最近您會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)的電子設(shè)備都會(huì)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(gè)人助理能夠攜帶所有物品，其中包括照相機(jī)、電話、無(wú)線筆記本電腦、音樂(lè)播放器、時(shí)鐘、通信簿等等。為了取代這樣的個(gè)人助理，消費(fèi)電子 市場(chǎng)將所有這些設(shè)備方便地集成在單個(gè)封裝內(nèi)以提升功能特性，因而產(chǎn)生了多功能的移動(dòng)電話。

　　對(duì)于極高靈活性的追求，儀器系統(tǒng)市場(chǎng)與消費(fèi)電子市場(chǎng)并沒(méi)有任何不同。公司和顧問(wèn)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(cè)量設(shè)備。這一驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)錄入裝置，都是為單個(gè)實(shí)際物理量的測(cè)量而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一次性產(chǎn)品。一臺(tái)溫度數(shù)據(jù)記錄裝置便是如此，如欲測(cè)量 更多的溫度，便需要更多的設(shè)備、空間和費(fèi)用。一個(gè)更為重大的變革隨著計(jì)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(jì)算組件和測(cè)量硬件組件。 這一朝向基于PC的儀器系統(tǒng)或者說(shuō)虛擬儀器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變給予終端用戶(hù)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(wú)止盡的。對(duì)于數(shù)據(jù)采集硬件，多功能設(shè)備開(kāi)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(zhuān)有協(xié)議。數(shù)據(jù)采集設(shè)備也開(kāi)始測(cè)量包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在內(nèi)的多種類(lèi)型信號(hào)，但是，盡管支持多種類(lèi)型信號(hào)的測(cè)量，這些設(shè)備仍是完全由制造商裝配，而留給客戶(hù)的 是多余的通道、不必要的測(cè)量類(lèi)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(shuō)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(duì)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(tái)由多家制造 商按照多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)(部分標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)放式的，如PXI和VXI，其余標(biāo)準(zhǔn)則是專(zhuān)用的)設(shè)計(jì)和構(gòu)建而成。模塊化I/O旨在支持終端用戶(hù)僅購(gòu)買(mǎi)所需的通道數(shù)和信號(hào)類(lèi) 型，并能夠在未來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)而無(wú)需重復(fù)投資。模塊化系統(tǒng)的許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)為制造商和客戶(hù)共享?？蛻?hù)可以購(gòu)買(mǎi)新的模塊以升級(jí)、擴(kuò)展或改造該系統(tǒng)。而通過(guò)在其 產(chǎn)品線添加具有新的測(cè)量類(lèi)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(tái)，以滿足客戶(hù)的需求。

　　目前，從單個(gè)儀器來(lái)解決所有問(wèn)題到根據(jù)項(xiàng)目需求分開(kāi)購(gòu)買(mǎi)與配置各種獨(dú)立模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)已然形成。該趨勢(shì)綜合了商業(yè)可用(COTS)的質(zhì)量、可 靠性和支持的優(yōu)勢(shì)與內(nèi)部自定制的優(yōu)勢(shì)。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(jì)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(pán)開(kāi)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(shì)中，尺寸的降低同時(shí)并沒(méi)有犧牲通道數(shù)，例如一些 小尺寸的模塊可以提供超過(guò)30個(gè)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(gè)更經(jīng)濟(jì)的解決方案，也可能不是，但無(wú)論哪一種方式，模塊化的演變已行將止步。那么接下來(lái)問(wèn)題就似乎“下一步是什么?”了解到一 個(gè)模塊化平臺(tái)的一些高層次技術(shù)優(yōu)勢(shì)后，我們可以從中找到答案。模塊化系統(tǒng)通過(guò)在單個(gè)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(cè)試部門(mén)設(shè)備庫(kù) 中組件的數(shù)量。遺留問(wèn)題之一便是僅有通道數(shù)和信號(hào)類(lèi)型兩個(gè)特性可以改變。獨(dú)立的測(cè)量模塊解決了改變通道數(shù)和信號(hào)類(lèi)型的問(wèn)題，但市場(chǎng)希望達(dá)到更高的靈活性。

圖2. C系列硬件平臺(tái)由超過(guò)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(cè)試過(guò)程因設(shè)備不同，包含多個(gè)步驟，其中包括驗(yàn)證、受控環(huán)境 下的測(cè)試、子系統(tǒng)組件測(cè)試、硬件仿真測(cè)試、原型系統(tǒng)測(cè)試、最終制造測(cè)試及其它步驟。通過(guò)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(cè)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(chǔ)空間、與制造商的合約以及對(duì)雇員的培訓(xùn)成本。

　　可復(fù)用性的最大化對(duì)于充分利用模塊化I/O的功能非常重要。正如不同的測(cè)量類(lèi)型對(duì)應(yīng)不同的模塊，模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下一個(gè)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(jiān)固程度、可靠性等類(lèi)似選項(xiàng)。而 且，與模塊一樣，沒(méi)有一個(gè)制造商可以覆蓋每一種可能的用戶(hù)方案，但一個(gè)模塊化的、靈活的硬件族將能夠覆蓋一組類(lèi)型廣泛的前述部署。

