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数据采集系统：更少的硬件=更多的功能 |
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作者：美国国家仪器公司 Brett Burger |
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最近您会发现，现在大多数的电子设备都会将多种功能集成于一体。三年前，可能这些设备的体积是现在的两倍大，而其功能特性却只有现在的一半。理想状况下，人们希望一位个人助理能够携带所有物品，其中包括照相机、电话、无线笔记本电脑、音乐播放器、时钟、通信簿等等。为了取代这样的个人助理，消费电子市场将所有这些设备方便地集成在单个封装内以提升功能特性，因而产生了多功能的移动电话。
对于极高灵活性的追求，仪器系统市场与消费电子市场并没有任何不同。公司和顾问人员不断地努力，以最大化利用数量有限的、通常也是非常昂贵的测量设备。这一驱动力引发了数据采集的多项演化。
早期的数据采集系统，或者甚至更简单的数据录入装置，都是为单个实际物理量的测量而专门设计的一次性产品。一台温度数据记录装置便是如此，如欲测量更多的温度，便需要更多的设备、空间和费用。一个更为重大的变革随着计算机技术的大规模应用而产生。数据采集系统立刻被划分为成计算组件和测量硬件组件。这一朝向基于PC的仪器系统或者说虚拟仪器系统的转变给予终端用户巨大的灵活性，因为利用标准PC与可编程应用软件的强大功能，处理和分析能力几乎是无止尽的。对于数据采集硬件，多功能设备开始被广泛使用，包括ISA、PCI、PCMCIA、PCIe和USB等在内的多种PC总线，以及大量独立的专有协议。数据采集设备也开始测量包括模拟信号和数字信号在内的多种类型信号，但是，尽管支持多种类型信号的测量，这些设备仍是完全由制造商装配，而留给客户的是多余的通道、不必要的测量类型或随着项目发展而受限的通道数。因此，出现了数据采集系统的另一次重要变革——模块化系统。
模块化系统可以说是一种构建系统的最佳方案，因为它使得系统在需要再次对额外的基本组件进行投资之前，实现合理的扩展。模块化系统与平台由多家制造商按照多项标准（部分标准是开放式的，如PXI和VXI，其余标准则是专用的）设计和构建而成。模块化I/O旨在支持终端用户仅购买所需的通道数和信号类型，并能够在未来进行系统升级而无需重复投资。模块化系统的许多技术优势为制造商和客户共享。客户可以购买新的模块以升级、扩展或改造该系统。而通过在其产品线添加具有新的测量类型或通道数的新模块，制造商可以更为迅捷地提升数据采集平台，以满足客户的需求。
目前，从单个仪器来解决所有问题到根据项目需求分开购买与配置各种独立模块来实现的发展趋势已然形成。该趋势综合了商业可用（COTS）的质量、可靠性和支持的优势与内部自定制的优势。随着技术的进步和仪器系统中所采用的组件尺寸的降低，可以更容易地设计并实现尺寸更小的数据采集系统组件。模块从安装在大型卡槽中的托盘开始，尺寸逐渐缩小，如今仅仅比一副扑克牌稍大。在硬件与模块的尺寸进一步减小的趋势中，尺寸的降低同时并没有牺牲通道数，例如一些小尺寸的模块可以提供超过30个通道。
图1. NI单模块机盒可以安装C系列数据采集模块
单通道模块可能是一个更经济的解决方案，也可能不是，但无论哪一种方式，模块化的演变已行将止步。那么接下来问题就似乎“下一步是什么？”了解到一个模块化平台的一些高层次技术优势后，我们可以从中找到答案。模块化系统通过在单个底板或机架上采用可交换模块，已经减少了所需要的系统和测试部门设备库中组件的数量。遗留问题之一便是仅有通道数和信号类型两个特性可以改变。独立的测量模块解决了改变通道数和信号类型的问题，但市场希望达到更高的灵活性。
图2. C系列硬件平台由超过40只模块组成
在数据采集系统的下一项变革中，不仅模块可以互换，而且最终部署模块的机箱也可以互换。测试过程因设备不同，包含多个步骤，其中包括验证、受控环境下的测试、子系统组件测试、硬件仿真测试、原型系统测试、最终制造测试及其它步骤。通过创建由可互换的模块和可选的部署方式构成的数据采集系统，测试工程师们可以进一步压缩其硬件需求，进而减少费用、存储空间、与制造商的合约以及对雇员的培训成本。
可复用性的最大化对于充分利用模块化I/O的功能非常重要。正如不同的测量类型对应不同的模块，模块化数据采集系统的下一个演进将为同一组的模块提供不同的部署选项。部署方式将随行业不同而变化，但都将包括尺寸、可便携性、与PC的连接特性、以独立模式运行的能力、坚固程度、可靠性等类似选项。而且，与模块一样，没有一个制造商可以覆盖每一种可能的用户方案，但一个模块化的、灵活的硬件族将能够覆盖一组类型广泛的前述部署。
