數(shù)據(jù)采集技術(shù)要點(diǎn)剖析（四）

—— 《全球數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告》

近來(lái)，一種觀念正在悄然變化。

那就是工程師們對(duì)數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求逐漸達(dá)到了最高峰值。縱觀整個(gè)測(cè)試測(cè)量行業(yè)，雖然設(shè)備成本依舊是需考慮的因素之一，但是我們可以看到，系統(tǒng)的總體可靠性、長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn) 定性以及對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境的適應(yīng)性逐漸成為系統(tǒng)選擇和決策的關(guān)鍵考察指標(biāo)；基本上，對(duì)于較多通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，幾乎已經(jīng)沒(méi)有低端數(shù)據(jù)采集設(shè)備商的身影。

產(chǎn)生如此現(xiàn)象并非空穴來(lái)風(fēng)。首先，隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采樣速率和通道數(shù)都獲得了巨大的提升，而這種提升所給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)的壓力并非線性而是指數(shù)般的關(guān)系，因此整體系統(tǒng)的出錯(cuò)率也會(huì)成倍增大（試想一下對(duì)8個(gè)通道和對(duì)80個(gè) 通道進(jìn)行布線的區(qū)別），以前可以忽略不計(jì)的小概率事件現(xiàn)在幾乎已成必然；其次，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所在的工作環(huán)境相比以前也復(fù)雜了很多，以前的系統(tǒng)基本上都是靜 止而獨(dú)立的放置在實(shí)驗(yàn)室中的機(jī)柜中，通過(guò)較長(zhǎng)的電纜連接到被測(cè)物上（真正的試驗(yàn)地點(diǎn)）的各種傳感器；而現(xiàn)在隨著分布式的架構(gòu)以及將數(shù)據(jù)采集設(shè)備盡可能接近 傳感器的布線原則逐漸主流，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)放置在無(wú)人的室外區(qū)域（例如熱帶雨林環(huán)境監(jiān)測(cè)）或者直接在被測(cè)物所在的試驗(yàn)點(diǎn)工作（例如會(huì)產(chǎn)生高溫、腐蝕氣體的 航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架）；最后，工程師們對(duì)數(shù)據(jù)所具有的價(jià)值也得到了意識(shí)上的更新，在一次成本異常昂貴的試驗(yàn)（例如汽車(chē)破壞性碰撞安全試驗(yàn)）中如果數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)出現(xiàn)些許的問(wèn)題（不必要的延遲或者漏點(diǎn)），那么極有可能會(huì)造成本次試驗(yàn)的完全失效。

雖然上述三點(diǎn)現(xiàn)狀成因于 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開(kāi)拓，這是好事，但是諷刺意味的是，由于事物的兩面性，這反過(guò)來(lái)又向工程師們提出了更巨大的挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì)，一 系列的對(duì)新一代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的要求正在無(wú)形之中融合；借鑒于電視行業(yè)中采用“極清“來(lái)表示”高清“的下一個(gè)發(fā)展階段，這里我們將這種理想系統(tǒng)暫 命名為“極致穩(wěn)定系統(tǒng)”。

雖然目前尚未形成明晰的標(biāo)準(zhǔn)，但我們可以確信的是，以下幾個(gè)因素會(huì)是實(shí)現(xiàn)“極致穩(wěn)定系統(tǒng)“的主要考慮方向：

防護(hù)性

承載實(shí)際數(shù)據(jù)采集工作的各種硬件設(shè)備是整個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的核心，如果它們?cè)谀承┕ぷ鳝h(huán)境的突然變化（例如溫度過(guò)高）下發(fā)生失效，那么勢(shì)必會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。因此，努力提高這些硬件設(shè)備的防護(hù)性是很容易想到的一點(diǎn)。

所謂防護(hù)，對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，主要就是通常意義上的“三防“，即防塵、防水與防振。對(duì)于前兩者而言，國(guó)際較為通用的是IP（Ingress Protection）等級(jí)，其由兩個(gè)數(shù)字所組成，第一個(gè)數(shù)字表示防塵；第二個(gè)數(shù)字由表示防水，數(shù)字越大表示其防護(hù)功能越好。例如通過(guò)IP67標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品表示其可以完全防止粉塵進(jìn)入且可防止浸水時(shí)水的侵入。對(duì)于防振，主要會(huì)看的是設(shè)備在工作狀態(tài)時(shí)能夠承受多少量級(jí)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和沖擊，此外還有從多少米下做的特定跌落測(cè)試等等。

