數(shù)據(jù)采集技術(shù)要點剖析（四）

—— 《全球數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展趨勢報告》

近來，一種觀念正在悄然變化。

那就是工程師們對數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求逐漸達到了最高峰值?？v觀整個測試測量行業(yè)，雖然設(shè)備成本依舊是需考慮的因素之一，但是我們可以看到，系統(tǒng)的總體可靠性、長時間工作穩(wěn) 定性以及對嚴酷環(huán)境的適應(yīng)性逐漸成為系統(tǒng)選擇和決策的關(guān)鍵考察指標；基本上，對于較多通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，幾乎已經(jīng)沒有低端數(shù)據(jù)采集設(shè)備商的身影。

產(chǎn)生如此現(xiàn)象并非空穴來風。首先，隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采樣速率和通道數(shù)都獲得了巨大的提升，而這種提升所給整個系統(tǒng)帶來的壓力并非線性而是指數(shù)般的關(guān)系，因此整體系統(tǒng)的出錯率也會成倍增大（試想一下對8個通道和對80個 通道進行布線的區(qū)別），以前可以忽略不計的小概率事件現(xiàn)在幾乎已成必然；其次，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所在的工作環(huán)境相比以前也復雜了很多，以前的系統(tǒng)基本上都是靜 止而獨立的放置在實驗室中的機柜中，通過較長的電纜連接到被測物上（真正的試驗地點）的各種傳感器；而現(xiàn)在隨著分布式的架構(gòu)以及將數(shù)據(jù)采集設(shè)備盡可能接近 傳感器的布線原則逐漸主流，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會放置在無人的室外區(qū)域（例如熱帶雨林環(huán)境監(jiān)測）或者直接在被測物所在的試驗點工作（例如會產(chǎn)生高溫、腐蝕氣體的 航空發(fā)動機試驗臺架）；最后，工程師們對數(shù)據(jù)所具有的價值也得到了意識上的更新，在一次成本異常昂貴的試驗（例如汽車破壞性碰撞安全試驗）中如果數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)出現(xiàn)些許的問題（不必要的延遲或者漏點），那么極有可能會造成本次試驗的完全失效。

雖然上述三點現(xiàn)狀成因于 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓，這是好事，但是諷刺意味的是，由于事物的兩面性，這反過來又向工程師們提出了更巨大的挑戰(zhàn)。因此，針對這一發(fā)展趨勢，一 系列的對新一代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的要求正在無形之中融合；借鑒于電視行業(yè)中采用“極清“來表示”高清“的下一個發(fā)展階段，這里我們將這種理想系統(tǒng)暫 命名為“極致穩(wěn)定系統(tǒng)”。

雖然目前尚未形成明晰的標準，但我們可以確信的是，以下幾個因素會是實現(xiàn)“極致穩(wěn)定系統(tǒng)“的主要考慮方向：

防護性

承載實際數(shù)據(jù)采集工作的各種硬件設(shè)備是整個多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的核心，如果它們在某些工作環(huán)境的突然變化（例如溫度過高）下發(fā)生失效，那么勢必會造成整個系統(tǒng)的癱瘓。因此，努力提高這些硬件設(shè)備的防護性是很容易想到的一點。

所謂防護，對于電子設(shè)備來說，主要就是通常意義上的“三防“，即防塵、防水與防振。對于前兩者而言，國際較為通用的是IP（Ingress Protection）等級，其由兩個數(shù)字所組成，第一個數(shù)字表示防塵；第二個數(shù)字由表示防水，數(shù)字越大表示其防護功能越好。例如通過IP67標準的產(chǎn)品表示其可以完全防止粉塵進入且可防止浸水時水的侵入。對于防振，主要會看的是設(shè)備在工作狀態(tài)時能夠承受多少量級的往復運動和沖擊，此外還有從多少米下做的特定跌落測試等等。

觀察手機的發(fā)展軌跡，不難發(fā)現(xiàn)，以前的人們可能都不會想到，現(xiàn)在觸摸屏已經(jīng)是手機不可或缺的組件，而當時流行的翻蓋樣式的手機現(xiàn)在已經(jīng)裊無蹤跡。同樣，在不久之前，具備三防特性會被認為是設(shè)備高端的標志，一般這類產(chǎn)品只會用在軍用級別的領(lǐng)域，且價格極其昂貴；而現(xiàn)在，具備IP等級的數(shù)據(jù)采集設(shè)備已全面進入工業(yè)領(lǐng)域，價格適中，甚至某些數(shù)據(jù)采集設(shè)備商所提供的產(chǎn)品系列都是默認三防

確定性

很多多通道數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都需要系統(tǒng)具備高度的確定性，這里我們所要討論的范疇其實已經(jīng)和硬件無關(guān)，而是軟件層面的問題。

所謂確定性，就是指在軟件中是否能夠始終如一地再已知時間長度內(nèi)完成一項任務(wù)。例如，如果某設(shè)備多次或循環(huán)執(zhí)行相同任務(wù)時執(zhí)行時間的變化或抖動范圍越大，或者受外界交互影響（例如鼠標操作或者新打開一個文件夾等），那么其確定性就越差，從這個角度來看，類似Windows 7或者Mac OSX等一般的操作系統(tǒng)其實是完全不具備確定性可言，而實時操作系統(tǒng)（例如VxWorks、uC-OS/2等） 可以通過非常精確地對您應(yīng)用程序任務(wù)進行時序控制來實現(xiàn)確定性，從而確保關(guān)鍵應(yīng)用程序執(zhí)行始終如一，耗時固定。因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)中，我們一般會將 實際采集操作這些對確定性要求很高的部分放在下位機的實時系統(tǒng)中來完成，而將系統(tǒng)配置、急停、顯示等功能放在上位機來做。

當然，除了使用實時系統(tǒng)之外，有些廠商為工程師們想得更遠。NI公司創(chuàng)造性地將實時系統(tǒng)與FPGA兩者有效的融合，提出了可重置I/O，即RIO的系統(tǒng)架構(gòu)，如下圖所示：

圖： 可重置I/O架構(gòu)

由于篇幅原因，這里不做過于細節(jié)的描述，這種架構(gòu)的關(guān)鍵點在于引入了FPGA，它可以幫助處理器分擔密集型的任務(wù)，具備極高的吞吐量，此外它的確定性決策和操作可以直接與硬件I/O連接，從而實現(xiàn)更多的高性能訪問，例如互鎖、條件觸發(fā)、時序、同步等，控制速率最快可以達到ns級別。相比單一的實時操作系統(tǒng)，這樣的架構(gòu)將有更多的可塑性和想象空間。

數(shù)據(jù)冗余

作為一個穩(wěn)定工作的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最關(guān)鍵的就是其采集數(shù)據(jù)不出差錯，不漏點，不多點等，特別是長期數(shù)據(jù)采集的情況下（例如連續(xù)3-4個月的長期監(jiān)測），要滿足這樣的嚴苛條件，其實是很困難的。這個時候，采用冗余的方法是一個簡單有效的思路。
冗余這個理念并不新鮮，通常指通過多重備份來增加系統(tǒng)的可靠性。例如在工程項目中，有時工程師會為某些關(guān)鍵設(shè)備提供UPS備用電源，這樣當突然斷電的情況出現(xiàn)時，可以讓設(shè)備繼續(xù)正常工作一段時間，從而不影響整個系統(tǒng)，這就是冗余最簡單的應(yīng)用。