基于以太網的數據采集和工業I/O設備

以太網已經成為LAN中的主導協議，盡管以太網開始并不是作為測量和工業應用的協議，但是隨著網絡技術的發展，以太網技術越來越成熟，在相當的一部分數據采集和測試測量以及工業I/O設備中，以太網技術已經或者將要發揮其巨大的作用。本文簡要敘述利用以太網的測量和數據采集系統，及其獨特的特點和需要特別考慮的因素。特別是以太網對于測試和數據采集系統已經帶來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自于傳感器、變送器和其他設備的現實環境中的信號。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@取整個波形的數據，如捕捉振動，聲音等信號。

今天的數據采集通常是基于計算機的設備。內置的采集卡通過計算機總線和計算機連接，如PCI，PCMCIA總線等等。外置的數據采集設備通常通過串口，IEEE－488和USB等和計算機連接。在工業環境中，各種現場總線也運用的很多，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技術時，有些特別需要考慮的因素，包括對于以太網的不確定性，高速數據傳輸，以及工業級網絡部件的要求。

以太網協議中采用了多址訪問/避免沖突(CSMA/CD)的算法，在數據鏈路層運用這個算法使得以太網具有數據傳輸的不確定性。隨著寬帶和高速以太網的出現，以及智能交換的應用，在以太網中數據傳輸的確定性大大提高，可以滿足相當一部分應用的需要。據估算，在共享型以太網(無智能交換）中，當負載在10％以下時，網絡可以保正確定性，這個數據對應于10Mbit/s和100Mbit/s的網絡分別意味著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National Instruments公司對遠程數據采集的測試，在10Mbit以太網上數據采集可以連續地以340Kbyte/s的速度進行，而在一個點到點的以太網中，這個速度可以到550Kbyte/s。另外一些正在發展的新技術可以將性能和確定性的要求滿足的更好。比如在高速以太網中，帶寬將達到1Gb/s。而IEEE802.1p協議的應用將進一步更好地解決不確定性的問題。

另外，工業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。以太網大量用于辦公室環境，現在缺少工業級的部件(如開關，集線器，路由器等）。但是和現在使用于工業環境比較多的現場總線比較，以太網最大的特點是成本低，開發性好。由于主流的PC平臺，Windows操作系統廣泛的應用于以太網，工業應用也越來越多，工業級的部件不斷出現。這對于以太網在工業中的應用也有極大地推動。

實現基于以太網的數據采集和測量的系統，現在可以基本分為兩種，一類是基于網絡的PC測量系統，另一類是基于以太網的I/O設備，如圖2所示。

這種實現網絡采集系統的方案是利用標準的商用PC網絡技術和測量技術，將PC變為網絡測量的服務器。例如，利用插入式的數據采集卡和標準的數據采集軟件來進行數據采集，然后在網絡上發布數據。網絡通信可以以各種方式來實現，如TCP協議，DCOM，或者OPC。這些不同的軟件實現方案對于開發人員的技能有不同的要求?，F在有兩種高層的實現方法，即OPC和RPC,對于網絡底層的開發技術要求比較低。

OPC（過程控制的對象鏈接和嵌入）是由工業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，對于開發人員來說在網絡上是完全透明的。RPC（遠程過程控制)是微軟的Windows的一項服務，可以用于網絡數據采集，提供了簡單的應用接口。例如National Instruments利用這個技術在其數據采集的驅動程序中提供了RDA（遠程設備訪問）功能。開發人員可以調用遠程設備，其使用方法和調用本地設備一樣。

基于網絡的PC測量系統有不少優點?？傮w來講，因為這是應用標準的軟件和硬件，在系統開發時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一定的軟件工具成為網絡測試系統。但是，在有些應用情況下，可能現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的I/O設備更為合適。

新的趨向是將以太網技術直接用于儀器儀表的設備層，網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的I/O設備是將以太網接口直接嵌入在設備內部，所以在網絡進行數據采集時，可以有更小的設備體積，安裝也更靈活。

和一些其他工業通信方案比較，以太網方式通常需要更強大的微處理器和內存。而現在網絡和計算機技術的發展，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，基于以太網的I/O設備有些獨特的要求?？煽啃允亲钪匾模捎诳梢圆捎酶鼜姶蟮奈⑻幚砥骱托酒?，網絡設備的可靠性和功能也有了不斷提高。一個基于以太網的設備的功能如圖3所示。

以太網作為分散式測量的一個網絡方案，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，必將在測量和數據采集方面有更廣闊的應用?！?/font>