如何构建数据采集系统（二）

3 信号传输

传感器信号在经过设备采 集之后，通过何种方式安全而可靠地传输到上位机或者服务器中，这个问题随着大通道数（几百通道以上）数据采集项目的不断出现，其重要程度与日俱增：无论前 端设备与传感器的接线部分、还是整体系统的总线与组网模式，其中只要有一处出现疏忽，整个数据采集系统都可能会受到影响。

前端

前端，指的是数据采集设备到传感器的接线部分。传统的数据采集设备是板卡形式的（如下图），这种方式需要使用线缆与接线面板来使其与传感器引线连接。

为了进一步提升用户的接线体验，很多数据采集设备商也开始提供“直连传感器”的设备，例如NI公司推出的CompactDAQ数据采集系统，其可拆卸的C系列模块基本都自带接口（如螺旋端子、BNC等），方便工程师连线。如果用户对接口的防护性有要求，甚至需要有耐腐蚀的功能，则还可选择华穗科技（HUASUI）基于NI软硬件平台开发的高防护数据采集设备。

总线

目前主流的数据采集系统总线有很多，各有不同的优点。下表中罗列了主流设备总线的一些基本指标：

*理论最大数据传输速率基于以下的总线规范： PCI、PCI Express 1.0、 PXI、PXI Express 1.0、 USB 2.0、千兆以太网和Wi-Fi 802.11g

虽然总线种类较多，但在工程师构建数据采集系统时，以下几个因素需要综合考虑：

- 总线带宽需要能够支持数据采集的速度，需要注意的是，实际的系统带宽低于理论总线限制。 实际观察到的带宽取决于系统中设备的数量以及额外的总线载荷。 如果需要在很多通道上传输大量的数据，带宽是选择总线时最重要的考虑因素。

- 不同总线的I/O响应时间不同，它是调用驱动软件函数和更新I/O实际硬件值之间的时间延迟。根据您选择总线的不同，延迟可以从不足一微秒到几十毫秒。需要单点读写的应用程序单点I/O的相应时间是关键。一般情况下，对于低延迟的单点I/O应用来说，PCI Express和PXI Express等内部总线比USB或无线等外部总线更好。

- 许多数据采集系统都有复杂的同步需求，包括同步数百个输入通道和多种类型的设备。多个设备同步测量的最简单的方法就是共享时钟和触发。 一些数据采集设备提供专用的BNC接头的触发线，这些外部触发线在USB和以太网设备上十分常见，因为这些数据采集硬件处于PC机箱外部。 然而，某些总线内置有额外的时钟和触发线，使得多设备的同步变得非常容易（如PXI总线，具体见下图）。

- 处理器计算能力的极速增长是毋庸置疑的，它为数据采集系统的构建提供了许多新的创新方式，因此便携性也可能成为总线选择的首要考虑因素。例如，车载数据采集应用得益于结构紧凑，易于运输的硬件，如USB和以太网等外部总线，因为其快速的硬件安装以及与笔记本电脑的兼容性，特别适用于便携式数据记录系统（如ioBox L系列）。

组网方式

对于多通道数据采集系统来讲，其组网方式主要有集中式和分布式两种。集中式适合于测试地点和测试通道都在一个集中区域内的应用，而分布式则更适合于分布区域广大，且节点数较多的应用。

集中式中一个较为典型的例子就是PXI平台（下图），在一个多槽位的机箱中，工程师可以根据自己项目的不同需求选配不同的数据采集板卡（或仪器级板卡），从而以较为紧凑而标准的方式满足不同的采集需求。

分布式是相对于集中式的理念而生，其发展得最为极端的形式就是物联网，本文内容只涉及数据采集系统层面。WSN（无线传感器网络）是一个典型的分布式数据采集系统，它由节点、网关以及中央控制器（服务器）组成，从而实现分布在各个区域（一般该区域会很广泛，例如整个热带森林）节点的通讯、采集以及回传。

近来两种组网方式正在趋于综合，某些数据采集系统可以被设计来兼顾集中式和分布式，从而节省工程项目的投入成本，开拓更多的应用领域。