最近您會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)的電子設(shè)備都會將多種功能集成于一體。三年前，可能這些設(shè)備的體積是現(xiàn)在的兩倍大，而其功能特性卻只有現(xiàn)在的一半。理想狀 況下，人們希望一位個人助理能夠攜帶所有物品，其中包括照相機(jī)、電話、無線筆記本電腦、音樂播放器、時鐘、通信簿等等。為了取代這樣的個人助理，消費(fèi)電子 市場將所有這些設(shè)備方便地集成在單個封裝內(nèi)以提升功能特性，因而產(chǎn)生了多功能的移動電話。
對于極高靈活性的追求，儀器系統(tǒng)市場與消費(fèi)電子市場并沒有任何不同。公司和顧問人員不斷地努力，以最大化利用數(shù)量有限的、通常也是非常昂貴的測量設(shè)備。這一驅(qū)動力引發(fā)了數(shù)據(jù)采集的多項(xiàng)演化。
早期的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，或者甚至更簡單的數(shù)據(jù)錄入裝置，都是為單個實(shí)際物理量的測量而專門設(shè)計的一次性產(chǎn)品。一臺溫度數(shù)據(jù)記錄裝置便是如此，如欲測量 更多的溫度，便需要更多的設(shè)備、空間和費(fèi)用。一個更為重大的變革隨著計算機(jī)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用而產(chǎn)生。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)立刻被劃分為成計算組件和測量硬件組件。 這一朝向基于PC的儀器系統(tǒng)或者說虛擬儀器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變給予終端用戶巨大的靈活性，因?yàn)槔脴?biāo)準(zhǔn)PC與可編程應(yīng)用軟件的強(qiáng)大功能，處理和分析能力幾乎是無止 盡的。對于數(shù)據(jù)采集硬件，多功能設(shè)備開始被廣泛使用，包括ISA、PCI、PCMCIA、PCIe和USB等在內(nèi)的多種PC總線，以及大量獨(dú)立的專有協(xié) 議。數(shù)據(jù)采集設(shè)備也開始測量包括模擬信號和數(shù)字信號在內(nèi)的多種類型信號，但是，盡管支持多種類型信號的測量，這些設(shè)備仍是完全由制造商裝配，而留給客戶的 是多余的通道、不必要的測量類型或隨著項(xiàng)目發(fā)展而受限的通道數(shù)。因此，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的另一次重要變革——模塊化系統(tǒng)。
模塊化系統(tǒng)可以說是一種構(gòu)建系統(tǒng)的最佳方案，因?yàn)樗沟孟到y(tǒng)在需要再次對額外的基本組件進(jìn)行投資之前，實(shí)現(xiàn)合理的擴(kuò)展。模塊化系統(tǒng)與平臺由多家制造 商按照多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)（部分標(biāo)準(zhǔn)是開放式的，如PXI和VXI，其余標(biāo)準(zhǔn)則是專用的）設(shè)計和構(gòu)建而成。模塊化I/O旨在支持終端用戶僅購買所需的通道數(shù)和信號類 型，并能夠在未來進(jìn)行系統(tǒng)升級而無需重復(fù)投資。模塊化系統(tǒng)的許多技術(shù)優(yōu)勢為制造商和客戶共享。客戶可以購買新的模塊以升級、擴(kuò)展或改造該系統(tǒng)。而通過在其 產(chǎn)品線添加具有新的測量類型或通道數(shù)的新模塊，制造商可以更為迅捷地提升數(shù)據(jù)采集平臺，以滿足客戶的需求。
目前，從單個儀器來解決所有問題到根據(jù)項(xiàng)目需求分開購買與配置各種獨(dú)立模塊來實(shí)現(xiàn)的發(fā)展趨勢已然形成。該趨勢綜合了商業(yè)可用（COTS）的質(zhì)量、可 靠性和支持的優(yōu)勢與內(nèi)部自定制的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的進(jìn)步和儀器系統(tǒng)中所采用的組件尺寸的降低，可以更容易地設(shè)計并實(shí)現(xiàn)尺寸更小的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組件。模塊從安 裝在大型卡槽中的托盤開始，尺寸逐漸縮小，如今僅僅比一副撲克牌稍大。在硬件與模塊的尺寸進(jìn)一步減小的趨勢中，尺寸的降低同時并沒有犧牲通道數(shù)，例如一些 小尺寸的模塊可以提供超過30個通道。
