如何構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（二）

傳感器信號(hào)在經(jīng)過(guò)設(shè)備采 集之后，通過(guò)何種方式安全而可靠地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或者服務(wù)器中，這個(gè)問(wèn)題隨著大通道數(shù)（幾百通道以上）數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目的不斷出現(xiàn)，其重要程度與日俱增：無(wú)論前 端設(shè)備與傳感器的接線部分、還是整體系統(tǒng)的總線與組網(wǎng)模式，其中只要有一處出現(xiàn)疏忽，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都可能會(huì)受到影響。

前端

前端，指的是數(shù)據(jù)采集設(shè)備到傳感器的接線部分。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是板卡形式的（如下圖），這種方式需要使用線纜與接線面板來(lái)使其與傳感器引線連接。

為了進(jìn)一步提升用戶的接線體驗(yàn)，很多數(shù)據(jù)采集設(shè)備商也開(kāi)始提供“直連傳感器”的設(shè)備，例如NI公司推出的CompactDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其可拆卸的C系列模塊基本都自帶接口（如螺旋端子、BNC等），方便工程師連線。如果用戶對(duì)接口的防護(hù)性有要求，甚至需要有耐腐蝕的功能，則還可選擇華穗科技（HUASUI）基于NI軟硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的高防護(hù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

總線

目前主流的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線有很多，各有不同的優(yōu)點(diǎn)。下表中羅列了主流設(shè)備總線的一些基本指標(biāo)：

*理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率基于以下的總線規(guī)范： PCI、PCI Express 1.0、 PXI、PXI Express 1.0、 USB 2.0、千兆以太網(wǎng)和Wi-Fi 802.11g

雖然總線種類較多，但在工程師構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，以下幾個(gè)因素需要綜合考慮：

- 總線帶寬需要能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)采集的速度，需要注意的是，實(shí)際的系統(tǒng)帶寬低于理論總線限制。 實(shí)際觀察到的帶寬取決于系統(tǒng)中設(shè)備的數(shù)量以及額外的總線載荷。 如果需要在很多通道上傳輸大量的數(shù)據(jù)，帶寬是選擇總線時(shí)最重要的考慮因素。

- 不同總線的I/O響應(yīng)時(shí)間不同，它是調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件函數(shù)和更新I/O實(shí)際硬件值之間的時(shí)間延遲。根據(jù)您選擇總線的不同，延遲可以從不足一微秒到幾十毫秒。需要單點(diǎn)讀寫(xiě)的應(yīng)用程序單點(diǎn)I/O的相應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵。一般情況下，對(duì)于低延遲的單點(diǎn)I/O應(yīng)用來(lái)說(shuō)，PCI Express和PXI Express等內(nèi)部總線比USB或無(wú)線等外部總線更好。

- 許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都有復(fù)雜的同步需求，包括同步數(shù)百個(gè)輸入通道和多種類型的設(shè)備。多個(gè)設(shè)備同步測(cè)量的最簡(jiǎn)單的方法就是共享時(shí)鐘和觸發(fā)。 一些數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供專用的BNC接頭的觸發(fā)線，這些外部觸發(fā)線在USB和以太網(wǎng)設(shè)備上十分常見(jiàn)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)采集硬件處于PC機(jī)箱外部。 然而，某些總線內(nèi)置有額外的時(shí)鐘和觸發(fā)線，使得多設(shè)備的同步變得非常容易（如PXI總線，具體見(jiàn)下圖）。

- 處理器計(jì)算能力的極速增長(zhǎng)是毋庸置疑的，它為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建提供了許多新的創(chuàng)新方式，因此便攜性也可能成為總線選擇的首要考慮因素。例如，車(chē)載數(shù)據(jù)采集應(yīng)用得益于結(jié)構(gòu)緊湊，易于運(yùn)輸?shù)挠布?，如USB和以太網(wǎng)等外部總線，因?yàn)槠淇焖俚挠布惭b以及與筆記本電腦的兼容性，特別適用于便攜式數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（如ioBox L系列）。

組網(wǎng)方式

對(duì)于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)講，其組網(wǎng)方式主要有集中式和分布式兩種。集中式適合于測(cè)試地點(diǎn)和測(cè)試通道都在一個(gè)集中區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用，而分布式則更適合于分布區(qū)域廣大，且節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的應(yīng)用。

集中式中一個(gè)較為典型的例子就是PXI平臺(tái)（下圖），在一個(gè)多槽位的機(jī)箱中，工程師可以根據(jù)自己項(xiàng)目的不同需求選配不同的數(shù)據(jù)采集板卡（或儀器級(jí)板卡），從而以較為緊湊而標(biāo)準(zhǔn)的方式滿足不同的采集需求。

分布式是相對(duì)于集中式的理念而生，其發(fā)展得最為極端的形式就是物聯(lián)網(wǎng)，本文內(nèi)容只涉及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)層面。WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）是一個(gè)典型的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)以及中央控制器（服務(wù)器）組成，從而實(shí)現(xiàn)分布在各個(gè)區(qū)域（一般該區(qū)域會(huì)很廣泛，例如整個(gè)熱帶森林）節(jié)點(diǎn)的通訊、采集以及回傳。

近來(lái)兩種組網(wǎng)方式正在趨于綜合，某些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)來(lái)兼顧集中式和分布式，從而節(jié)省工程項(xiàng)目的投入成本，開(kāi)拓更多的應(yīng)用領(lǐng)域。