理解下一代数据采集技术

　　信号流使得模拟输入和输出的单端采集性能分别提高了1600%和250%。这就意味着多条双向数据流能够同时进行，NI公司DAQ设备能达到超过26MB/s的速度。

　　尽管有上述的进展，USB线仍然有5米传输的限制。这个长度受限于26ns的延迟标准限制。由于USB使用源端和电压模式的驱动，该延迟对于防止信号反射是必须的。5米线是实际的最大值。假设最糟糕的延迟时间，5米hub或USB线上连接的全速设备有280ps的停滞。将该值降低为0ps也只能增加0.05米的USB线长度。也就是说USB对于分布式环境监测等应用来说是不实用的。

　　为了扩展测量系统的使用距离，传统方案是使用线缆式的工业网络，这样即增加成本又增加复杂性。因此，人们对无线网络作为替代方案的兴趣越来越浓厚。现在面临的挑战是，在使用新技术的同时又保持USB的易配置性。这不仅与新应用的设计有关，许多现有应用的扩展也可能用到无线。上文提到的SAPHIR公司的振动监测系统最初采用了USB，但由于每个测试地点都需要一台笔记本，成本的增加促使他们转而采用Wi-Fi。这种转换必须快速、简单且经济。

　　无线传感器网络的应用已有多年历史，但在其应用中需要采用定制硬件和专属软件。这使得简单应用的构建也变得复杂，并要求极高的成本和工程技术能力。此外，许多现有的无线传感器技术都与单点测量联系在一起，而少有数据流波形采集。理想的无线DAQ方案应提供高性能、易用性、可靠性和安全性。基于以上，NI选择了IEEE 802.11b/g，配以128位AES加密和IEEE 802.11i (WPA2)支持。IEEE 802.11的广泛使用以及其高达56 MB/s的传输速度，提供了易用性和足够的性能来支持100kS/s的数据流采集。

　　IEEE 802.11也具备足够可靠性。IEEE 802.11标准规定了无线客户端之间、无线客户端和基站或接入点之间的空中接口协议。标准还规定了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)，并针对性地解决了制造商和无线设备之间的兼容问题。连接不符合IEEE标准的无线DAQ设备往往需要大量努力，同时也使测试变得不可靠的。那么，什么是IEEE 802.11标准，为何它对于DAQ来说是必须的呢?

　　IEEE 802.11的基本连接机制是载波监听多路访问和冲突检测(CSMA/CA)协议，与以太网类似。任何希望传输数据的设备首先监听物理网络;如果网络忙(如其它设备正在传输)，就延迟并在之后重新传输。如果网络预定时间段空闲(DIFS – 分布式帧间隔)，传输开始。但是当两台设备同时发现网络空闲时就会出现问题。两台设备都开始进行传输，造成冲突。

　　在线缆式系统如以太网中，这种冲突很容易被监测和计数，因为所有设备都能“听到”其它设备。而在无线网络中，一台设备可能感知到网络空闲，而事实上目标接收机(放置在中心位置)可能正忙于接收来自另一台感知范围之外的设备的数据。在通常的运行中，接收机在信息中添加一个校验和，向设备返回确认(ACK)信息。如果设备没有接收到确认信息，即时检测到的网络仍然是空闲的，但它仍将尝试继续发送请求。

　　这种数据保护协议是DAQ应用中必须的，不同于无线音乐或视频流，任何数据丢失都将造成异常结果，使测量结果无效。IEEE 802.11标准的无线产品被认为是可靠且灵活的，但400页的标准文档中没有提到任何安全性相关的文字。

　　许多应用对数据传输提出了安全性要求——出于国家安全的原因或是向潜在竞争对手隐藏数据的原因。无线安全性方面的语言可能非常复杂，且涉及更多缩写。所有安全性都是基于各种数据编码和用户权限的组合。编码标准由多种。首先是WEP(有线等效加密)，接下来是WPA(Wi-Fi保护访问)，但两种都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi产品符合WPA2标准，并使用AES(高级编码标准)。它采用了128位密码，这种密码比WEP和WPA的算法更难破译。事实上，国家标准技术局(NIST)选择了AES作为编码标准，所有美国政府机关都采用该标准。WPA2已被证实是稳定安全的，可用于各类应用包括Wi-Fi DAQ。

　　SAPHIR公司选择使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒，因为它符合IEEE 802.11协议和WPA2的安全性。他们使用与之前USB系统相同的NI-DAQmx驱动，可以在无需重写代码的前提下升级到Wi-Fi。USB和Wi-Fi外盒都是用相同的C系列平台，作为采集和信号调理模块，因此使硬件成本支出最小化。这也简化并加速了向更实用、功能更强大的Wi-Fi系统的转化。

　　图3. WLS-9163包含NI-9234动态信号采集模块。

　　现在，Wi-Fi可以作为简单且安全的DAQ选择，供任何行业内的科学家和工程师使用。在那些采用有线方案会不实际，不能实现或者成本太高的应用中，它已经成功实现动态数据传输。今天的科学家和工程师无需担心总线带来的限制。相反，通过灵活的软件和易用的驱动，开发人员能够可以指定选择适合应用的总线，从高吞吐率的PCI Express到简单即插即用配置的USB、或高度灵活性和移动性的Wi-Fi。现在，领域专家掌握了DAQ系统的选择权，从而更好地满足他们的需要。