　　為更好地闡述這一情況，請(qǐng)考慮一個(gè)假想場(chǎng)景：某公司在使用某廠商提供的靈活的硬件部署平臺(tái)。

　　假設(shè)這家公司是一個(gè)關(guān)注于項(xiàng)目咨詢(xún)的工程機(jī)構(gòu)，它專(zhuān)長(zhǎng)于機(jī)器狀況監(jiān)測(cè)(MCM)行業(yè)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與維護(hù)。該公司采用IEPE加速計(jì)進(jìn)行振動(dòng)測(cè) 量，而加速計(jì)測(cè)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(cè)量。此外，IEPE傳感器需要電流激勵(lì)以驅(qū)動(dòng)傳感器?？够殳B濾波器對(duì)于去除 系統(tǒng)中高頻噪聲的所有痕跡是一個(gè)有益的選擇，而且，由于采集速率和信號(hào)的特性，所以?xún)A向使用同步采樣ADC以確保信號(hào)的相位同步。利用一個(gè)模塊化平臺(tái)，該 信號(hào)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(gè)模塊。

　　MCM專(zhuān)家所實(shí)現(xiàn)的測(cè)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(jì)、馬達(dá)的功率負(fù)載和面向支撐殼體的振動(dòng)分析加速計(jì)。這些測(cè)量在不同 部署對(duì)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(xún)顧問(wèn)可以在出差時(shí)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(tīng)到噪聲并報(bào)告問(wèn)題時(shí)進(jìn)行。便攜式部署要求便攜式顯示裝置、存儲(chǔ)器、報(bào)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(cè)試和混合傳 感器類(lèi)型，因?yàn)槿娴臋C(jī)器檢查將包括轉(zhuǎn)速計(jì)、近程探頭和加速計(jì)。由于涉及大量數(shù)據(jù)，該大規(guī)模的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能要求更大容量的存儲(chǔ)器和更高的處理能力。該系統(tǒng) 應(yīng)當(dāng)是可移動(dòng)的，但不必像點(diǎn)檢系統(tǒng)那樣可便攜。由于臨時(shí)安裝位置通常處于工業(yè)環(huán)境，該設(shè)備也必須足夠堅(jiān)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的健康狀況，而且當(dāng)超過(guò)極限條件時(shí)，系統(tǒng)通知管理人員進(jìn)行必要的維修，或者聲音報(bào)警，或者在 危險(xiǎn)狀況下啟動(dòng)緊急關(guān)機(jī)程序。

　　該場(chǎng)景中的公司由工程師和服務(wù)技術(shù)人員組成，他們?cè)跈C(jī)器狀況監(jiān)測(cè)方面具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)于硬件設(shè)計(jì)的了解較為有限。該公司時(shí)常從現(xiàn)今的市場(chǎng) 上購(gòu)買(mǎi)這幾種設(shè)備：十年前最初設(shè)計(jì)的單盒解決方案(這對(duì)于全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(gòu)買(mǎi)、學(xué)習(xí)和維護(hù)大量不同的設(shè)備，或者嘗試尋找一個(gè)能夠提供所有這三種類(lèi)型系統(tǒng)的專(zhuān)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(gè)更可取的選擇便是設(shè)計(jì)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(jì)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(lái)自NI的C系列硬件。該平臺(tái)提供了超過(guò)40只比一副撲克牌略大的測(cè)量模塊。這些 模塊根據(jù)不同的應(yīng)用選擇針對(duì)性的部署底板和平臺(tái)。。在此例中，一個(gè)NI 9233加速計(jì)模塊可與NI USB-9162單模塊機(jī)盒結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)與筆記本電腦連接的便攜式振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。。對(duì)于全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，同一個(gè)模塊可以插入一個(gè)帶有面向近程探頭和轉(zhuǎn)速計(jì)的 其它模塊的8-插槽的NI CompactDAQ底板。對(duì)于尺寸較大的機(jī)器，可以連接并同步多個(gè)底板以進(jìn)行相位同步測(cè)量。最后，同一組模塊可以插入至面向永久安裝監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的 NI CompactRIO底板。CompactRIO底板提供4個(gè)或8個(gè)插槽，并在極其堅(jiān)固的殼體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置存儲(chǔ)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(gè)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(tái)式、嵌入式錄入，而無(wú)須改變傳感器的設(shè)置

　　除了硬件，軟件是整個(gè)方案的重要考慮因素。一個(gè)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(xún)公司的專(zhuān) 長(zhǎng)所在，而且，利用來(lái)自同一個(gè)供應(yīng)商的軟件NI LabVIEW，一個(gè)公司可以在所有這三個(gè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)上編寫(xiě)和復(fù)用分析代碼。利用這個(gè)靈活的統(tǒng)一制造商解決方案，該咨詢(xún)機(jī)構(gòu)可以更好地管理完整客戶(hù)服務(wù) 所需的培訓(xùn)與硬件。倘若該公司決定再次銷(xiāo)售該系統(tǒng)，COTS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)再次顯現(xiàn)，因?yàn)橹圃熨Y源來(lái)自于所遴選的高端品牌供應(yīng)商。

　　通過(guò)利用(如來(lái)自NI的C系列硬件的)測(cè)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。