圖1. NI單模塊機(jī)盒可以安裝C系列數(shù)據(jù)采集模塊
單通道模塊可能是一個更經(jīng)濟(jì)的解決方案，也可能不是，但無論哪一種方式，模塊化的演變已行將止步。那么接下來問題就似乎“下一步是什么？”了解到一 個模塊化平臺的一些高層次技術(shù)優(yōu)勢后，我們可以從中找到答案。模塊化系統(tǒng)通過在單個底板或機(jī)架上采用可交換模塊，已經(jīng)減少了所需要的系統(tǒng)和測試部門設(shè)備庫 中組件的數(shù)量。遺留問題之一便是僅有通道數(shù)和信號類型兩個特性可以改變。獨(dú)立的測量模塊解決了改變通道數(shù)和信號類型的問題，但市場希望達(dá)到更高的靈活性。
圖2. C系列硬件平臺由超過40只模塊組成
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下一項(xiàng)變革中，不僅模塊可以互換，而且最終部署模塊的機(jī)箱也可以互換。測試過程因設(shè)備不同，包含多個步驟，其中包括驗(yàn)證、受控環(huán)境 下的測試、子系統(tǒng)組件測試、硬件仿真測試、原型系統(tǒng)測試、最終制造測試及其它步驟。通過創(chuàng)建由可互換的模塊和可選的部署方式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試工程 師們可以進(jìn)一步壓縮其硬件需求，進(jìn)而減少費(fèi)用、存儲空間、與制造商的合約以及對雇員的培訓(xùn)成本。
可復(fù)用性的最大化對于充分利用模塊化I/O的功能非常重要。正如不同的測量類型對應(yīng)不同的模塊，模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下一個演進(jìn)將為同一組的模塊提 供不同的部署選項(xiàng)。部署方式將隨行業(yè)不同而變化，但都將包括尺寸、可便攜性、與PC的連接特性、以獨(dú)立模式運(yùn)行的能力、堅固程度、可靠性等類似選項(xiàng)。而 且，與模塊一樣，沒有一個制造商可以覆蓋每一種可能的用戶方案，但一個模塊化的、靈活的硬件族將能夠覆蓋一組類型廣泛的前述部署。
為更好地闡述這一情況，請考慮一個假想場景：某公司在使用某廠商提供的靈活的硬件部署平臺。
假設(shè)這家公司是一個關(guān)注于項(xiàng)目咨詢的工程機(jī)構(gòu)，它專長于機(jī)器狀況監(jiān)測（MCM）行業(yè)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測與維護(hù)。該公司采用IEPE加速計進(jìn)行振動測 量，而加速計測量，鑒于其所需的高采樣率、高精度和高帶寬，屬于高端的傳感器測量。此外，IEPE傳感器需要電流激勵以驅(qū)動傳感器?？够殳B濾波器對于去除 系統(tǒng)中高頻噪聲的所有痕跡是一個有益的選擇，而且，由于采集速率和信號的特性，所以傾向使用同步采樣ADC以確保信號的相位同步。利用一個模塊化平臺，該 信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集電路的所有部分都必須被安裝入同一個模塊。
MCM專家所實(shí)現(xiàn)的測量通常源于面向軸校準(zhǔn)的近程傳感器、面向軸旋轉(zhuǎn)速率的轉(zhuǎn)速計、馬達(dá)的功率負(fù)載和面向支撐殼體的振動分析加速計。這些測量在不同 部署對象中進(jìn)行。其中一項(xiàng)應(yīng)用便是小型的、低通道數(shù)的便攜式單元，咨詢顧問可以在出差時攜帶它以進(jìn)行系統(tǒng)上的點(diǎn)檢。這些點(diǎn)檢可以定期完成，或者是當(dāng)操作者 聽到噪聲并報告問題時進(jìn)行。便攜式部署要求便攜式顯示裝置、存儲器、報告生成和方便的設(shè)置。更多復(fù)雜的部署涉及更高的通道數(shù)以支持全面的機(jī)器測試和混合傳 感器類型，因?yàn)槿娴臋C(jī)器檢查將包括轉(zhuǎn)速計、近程探頭和加速計。由于涉及大量數(shù)據(jù)，該大規(guī)模的監(jiān)測系統(tǒng)可能要求更大容量的存儲器和更高的處理能力。