数据采集技术要点剖析（四）

“ 测控系统的挑战不仅在于更大的数据吞吐，更要求系统的低功耗、稳定性以及可部署性……”

—— 《全球数据采集技术发展趋势报告》

近来，一种观念正在悄然变化。

那就是工程师们对数据采 集系统的稳定性需求逐渐达到了最高峰值。纵观整个测试测量行业，虽然设备成本依旧是需考虑的因素之一，但是我们可以看到，系统的总体可靠性、长时间工作稳 定性以及对严酷环境的适应性逐渐成为系统选择和决策的关键考察指标；基本上，对于较多通道数的数据采集系统而言，几乎已经没有低端数据采集设备商的身影。

产生如此现象并非空穴来风。首先，随着技术的发展，数据采集设备采样速率和通道数都获得了巨大的提升，而这种提升所给整个系统带来的压力并非线性而是指数般的关系，因此整体系统的出错率也会成倍增大（试想一下对8个通道和对80个 通道进行布线的区别），以前可以忽略不计的小概率事件现在几乎已成必然；其次，数据采集系统所在的工作环境相比以前也复杂了很多，以前的系统基本上都是静 止而独立的放置在实验室中的机柜中，通过较长的电缆连接到被测物上（真正的试验地点）的各种传感器；而现在随着分布式的架构以及将数据采集设备尽可能接近 传感器的布线原则逐渐主流，数据采集系统会放置在无人的室外区域（例如热带雨林环境监测）或者直接在被测物所在的试验点工作（例如会产生高温、腐蚀气体的 航空发动机试验台架）；最后，工程师们对数据所具有的价值也得到了意识上的更新，在一次成本异常昂贵的试验（例如汽车破坏性碰撞安全试验）中如果数据采集 系统出现些许的问题（不必要的延迟或者漏点），那么极有可能会造成本次试验的完全失效。

虽然上述三点现状成因于 数据采集系统应用领域的不断开拓，这是好事，但是讽刺意味的是，由于事物的两面性，这反过来又向工程师们提出了更巨大的挑战。因此，针对这一发展趋势，一 系列的对新一代数据采集系统稳定性方面的要求正在无形之中融合；借鉴于电视行业中采用“极清“来表示”高清“的下一个发展阶段，这里我们将这种理想系统暂 命名为“极致稳定系统”。

虽然目前尚未形成明晰的标准，但我们可以确信的是，以下几个因素会是实现“极致稳定系统“的主要考虑方向：

防护性

承载实际数据采集工作的各种硬件设备是整个多通道数据采集系统中的核心，如果它们在某些工作环境的突然变化（例如温度过高）下发生失效，那么势必会造成整个系统的瘫痪。因此，努力提高这些硬件设备的防护性是很容易想到的一点。

所谓防护，对于电子设备来说，主要就是通常意义上的“三防“，即防尘、防水与防振。对于前两者而言，国际较为通用的是IP（Ingress Protection）等级，其由两个数字所组成，第一个数字表示防尘；第二个数字由表示防水，数字越大表示其防护功能越好。例如通过IP67标准的产品表示其可以完全防止粉尘进入且可防止浸水时水的侵入。对于防振，主要会看的是设备在工作状态时能够承受多少量级的往复运动和冲击，此外还有从多少米下做的特定跌落测试等等。

观察手机的发展轨迹，不难发现，以前的人们可能都不会想到，现在触摸屏已经是手机不可或缺的组件，而当时流行的翻盖样式的手机现在已经袅无踪迹。同样，在不久之前，具备三防特性会被认为是设备高端的标志，一般这类产品只会用在军用级别的领域，且价格极其昂贵；而现在，具备IP等级的数据采集设备已全面进入工业领域，价格适中，甚至某些数据采集设备商所提供的产品系列都是默认三防

确定性

很多多通道数据采集应用都需要系统具备高度的确定性，这里我们所要讨论的范畴其实已经和硬件无关，而是软件层面的问题。

所谓确定性，就是指在软件中是否能够始终如一地再已知时间长度内完成一项任务。例如，如果某设备多次或循环执行相同任务时执行时间的变化或抖动范围越大，或者受外界交互影响（例如鼠标操作或者新打开一个文件夹等），那么其确定性就越差，从这个角度来看，类似Windows 7或者Mac OSX等一般的操作系统其实是完全不具备确定性可言，而实时操作系统（例如VxWorks、uC-OS/2等） 可以通过非常精确地对您应用程序任务进行时序控制来实现确定性，从而确保关键应用程序执行始终如一，耗时固定。因此，在数据采集系统架构中，我们一般会将 实际采集操作这些对确定性要求很高的部分放在下位机的实时系统中来完成，而将系统配置、急停、显示等功能放在上位机来做。

当然，除了使用实时系统之外，有些厂商为工程师们想得更远。NI公司创造性地将实时系统与FPGA两者有效的融合，提出了可重置I/O，即RIO的系统架构，如下图所示：

图： 可重置I/O架构

由于篇幅原因，这里不做过于细节的描述，这种架构的关键点在于引入了FPGA，它可以帮助处理器分担密集型的任务，具备极高的吞吐量，此外它的确定性决策和操作可以直接与硬件I/O连接，从而实现更多的高性能访问，例如互锁、条件触发、时序、同步等，控制速率最快可以达到ns级别。相比单一的实时操作系统，这样的架构将有更多的可塑性和想象空间。

数据冗余

作为一个稳定工作的多通道数据采集系统，最关键的就是其采集数据不出差错，不漏点，不多点等，特别是长期数据采集的情况下（例如连续3-4个月的长期监测），要满足这样的严苛条件，其实是很困难的。这个时候，采用冗余的方法是一个简单有效的思路。
冗余这个理念并不新鲜，通常指通过多重备份来增加系统的可靠性。例如在工程项目中，有时工程师会为某些关键设备提供UPS备用电源，这样当突然断电的情况出现时，可以让设备继续正常工作一段时间，从而不影响整个系统，这就是冗余最简单的应用。

综上所述，考虑整体系统的稳定性，是工程师在构建多通道数据采集系统之前就必须想到的。我们相信，“极致稳定系统”在不久的将来必定会发展为一种规范和标准，而以上所讨论的防护、确定性以及冗余设计等都极有可能成为各类测试设备的“标准配置”。