低為0ps也只能增加0.05米的USB線長度。也就是說USB對于分布式環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用來說是不實(shí)用的。

　　為了擴(kuò)展測量系統(tǒng)的使用距離，傳統(tǒng)方案是使用線纜式的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，這樣即增加成本又增加復(fù)雜性。因此，人們對無線網(wǎng)絡(luò)作為替代方案的興趣越來越濃厚。現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，在使用新技術(shù)的同時(shí)又保持USB的易配置性。這不僅與新應(yīng)用的設(shè)計(jì)有關(guān)，許多現(xiàn)有應(yīng)用的擴(kuò)展也可能用到無線。上文提到的SAPHIR公司的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)最初采用了USB，但由于每個(gè)測試地點(diǎn)都需要一臺筆記本，成本的增加促使他們轉(zhuǎn)而采用Wi-Fi。這種轉(zhuǎn)換必須快速、簡單且經(jīng)濟(jì)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已有多年歷史，但在其應(yīng)用中需要采用定制硬件和專屬軟件。這使得簡單應(yīng)用的構(gòu)建也變得復(fù)雜，并要求極高的成本和工程技術(shù)能力。此外，許多現(xiàn)有的無線傳感器技術(shù)都與單點(diǎn)測量聯(lián)系在一起，而少有數(shù)據(jù)流波形采集。理想的無線DAQ方案應(yīng)提供高性能、易用性、可靠性和安全性。基于以上，NI選擇了IEEE 802.11b/g，配以128位AES加密和IEEE 802.11i (WPA2)支持。IEEE 802.11的廣泛使用以及其高達(dá)56 MB/s的傳輸速度，提供了易用性和足夠的性能來支持100kS/s的數(shù)據(jù)流采集。

　　IEEE 802.11也具備足夠可靠性。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無線客戶端之間、無線客戶端和基站或接入點(diǎn)之間的空中接口協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制層(MAC)，并針對性地解決了制造商和無線設(shè)備之間的兼容問題。連接不符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的無線DAQ設(shè)備往往需要大量努力，同時(shí)也使測試變得不可靠的。那么，什么是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，為何它對于DAQ來說是必須的呢?

　　IEEE 802.11的基本連接機(jī)制是載波監(jiān)聽多路訪問和沖突檢測(CSMA/CA)協(xié)議，與以太網(wǎng)類似。任何希望傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備首先監(jiān)聽物理網(wǎng)絡(luò);如果網(wǎng)絡(luò)忙(如其它設(shè)備正在傳輸)，就延遲并在之后重新傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)預(yù)定時(shí)間段空閑(DIFS – 分布式幀間隔)，傳輸開始。但是當(dāng)兩臺設(shè)備同時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)就會出現(xiàn)問題。兩臺設(shè)備都開始進(jìn)行傳輸，造成沖突。

　　在線纜式系統(tǒng)如以太網(wǎng)中，這種沖突很容易被監(jiān)測和計(jì)數(shù)，因?yàn)樗性O(shè)備都能“聽到”其它設(shè)備。而在無線網(wǎng)絡(luò)中，一臺設(shè)備可能感知到網(wǎng)絡(luò)空閑，而事實(shí)上目標(biāo)接收機(jī)(放置在中心位置)可能正忙于接收來自另一臺感知范圍之外的設(shè)備的數(shù)據(jù)。在通常的運(yùn)行中，接收機(jī)在信息中添加一個(gè)校驗(yàn)和，向設(shè)備返回確認(rèn)(ACK)信息。如果設(shè)備沒有接收到確認(rèn)信息，即時(shí)檢測到的網(wǎng)絡(luò)仍然是空閑的，但它仍將嘗試?yán)^續(xù)發(fā)送請求。

　　這種數(shù)據(jù)保護(hù)協(xié)議是DAQ應(yīng)用中必須的，不同于無線音樂或視頻流，任何數(shù)據(jù)丟失都將造成異常結(jié)果，使測量結(jié)果無效。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線產(chǎn)品被認(rèn)為是可靠且靈活的，但400頁的標(biāo)準(zhǔn)文檔中沒有提到任何安全性相關(guān)的文字。

　　許多應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸提出了安全性要求——出于國家安全的原因或是向潛在競爭對手隱藏?cái)?shù)據(jù)的原因。無線安全性方面的語言可能非常復(fù)雜，且涉及更多縮寫。所有安全性都是基于各種數(shù)據(jù)編碼和用戶權(quán)限的組合。編碼標(biāo)準(zhǔn)由多種。首先是WEP(有線等效加密)，接下來是WPA(Wi-Fi保護(hù)訪問)，但兩種都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi產(chǎn)品符合WPA2標(biāo)準(zhǔn)，并使用AES(高級編碼標(biāo)準(zhǔn))。它采用了128位密碼，這種密碼比WEP和WPA的算法更難破譯。事實(shí)上，國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)選擇了AES作為編碼標(biāo)準(zhǔn)，所有美國政府機(jī)關(guān)都采用該標(biāo)準(zhǔn)。WPA2已被證實(shí)是穩(wěn)定安全的，可用于各類應(yīng)用包括Wi-Fi DAQ。

　　SAPHIR公司選擇使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒，因?yàn)樗螴EEE 802.11協(xié)議和WPA2的安全性。他們使用與之前USB系統(tǒng)相同的NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)，可以在無需重寫代碼的前提下升級到Wi-Fi。USB和Wi-Fi外盒都是用相同的C系列平臺，作為采集和信號調(diào)理模塊，因此使硬件成本支出最小化。這也簡化并加速了向更實(shí)用、功能更強(qiáng)大的Wi-Fi系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。

　　圖3. WLS-9163包含NI-9234動(dòng)態(tài)信號采集模塊。

　　現(xiàn)在，Wi-Fi可以作為簡單且安全的DAQ選擇，供任何行業(yè)內(nèi)的科學(xué)家和工程師使用。在那些采用有線方案會不實(shí)際，不能實(shí)現(xiàn)或者成本太高的應(yīng)用中，它已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。今天的科學(xué)家和工程師無需擔(dān)心總線帶來的限制。相反，通過靈活的軟件和易用的驅(qū)動(dòng)，開發(fā)人員能夠可以指定選擇適合應(yīng)用的總線，從高吞吐率的PCI Express到簡單即插即用配置的USB、或高度靈活性和移動(dòng)性的Wi-Fi?，F(xiàn)在，領(lǐng)域?qū)＜艺莆樟薉AQ系統(tǒng)的選擇權(quán)，從而更好地滿足他們的需要。