該系統(tǒng) 應(yīng)當(dāng)是可移動的，但不必像點(diǎn)檢系統(tǒng)那樣可便攜。由于臨時安裝位置通常處于工業(yè)環(huán)境，該設(shè)備也必須足夠堅固。該公司所提供的最高層次的機(jī)器維護(hù)是永久安裝的 監(jiān)測系統(tǒng)。它們是安裝于旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的在線系統(tǒng)，以連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況，而且當(dāng)超過極限條件時，系統(tǒng)通知管理人員進(jìn)行必要的維修，或者聲音報警，或者在 危險狀況下啟動緊急關(guān)機(jī)程序。
該場景中的公司由工程師和服務(wù)技術(shù)人員組成，他們在機(jī)器狀況監(jiān)測方面具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，但是對于硬件設(shè)計的了解較為有限。該公司時常從現(xiàn)今的市場 上購買這幾種設(shè)備：十年前最初設(shè)計的單盒解決方案（這對于全系統(tǒng)監(jiān)測略微偏大）， 較新的、借鑒便攜式電腦的特性面向便攜式系統(tǒng)的、基于PC的解決方案，以及更為昂貴的、面向永久安裝系統(tǒng)的、高強(qiáng)度大型系統(tǒng)。鑒于這些可供選擇的系統(tǒng)，該 公司必須購買、學(xué)習(xí)和維護(hù)大量不同的設(shè)備，或者嘗試尋找一個能夠提供所有這三種類型系統(tǒng)的專業(yè)制造商。但是，即使存在這樣的制造商，仍可能存在質(zhì)量或性能 方面的讓步。另一個更可取的選擇便是設(shè)計與構(gòu)建其自己的系統(tǒng)。這樣確保了需求規(guī)范得到嚴(yán)格滿足并且所有功能可用。然而，該公司在硬件設(shè)計方面的技術(shù)能力遠(yuǎn) 弱于最終數(shù)據(jù)的收集、讀取和分析。
其解決方案便是采用了一系列帶有模塊化I/O并部署靈活的硬件，如來自NI的C系列硬件。該平臺提供了超過40只比一副撲克牌略大的測量模塊。這些 模塊根據(jù)不同的應(yīng)用選擇針對性的部署底板和平臺。。在此例中，一個NI 9233加速計模塊可與NI USB-9162單模塊機(jī)盒結(jié)合，構(gòu)建一個與筆記本電腦連接的便攜式振動測量系統(tǒng)。。對于全系統(tǒng)監(jiān)測，同一個模塊可以插入一個帶有面向近程探頭和轉(zhuǎn)速計的 其它模塊的8-插槽的NI CompactDAQ底板。對于尺寸較大的機(jī)器，可以連接并同步多個底板以進(jìn)行相位同步測量。最后，同一組模塊可以插入至面向永久安裝監(jiān)測與報警系統(tǒng)的 NI CompactRIO底板。CompactRIO底板提供4個或8個插槽，并在極其堅固的殼體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置存儲與處理功能。CompactRIO工作環(huán)境 的溫度范圍是-40°～70°C，并能承受50個重力加速度的最大沖擊。
圖3. 許多C系列模塊可以從便攜式遷移至臺式、嵌入式錄入，而無須改變傳感器的設(shè)置
除了硬件，軟件是整個方案的重要考慮因素。一個完整的MCM系統(tǒng)需要FFT、階次分析、軌道分析和瀑布圖等函數(shù)。這樣的分析和經(jīng)驗(yàn)正是咨詢公司的專 長所在，而且，利用來自同一個供應(yīng)商的軟件NI LabVIEW，一個公司可以在所有這三個應(yīng)用開發(fā)平臺上編寫和復(fù)用分析代碼。利用這個靈活的統(tǒng)一制造商解決方案，該咨詢機(jī)構(gòu)可以更好地管理完整客戶服務(wù) 所需的培訓(xùn)與硬件。倘若該公司決定再次銷售該系統(tǒng)，COTS的技術(shù)優(yōu)勢再次顯現(xiàn)，因?yàn)橹圃熨Y源來自于所遴選的高端品牌供應(yīng)商。
通過利用（如來自NI的C系列硬件的）測控系統(tǒng)，公司可以實(shí)現(xiàn)自主研制的靈活性與COTS可靠性和支持的組合，進(jìn)而得益于靈活的模塊化I/O的全部功能。
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