基于以太網(wǎng)的數據采集和工業(yè)I/O設備

以太網(wǎng)已經(jīng)成為LAN中的主導協(xié)議，盡管以太網(wǎng)開(kāi)始并不是作為測量和工業(yè)應用的協(xié)議，但是隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越成熟，在相當的一部分數據采集和測試測量以及工業(yè)I/O設備中，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)或者將要發(fā)揮其巨大的作用。本文簡(jiǎn)要敘述利用以太網(wǎng)的測量和數據采集系統，及其獨特的特點(diǎn)和需要特別考慮的因素。特別是以太網(wǎng)對于測試和數據采集系統已經(jīng)帶來(lái)了相當的可靠性和高性能。

本文敘述的數據采集和I/O設備是指采集和獲取來(lái)自于傳感器、變送器和其他設備的現實(shí)環(huán)境中的信號。數據采集卡和其他I/O設備通常包括了模擬數據和離散的數字量的輸入輸出，比如來(lái)自于熱電偶，RTD，應變儀等傳感器的信號。高速的數據采集通?？梢垣@取整個(gè)波形的數據，如捕捉振動(dòng)，聲音等信號。

今天的數據采集通常是基于計算機的設備。內置的采集卡通過(guò)計算機總線(xiàn)和計算機連接，如PCI，PCMCIA總線(xiàn)等等。外置的數據采集設備通常通過(guò)串口，IEEE－488和USB等和計算機連接。在工業(yè)環(huán)境中，各種現場(chǎng)總線(xiàn)也運用的很多，如DeviceNet, Profitbus, Foundation Fieldbus等。

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

在要求很高的測量和數據采集系統中運用以太網(wǎng)技術(shù)時(shí)，有些特別需要考慮的因素，包括對于以太網(wǎng)的不確定性，高速數據傳輸，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(fǎng)問(wèn)/避免沖突(CSMA/CD)的算法，在數據鏈路層運用這個(gè)算法使得以太網(wǎng)具有數據傳輸的不確定性。隨著(zhù)寬帶和高速以太網(wǎng)的出現，以及智能交換的應用，在以太網(wǎng)中數據傳輸的確定性大大提高，可以滿(mǎn)足相當一部分應用的需要。據估算，在共享型以太網(wǎng)(無(wú)智能交換）中，當負載在10％以下時(shí)，網(wǎng)絡(luò )可以保正確定性，這個(gè)數據對應于10Mbit/s和100Mbit/s的網(wǎng)絡(luò )分別意味著(zhù)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National Instruments公司對遠程數據采集的測試，在10Mbit以太網(wǎng)上數據采集可以連續地以340Kbyte/s的速度進(jìn)行，而在一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的以太網(wǎng)中，這個(gè)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(mǎn)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)議的應用將進(jìn)一步更好地解決不確定性的問(wèn)題。

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

實(shí)現基于以太網(wǎng)的數據采集和測量的系統，現在可以基本分為兩種，一類(lèi)是基于網(wǎng)絡(luò )的PC測量系統，另一類(lèi)是基于以太網(wǎng)的I/O設備，如圖2所示。

這種實(shí)現網(wǎng)絡(luò )采集系統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，利用插入式的數據采集卡和標準的數據采集軟件來(lái)進(jìn)行數據采集，然后在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)布數據。網(wǎng)絡(luò )通信可以以各種方式來(lái)實(shí)現，如TCP協(xié)議，DCOM，或者OPC。這些不同的軟件實(shí)現方案對于開(kāi)發(fā)人員的技能有不同的要求?，F在有兩種高層的實(shí)現方法，即OPC和RPC,對于網(wǎng)絡(luò )底層的開(kāi)發(fā)技術(shù)要求比較低。

OPC（過(guò)程控制的對象鏈接和嵌入）是由工業(yè)自動(dòng)化的廠(chǎng)商提出的標準，它為應用程序和I/O的設備通信提供了一個(gè)標準的接口。OPC是基于COM和DCOM基礎之上的，對于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)在網(wǎng)絡(luò )上是完全透明的。RPC（遠程過(guò)程控制)是微軟的Windows的一項服務(wù)，可以用于網(wǎng)絡(luò )數據采集，提供了簡(jiǎn)單的應用接口。例如National Instruments利用這個(gè)技術(shù)在其數據采集的驅動(dòng)程序中提供了RDA（遠程設備訪(fǎng)問(wèn)）功能。開(kāi)發(fā)人員可以調用遠程設備，其使用方法和調用本地設備一樣。

基于網(wǎng)絡(luò )的PC測量系統有不少優(yōu)點(diǎn)?？傮w來(lái)講，因為這是應用標準的軟件和硬件，在系統開(kāi)發(fā)時(shí)有很大的靈活性和選擇性。任何基于PC的測試系統都可以通過(guò)一定的軟件工具成為網(wǎng)絡(luò )測試系統。但是，在有些應用情況下，可能現場(chǎng)不需要用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的計算機進(jìn)行測試，這時(shí)，應用一個(gè)專(zhuān)用的更小尺寸的基于以太網(wǎng)的I/O設備更為合適。

新的趨向是將以太網(wǎng)技術(shù)直接用于儀器儀表的設備層，網(wǎng)絡(luò )接口和微處理器的價(jià)格不斷下降更加速了這個(gè)趨勢?；谝蕴W(wǎng)的I/O設備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入在設備內部，所以在網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據采集時(shí)，可以有更小的設備體積，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存。而現在網(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的測試系統比較，基于以太網(wǎng)的I/O設備有些獨特的要求?？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 )設備的可靠性和功能也有了不斷提高。一個(gè)基于以太網(wǎng)的設備的功能如圖3所示。

以太網(wǎng)作為分散式測量的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )方案，它的潛力無(wú)疑是巨大的。隨著(zhù)它在性能，確定性和成本上的進(jìn)一步改進(jìn)，必將在測量和數據采集方面有更廣闊的應用?！?/font>