基于以太网的数据采集和工业I/O设备

以太网已经成为LAN中的主导协议，尽管以太网开始并不是作为测量和工业应用的协议，但是随着网络技术的发展，以太网技术越来越成熟，在相当的一部分数据采集和测试测量以及工业I/O设备中，以太网技术已经或者将要发挥其巨大的作用。本文简要叙述利用以太网的测量和数据采集系统，及其独特的特点和需要特别考虑的因素。特别是以太网对于测试和数据采集系统已经带来了相当的可靠性和高性能。

本文叙述的数据采集和I/O设备是指采集和获取来自于传感器、变送器和其他设备的现实环境中的信号。数据采集卡和其他I/O设备通常包括了模拟数据和离散的数字量的输入输出，比如来自于热电偶，RTD，应变仪等传感器的信号。高速的数据采集通常可以获取整个波形的数据，如捕捉振动，声音等信号。

今天的数据采集通常是基于计算机的设备。内置的采集卡通过计算机总线和计算机连接，如PCI，PCMCIA总线等等。外置的数据采集设备通常通过串口，IEEE－488和USB等和计算机连接。在工业环境中，各种现场总线也运用的很多，如DeviceNet, Profitbus, Foundation Fieldbus等。

数据采集系统对于通信的要求是非常广泛的。许多系统环境参数的带宽是很小的，通常这些数据的采集速率低于10Hz。在另外一些应用程序中，如振动和声音的参数，采样率就要求比较高，可能到几十KHz，或者更高。更高速的场合，采样率可用(1～100)MHz作为单位，这些高速的采集设备往往有本地内存用于临时存储数据，然后在通信口上传出。

在要求很高的测量和数据采集系统中运用以太网技术时，有些特别需要考虑的因素，包括对于以太网的不确定性，高速数据传输，以及工业级网络部件的要求。

以太网协议中采用了多址访问/避免冲突(CSMA/CD)的算法，在数据链路层运用这个算法使得以太网具有数据传输的不确定性。随着宽带和高速以太网的出现，以及智能交换的应用，在以太网中数据传输的确定性大大提高，可以满足相当一部分应用的需要。据估算，在共享型以太网(无智能交换）中，当负载在10％以下时，网络可以保正确定性，这个数据对应于10Mbit/s和100Mbit/s的网络分别意味着120kbyte/s和1200kbyte/s的传输速度。而采用了智能Switch后，负载可以上升到50％，传输速度可以到600kbyte/s和6000kbyte/s。据National Instruments公司对远程数据采集的测试，在10Mbit以太网上数据采集可以连续地以340Kbyte/s的速度进行，而在一个点到点的以太网中，这个速度可以到550Kbyte/s。另外一些正在发展的新技术可以将性能和确定性的要求满足的更好。比如在高速以太网中，带宽将达到1Gb/s。而IEEE802.1p协议的应用将进一步更好地解决不确定性的问题。

另外，工业应用需要考虑部件的可靠性，例如温度、振动、电磁干扰等方面的情况。以太网大量用于办公室环境，现在缺少工业级的部件(如开关，集线器，路由器等）。但是和现在使用于工业环境比较多的现场总线比较，以太网最大的特点是成本低，开发性好。由于主流的PC平台，Windows操作系统广泛的应用于以太网，工业应用也越来越多，工业级的部件不断出现。这对于以太网在工业中的应用也有极大地推动。

实现基于以太网的数据采集和测量的系统，现在可以基本分为两种，一类是基于网络的PC测量系统，另一类是基于以太网的I/O设备，如图2所示。

这种实现网络采集系统的方案是利用标准的商用PC网络技术和测量技术，将PC变为网络测量的服务器。例如，利用插入式的数据采集卡和标准的数据采集软件来进行数据采集，然后在网络上发布数据。网络通信可以以各种方式来实现，如TCP协议，DCOM，或者OPC。这些不同的软件实现方案对于开发人员的技能有不同的要求。现在有两种高层的实现方法，即OPC和RPC,对于网络底层的开发技术要求比较低。

OPC（过程控制的对象链接和嵌入）是由工业自动化的厂商提出的标准，它为应用程序和I/O的设备通信提供了一个标准的接口。OPC是基于COM和DCOM基础之上的，对于开发人员来说在网络上是完全透明的。RPC（远程过程控制)是微软的Windows的一项服务，可以用于网络数据采集，提供了简单的应用接口。例如National Instruments利用这个技术在其数据采集的驱动程序中提供了RDA（远程设备访问）功能。开发人员可以调用远程设备，其使用方法和调用本地设备一样。

基于网络的PC测量系统有不少优点。总体来讲，因为这是应用标准的软件和硬件，在系统开发时有很大的灵活性和选择性。任何基于PC的测试系统都可以通过一定的软件工具成为网络测试系统。但是，在有些应用情况下，可能现场不需要用一个专门的计算机进行测试，这时，应用一个专用的更小尺寸的基于以太网的I/O设备更为合适。

新的趋向是将以太网技术直接用于仪器仪表的设备层，网络接口和微处理器的价格不断下降更加速了这个趋势。基于以太网的I/O设备是将以太网接口直接嵌入在设备内部，所以在网络进行数据采集时，可以有更小的设备体积，安装也更灵活。

和一些其他工业通信方案比较，以太网方式通常需要更强大的微处理器和内存。而现在网络和计算机技术的发展，可以大大的降低这方面的成本。

与独立的基于PC的测试系统比较，基于以太网的I/O设备有些独特的要求。可靠性是最重要的，由于可以采用更强大的微处理器和芯片，网络设备的可靠性和功能也有了不断提高。一个基于以太网的设备的功能如图3所示。

以太网作为分散式测量的一个网络方案，它的潜力无疑是巨大的。随着它在性能，确定性和成本上的进一步改进，必将在测量和数据采集方面有更广阔的应用。■