基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和工業(yè)I/O設(shè)備

本文敘述的數(shù)據(jù)采集和I/O設(shè)備是指采集和獲取來自于傳感器、變送器和其他設(shè)備的現(xiàn)實環(huán)境中的信號。數(shù)據(jù)采集卡和其他I/O設(shè)備通常包括了模擬數(shù)據(jù)和離散的數(shù)字量的輸入輸出，比如來自于熱電偶，RTD，應(yīng)變儀等傳感器的信號。高速的數(shù)據(jù)采集通?？梢垣@取整個波形的數(shù)據(jù)，如捕捉振動，聲音等信號。

今天的數(shù)據(jù)采集通常是基于計算機的設(shè)備。內(nèi)置的采集卡通過計算機總線和計算機連接，如PCI，PCMCIA總線等等。外置的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常通過串口，IEEE－488和USB等和計算機連接。在工業(yè)環(huán)境中，各種現(xiàn)場總線也運用的很多，如DeviceNet, Profitbus, Foundation Fieldbus等。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于通信的要求是非常廣泛的。許多系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的帶寬是很小的，通常這些數(shù)據(jù)的采集速率低于10Hz。在另外一些應(yīng)用程序中，如振動和聲音的參數(shù)，采樣率就要求比較高，可能到幾十KHz，或者更高。更高速的場合，采樣率可用(1～100)MHz作為單位，這些高速的采集設(shè)備往往有本地內(nèi)存用于臨時存儲數(shù)據(jù)，然后在通信口上傳出。

在要求很高的測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中運用以太網(wǎng)技術(shù)時，有些特別需要考慮的因素，包括對于以太網(wǎng)的不確定性，高速數(shù)據(jù)傳輸，以及工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)部件的要求。

以太網(wǎng)協(xié)議中采用了多址訪問/避免沖突(CSMA/CD)的算法，在數(shù)據(jù)鏈路層運用這個算法使得以太網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性。隨著寬帶和高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)，以及智能交換的應(yīng)用，在以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性大大提高，可以滿足相當一部分應(yīng)用的需要。據(jù)估算，在共享型以太網(wǎng)(無智能交換）中，當負載在10％以下時，網(wǎng)絡(luò)可以保正確定性，這個數(shù)據(jù)對應(yīng)于10Mbit/s和100Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)分別意味著120kbyte/s和1200kbyte/s的傳輸速度。而采用了智能Switch后，負載可以上升到50％，傳輸速度可以到600kbyte/s和6000kbyte/s。據(jù)National Instruments公司對遠程數(shù)據(jù)采集的測試，在10Mbit以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)采集可以連續(xù)地以340Kbyte/s的速度進行，而在一個點到點的以太網(wǎng)中，這個速度可以到550Kbyte/s。另外一些正在發(fā)展的新技術(shù)可以將性能和確定性的要求滿足的更好。比如在高速以太網(wǎng)中，帶寬將達到1Gb/s。而IEEE802.1p協(xié)議的應(yīng)用將進一步更好地解決不確定性的問題。

另外，工業(yè)應(yīng)用需要考慮部件的可靠性，例如溫度、振動、電磁干擾等方面的情況。以太網(wǎng)大量用于辦公室環(huán)境，現(xiàn)在缺少工業(yè)級的部件(如開關(guān)，集線器，路由器等）。但是和現(xiàn)在使用于工業(yè)環(huán)境比較多的現(xiàn)場總線比較，以太網(wǎng)最大的特點是成本低，開發(fā)性好。由于主流的PC平臺，Windows操作系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于以太網(wǎng)，工業(yè)應(yīng)用也越來越多，工業(yè)級的部件不斷出現(xiàn)。這對于以太網(wǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用也有極大地推動。

實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和測量的系統(tǒng)，現(xiàn)在可以基本分為兩種，一類是基于網(wǎng)絡(luò)的PC測量系統(tǒng)，另一類是基于以太網(wǎng)的I/O設(shè)備，如圖2所示。

這種實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)的方案是利用標準的商用PC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和測量技術(shù)，將PC變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)測量的服務(wù)器。例如，利用插入式的數(shù)據(jù)采集卡和標準的數(shù)據(jù)采集軟件來進行數(shù)據(jù)采集，然后在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信可以以各種方式來實現(xiàn)，如TCP協(xié)議，DCOM，或者OPC。這些不同的軟件實現(xiàn)方案對于開發(fā)人員的技能有不同的要求?，F(xiàn)在有兩種高層的實現(xiàn)方法，即OPC和RPC,對于網(wǎng)絡(luò)底層的開發(fā)技術(shù)要求比較低。

OPC（過程控制的對象鏈接和嵌入）是由工業(yè)自動化的廠商提出的標準，它為應(yīng)用程序和I/O的設(shè)備通信提供了一個標準的接口。OPC是基于COM和DCOM基礎(chǔ)之上的，對于開發(fā)人員來說在網(wǎng)絡(luò)上是完全透明的。RPC（遠程過程控制)是微軟的Windows的一項服務(wù)，可以用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，提供了簡單的應(yīng)用接口。例如National Instruments利用這個技術(shù)在其數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動程序中提供了RDA（遠程設(shè)備訪問）功能。開發(fā)人員可以調(diào)用遠程設(shè)備，其使用方法和調(diào)用本地設(shè)備一樣。

基于網(wǎng)絡(luò)的PC測量系統(tǒng)有不少優(yōu)點。總體來講，因為這是應(yīng)用標準的軟件和硬件，在系統(tǒng)開發(fā)時有很大的靈活性和選擇性。任何基于PC的測試系統(tǒng)都可以通過一定的軟件工具成為網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)。但是，在有些應(yīng)用情況下，可能現(xiàn)場不需要用一個專門的計算機進行測試，這時，應(yīng)用一個專用的更小尺寸的基于以太網(wǎng)的I/O設(shè)備更為合適。

新的趨向是將以太網(wǎng)技術(shù)直接用于儀器儀表的設(shè)備層，網(wǎng)絡(luò)接口和微處理器的價格不斷下降更加速了這個趨勢?；谝蕴W(wǎng)的I/O設(shè)備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入在設(shè)備內(nèi)部，所以在網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集時，可以有更小的設(shè)備體積，安裝也更靈活。

和一些其他工業(yè)通信方案比較，以太網(wǎng)方式通常需要更強大的微處理器和內(nèi)存。而現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可以大大的降低這方面的成本。

與獨立的基于PC的測試系統(tǒng)比較，基于以太網(wǎng)的I/O設(shè)備有些獨特的要求?？煽啃允亲钪匾?，由于可以采用更強大的微處理器和芯片，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性和功能也有了不斷提高。一個基于以太網(wǎng)的設(shè)備的功能如圖3所示。

以太網(wǎng)作為分散式測量的一個網(wǎng)絡(luò)方案，它的潛力無疑是巨大的。隨著它在性能，確定性和成本上的進一步改進，必將在測量和數(shù)據(jù)采集方面有更廣闊的應(yīng)用?！?/font>