如何構建數據采集系統（二）

傳感器信號在經過設備采 集之后，通過何種方式安全而可靠地傳輸到上位機或者服務器中，這個問題隨著大通道數（幾百通道以上）數據采集項目的不斷出現，其重要程度與日俱增：無論前 端設備與傳感器的接線部分、還是整體系統的總線與組網模式，其中只要有一處出現疏忽，整個數據采集系統都可能會受到影響。

前端

前端，指的是數據采集設備到傳感器的接線部分。傳統的數據采集設備是板卡形式的（如下圖），這種方式需要使用線纜與接線面板來使其與傳感器引線連接。

為了進一步提升用戶的接線體驗，很多數據采集設備商也開始提供“直連傳感器”的設備，例如NI公司推出的CompactDAQ數據采集系統，其可拆卸的C系列模塊基本都自帶接口（如螺旋端子、BNC等），方便工程師連線。如果用戶對接口的防護性有要求，甚至需要有耐腐蝕的功能，則還可選擇華穗科技（HUASUI）基于NI軟硬件平臺開發的高防護數據采集設備。

總線

目前主流的數據采集系統總線有很多，各有不同的優點。下表中羅列了主流設備總線的一些基本指標：

*理論最大數據傳輸速率基于以下的總線規范： PCI、PCI Express 1.0、 PXI、PXI Express 1.0、 USB 2.0、千兆以太網和Wi-Fi 802.11g

雖然總線種類較多，但在工程師構建數據采集系統時，以下幾個因素需要綜合考慮：

- 總線帶寬需要能夠支持數據采集的速度，需要注意的是，實際的系統帶寬低于理論總線限制。 實際觀察到的帶寬取決于系統中設備的數量以及額外的總線載荷。 如果需要在很多通道上傳輸大量的數據，帶寬是選擇總線時最重要的考慮因素。

- 不同總線的I/O響應時間不同，它是調用驅動軟件函數和更新I/O實際硬件值之間的時間延遲。根據您選擇總線的不同，延遲可以從不足一微秒到幾十毫秒。需要單點讀寫的應用程序單點I/O的相應時間是關鍵。一般情況下，對于低延遲的單點I/O應用來說，PCI Express和PXI Express等內部總線比USB或無線等外部總線更好。

- 許多數據采集系統都有復雜的同步需求，包括同步數百個輸入通道和多種類型的設備。多個設備同步測量的最簡單的方法就是共享時鐘和觸發。 一些數據采集設備提供專用的BNC接頭的觸發線，這些外部觸發線在USB和以太網設備上十分常見，因為這些數據采集硬件處于PC機箱外部。 然而，某些總線內置有額外的時鐘和觸發線，使得多設備的同步變得非常容易（如PXI總線，具體見下圖）。

- 處理器計算能力的極速增長是毋庸置疑的，它為數據采集系統的構建提供了許多新的創新方式，因此便攜性也可能成為總線選擇的首要考慮因素。例如，車載數據采集應用得益于結構緊湊，易于運輸的硬件，如USB和以太網等外部總線，因為其快速的硬件安裝以及與筆記本電腦的兼容性，特別適用于便攜式數據記錄系統（如ioBox L系列）。

組網方式

對于多通道數據采集系統來講，其組網方式主要有集中式和分布式兩種。集中式適合于測試地點和測試通道都在一個集中區域內的應用，而分布式則更適合于分布區域廣大，且節點數較多的應用。

集中式中一個較為典型的例子就是PXI平臺（下圖），在一個多槽位的機箱中，工程師可以根據自己項目的不同需求選配不同的數據采集板卡（或儀器級板卡），從而以較為緊湊而標準的方式滿足不同的采集需求。

分布式是相對于集中式的理念而生，其發展得最為極端的形式就是物聯網，本文內容只涉及數據采集系統層面。WSN（無線傳感器網絡）是一個典型的分布式數據采集系統，它由節點、網關以及中央控制器（服務器）組成，從而實現分布在各個區域（一般該區域會很廣泛，例如整個熱帶森林）節點的通訊、采集以及回傳。

近來兩種組網方式正在趨于綜合，某些數據采集系統可以被設計來兼顧集中式和分布式，從而節省工程項目的投入成本，開拓更多的應用領域。