觀察手機(jī)的發(fā)展軌跡，不難發(fā)現(xiàn)，以前的人們可能都不會(huì)想到，現(xiàn)在觸摸屏已經(jīng)是手機(jī)不可或缺的組件，而當(dāng)時(shí)流行的翻蓋樣式的手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)裊無(wú)蹤跡。同樣，在不久之前，具備三防特性會(huì)被認(rèn)為是設(shè)備高端的標(biāo)志，一般這類(lèi)產(chǎn)品只會(huì)用在軍用級(jí)別的領(lǐng)域，且價(jià)格極其昂貴；而現(xiàn)在，具備IP等級(jí)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備已全面進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，價(jià)格適中，甚至某些數(shù)據(jù)采集設(shè)備商所提供的產(chǎn)品系列都是默認(rèn)三防

確定性

很多多通道數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都需要系統(tǒng)具備高度的確定性，這里我們所要討論的范疇其實(shí)已經(jīng)和硬件無(wú)關(guān)，而是軟件層面的問(wèn)題。

所謂確定性，就是指在軟件中是否能夠始終如一地再已知時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)完成一項(xiàng)任務(wù)。例如，如果某設(shè)備多次或循環(huán)執(zhí)行相同任務(wù)時(shí)執(zhí)行時(shí)間的變化或抖動(dòng)范圍越大，或者受外界交互影響（例如鼠標(biāo)操作或者新打開(kāi)一個(gè)文件夾等），那么其確定性就越差，從這個(gè)角度來(lái)看，類(lèi)似Windows 7或者M(jìn)ac OSX等一般的操作系統(tǒng)其實(shí)是完全不具備確定性可言，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（例如VxWorks、uC-OS/2等） 可以通過(guò)非常精確地對(duì)您應(yīng)用程序任務(wù)進(jìn)行時(shí)序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)確定性，從而確保關(guān)鍵應(yīng)用程序執(zhí)行始終如一，耗時(shí)固定。因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)中，我們一般會(huì)將 實(shí)際采集操作這些對(duì)確定性要求很高的部分放在下位機(jī)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中來(lái)完成，而將系統(tǒng)配置、急停、顯示等功能放在上位機(jī)來(lái)做。

當(dāng)然，除了使用實(shí)時(shí)系統(tǒng)之外，有些廠商為工程師們想得更遠(yuǎn)。NI公司創(chuàng)造性地將實(shí)時(shí)系統(tǒng)與FPGA兩者有效的融合，提出了可重置I/O，即RIO的系統(tǒng)架構(gòu)，如下圖所示：

圖： 可重置I/O架構(gòu)

由于篇幅原因，這里不做過(guò)于細(xì)節(jié)的描述，這種架構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)在于引入了FPGA，它可以幫助處理器分擔(dān)密集型的任務(wù)，具備極高的吞吐量，此外它的確定性決策和操作可以直接與硬件I/O連接，從而實(shí)現(xiàn)更多的高性能訪問(wèn)，例如互鎖、條件觸發(fā)、時(shí)序、同步等，控制速率最快可以達(dá)到ns級(jí)別。相比單一的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這樣的架構(gòu)將有更多的可塑性和想象空間。

數(shù)據(jù)冗余

作為一個(gè)穩(wěn)定工作的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最關(guān)鍵的就是其采集數(shù)據(jù)不出差錯(cuò)，不漏點(diǎn)，不多點(diǎn)等，特別是長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集的情況下（例如連續(xù)3-4個(gè)月的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)），要滿足這樣的嚴(yán)苛條件，其實(shí)是很困難的。這個(gè)時(shí)候，采用冗余的方法是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的思路。
冗余這個(gè)理念并不新鮮，通常指通過(guò)多重備份來(lái)增加系統(tǒng)的可靠性。例如在工程項(xiàng)目中，有時(shí)工程師會(huì)為某些關(guān)鍵設(shè)備提供UPS備用電源，這樣當(dāng)突然斷電的情況出現(xiàn)時(shí)，可以讓設(shè)備繼續(xù)正常工作一段時(shí)間，從而不影響整個(gè)系統(tǒng)，這就是冗余最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。