| 以太網(wǎng)憶經(jīng)成為LAN中的主導協(xié)議,盡管以太網(wǎng)開始并不是作為測量和工業(yè)應用的協(xié)議,但是隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展,以太網(wǎng)技術越來越成熟,在相當?shù)囊徊糠謹?shù)據(jù)采集和測試測量以及工業(yè)I/O設備中,以太網(wǎng)技術已經(jīng)或者將要發(fā)揮其巨大的作用。本文簡單敘述利用以太網(wǎng)的測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),及其獨特的特點和需要特別考慮的因素。特別是以太網(wǎng)對于測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)帶來了相當?shù)目煽啃院透咝阅堋?/p> 數(shù)據(jù)采集和I/O設備的背景及要求 本文敘述的數(shù)據(jù)采集和I/O設備是指采集和獲取來自于傳感器、變送器和其他設備的現(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,PTD, 應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)采集設備通常通過串口,IEEE-488和USB等格計算機連接。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)的采集速度低于10Hz。另外一些應用程序中,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作單位,這些高速的采集設備往往有本地內(nèi)存用于臨時存儲數(shù)據(jù),然后在通信中上傳出。 以太網(wǎng)用于測量和數(shù)據(jù)采集需要考慮的問題 以太網(wǎng)在辦公的環(huán)境中作為數(shù)據(jù)交換的工具得到了廣泛的應用,其性能價格比高,支持的軟件豐富,和標準計算機操作系統(tǒng)的集成度高。這些優(yōu)點使得以太網(wǎng)被直接地集成到測量,數(shù)據(jù)采集,工業(yè)I/O的儀器中。以太網(wǎng)集成到工業(yè)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)中的趨勢越來越明顯。如圖1所示。 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)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)絡可以保正確定性,這個數(shù)據(jù)對應于10Mbit/s和100Mbit/s的網(wǎng)絡分別意味著120kbyte/s和1200kbyte/s的傳輸速率。而采用了智能Switch后,負載可以上升到50%^,傳輸速率可以到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的速率進行,而在一個點到點的以太網(wǎng)中,這個速率可以到550Kbyte/s。另外一些正在發(fā)展的新技術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)議的應用將進一步更好地解決不確定性的問題。
另外,工業(yè)應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,集線器,路由器等）。但是和現(xiàn)在使用于業(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)廣泛的應用于以太網(wǎng),工業(yè)應用也越來越多,工業(yè)級的部件不斷出現(xiàn)。這對于以太網(wǎng)在工業(yè)中的應用也有極大地推動。 基于以及網(wǎng)的測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn) 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)絡的PC測量系統(tǒng),另一類是基于以太網(wǎng)的I/O設備,如圖2所示。 基于網(wǎng)絡的PC測量系統(tǒng) 這種實現(xiàn)網(wǎng)絡采集系統(tǒng)的方案是利用標準的商用PC網(wǎng)絡技術和測量技術,將PC變?yōu)榫W(wǎng)絡測量的服務器。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)絡上發(fā)布數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡通信可以以各種方式來實現(xiàn),如TCFP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。現(xiàn)在有兩種技能有不同的要求�，F(xiàn)在有兩種高層的實現(xiàn)方法,即OPC和RPC,對于網(wǎng)絡底層的開發(fā)技術要求比較低。 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,它為應用程序和I/O的設備通信提供了一個標準的接口。OPC是基于COM和DCOM基礎之上的,對于開發(fā)人員來說在網(wǎng)絡上是完全透明的。RPC（遠程過程控制）是微軟的Windows的一項服務,可以用于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集,提供了簡單的應用接口。例如National Instruments利用這個技術在其數(shù)據(jù)采集的驅動程序中提供了RDA（遠程設備訪問）功能。開發(fā)人員可以調(diào)用遠程設備,其使用方法和調(diào)用本地設備一樣。 基于網(wǎng)絡的PC測量系統(tǒng)有不少優(yōu)點。 總體來講,因為這是應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)絡測試系統(tǒng)。但是,在有些應用情況下,可能現(xiàn)場不需要用一個專門的計算機進行測試,這時,應用一個專用的更小尺寸的基于以太網(wǎng)的I/O設備更為合適。 基于以太網(wǎng)的I/O設備 新的趨向是將以太網(wǎng)技術直接用于儀器儀表的設備層,網(wǎng)絡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設備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入在設備內(nèi)部,所以在網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集時,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(nèi)存。而現(xiàn)在網(wǎng)絡和計算機技術和內(nèi)存。而現(xiàn)在網(wǎng)絡和計算機技術的發(fā)展,而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)絡設備的可靠性和功能也有了不斷提高。一個基于以太網(wǎng)的設備的功能如圖3所示。 結束語 以太網(wǎng)作為分散式測量的一個網(wǎng)絡方案,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用。
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