为更好地阐述这一情况，请考虑一个假想场景：某公司在使用某厂商提供的灵活的硬件部署平台。
假设这家公司是一个关注于项目咨询的工程机构，它专长于机器状况监测（MCM）行业内的旋转设备的监测与维护。该公司采用IEPE加速计进行振动测量，而加速计测量，鉴于其所需的高采样率、高精度和高带宽，属于高端的传感器测量。此外，IEPE传感器需要电流激励以驱动传感器。抗混叠滤波器对于去除系统中高频噪声的所有痕迹是一个有益的选择，而且，由于采集速率和信号的特性，所以倾向使用同步采样ADC以确保信号的相位同步。利用一个模块化平台，该信号调理与数据采集电路的所有部分都必须被安装入同一个模块。
MCM专家所实现的测量通常源于面向轴校准的近程传感器、面向轴旋转速率的转速计、马达的功率负载和面向支撑壳体的振动分析加速计。这些测量在不同部署对象中进行。其中一项应用便是小型的、低通道数的便携式单元，咨询顾问可以在出差时携带它以进行系统上的点检。这些点检可以定期完成，或者是当操作者听到噪声并报告问题时进行。便携式部署要求便携式显示装置、存储器、报告生成和方便的设置。更多复杂的部署涉及更高的通道数以支持全面的机器测试和混合传感器类型，因为全面的机器检查将包括转速计、近程探头和加速计。由于涉及大量数据，该大规模的监测系统可能要求更大容量的存储器和更高的处理能力。该系统应当是可移动的，但不必像点检系统那样可便携。由于临时安装位置通常处于工业环境，该设备也必须足够坚固。该公司所提供的最高层次的机器维护是永久安装的监测系统。它们是安装于旋转设备上的在线系统，以连续监测系统的健康状况，而且当超过极限条件时，系统通知管理人员进行必要的维修，或者声音报警，或者在危险状况下启动紧急关机程序。
该场景中的公司由工程师和服务技术人员组成，他们在机器状况监测方面具有丰富的行业经验，但是对于硬件设计的了解较为有限。该公司时常从现今的市场上购买这几种设备：十年前最初设计的单盒解决方案（这对于全系统监测略微偏大）， 较新的、借鉴便携式电脑的特性面向便携式系统的、基于PC的解决方案，以及更为昂贵的、面向永久安装系统的、高强度大型系统。鉴于这些可供选择的系统，该公司必须购买、学习和维护大量不同的设备，或者尝试寻找一个能够提供所有这三种类型系统的专业制造商。但是，即使存在这样的制造商，仍可能存在质量或性能方面的让步。另一个更可取的选择便是设计与构建其自己的系统。这样确保了需求规范得到严格满足并且所有功能可用。然而，该公司在硬件设计方面的技术能力远弱于最终数据的收集、读取和分析。
其解决方案便是采用了一系列带有模块化I/O并部署灵活的硬件，如来自NI的C系列硬件。该平台提供了超过40只比一副扑克牌略大的测量模块。这些模块根据不同的应用选择针对性的部署底板和平台。。在此例中，一个NI 9233加速计模块可与NI USB-9162单模块机盒结合，构建一个与笔记本电脑连接的便携式振动测量系统。。对于全系统监测，同一个模块可以插入一个带有面向近程探头和转速计的其它模块的8-插槽的NI CompactDAQ底板。对于尺寸较大的机器，可以连接并同步多个底板以进行相位同步测量。最后，同一组模块可以插入至面向永久安装监测与报警系统的NI CompactRIO底板。CompactRIO底板提供4个或8个插槽，并在极其坚固的壳体内实现了内置存储与处理功能。CompactRIO工作环境的温度范围是-40°～70°C，并能承受50个重力加速度的最大冲击。
图3. 许多C系列模块可以从便携式迁移至台式、嵌入式录入，而无须改变传感器的设置
除了硬件，软件是整个方案的重要考虑因素。一个完整的MCM系统需要FFT、阶次分析、轨道分析和瀑布图等函数。这样的分析和经验正是咨询公司的专长所在，而且，利用来自同一个供应商的软件NI LabVIEW，一个公司可以在所有这三个应用开发平台上编写和复用分析代码。利用这个灵活的统一制造商解决方案，该咨询机构可以更好地管理完整客户服务所需的培训与硬件。倘若该公司决定再次销售该系统，COTS的技术优势再次显现，因为制造资源来自于所遴选的高端品牌供应商。
通过利用（如来自NI的C系列硬件的）测控系统，公司可以实现自主研制的灵活性与COTS可靠性和支持的组合，进而得益于灵活的模块化I/O的全部功能。(end)
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(4/13/2010) |
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