数据采集技术要点剖析（一）

前言

技术是一个快速迭代的循 环。有趣的是，其对于数据采集系统的进化而言是呈现双向作用的：一方面，技术的涌现使得数据采集系统的各类指标和性能得到了质的提升，开拓了很多的可能 性；而另一方面，一些传统的数据采集系统或架构很容易就会被直接替换或淘汰，这给工程师们又带来了严峻的考验与挑战。

本章节通过分析和总结多家数据采集设备提供商的技术趋势展望报告等文献，从五个方面为您阐述构建下一代数据采集系统所需掌握的技术要点。

I/O 微创新

摩尔定律在数据记录仪的作用

光纤数据采集与传输

极致稳定系统

海量数据与数据管理

1 I/O微创新

—— David Edeal, 技术产品总监, MTS传感器公司

“微创新”是一种脱胎于IT领域的方法论，它是一种从客户的角度出发，以提高用户体验的角度，不断地去做微小的改进，通过点滴的积累，最后达成巨大改善甚至颠覆。

对于一个多通道数据采集系统来讲，其中传感器与数据采集设备接口的连接（即我们所说的I/O）这一环节往往都受到工程师以及设备厂商的忽略。但是，随着几百甚至几千通道的大规模系统项目的不断出现，I/O环节中所发生的任何微小不便，都会得到指数级别的放大，而针对此环节的任何微小改善也可能让工程师的体验获得质的提升。由于这个原因，近期有一些具备先见之明的数据采集设备商已经开始将着眼点放在了I/O环节中，很多微小创意的产生都令人兴奋不已，但需要强调的是，这些努力其本质是为了提高工程师的使用体验，从而高效完成项目。

在一些通道数并不多的数 据采集系统中，工程师们一般会采用如下图所示的接线拓扑：对于每一个传感器，在将其输出引线接入数据采集设备之外，还需并行地从激励电源设备（如精密电 源）上并联上每个传感器。可以想象的是，这种在通道数少的情况下看不出任何瑕疵的方法，却完全满足不了大通道数时所面临的接线压力。

正因为用户产生了改进这 种方法的潜在需求，因此“微创新”开始了。下图是某些数据采集设备商做的一个巧妙的针对性改变：将外部激励电源的引线事先引入到数据采集设备内部，通过简 单的路由，再统一引出到接口层。这样的一种小改进甚至都没有造成成本的上升，但却可以让工程师不用频繁在激励电源和数据采集设备之间切换接线，减少出错几 率，大幅度方便了客户的接线体验。

但是，这种方法的一个局 限性在于需要整个设备中所有通道的激励电压要求都相同，而这对于多通道数据采集应用而言是不切实际的，因为系统需要测量不同的物理量，因此就要选用不同的 传感器。因此，设备又演变成下图所示的接口方式：数据采集设备内部自带了对单个通道的激励电压功能，通过总线，上位机可以控制设备对每一通道产生特定的激 励电压，从而对每一个不同的传感器分别对待。

可以看到，即使只是一个看似微小的激励电压接线问题，通过层层改善，最终也能成功地将问题妥善解决。但是“微创新”的故事并没有结束，此时，工程师们又开始对一个已然成熟颇久的技术产生了老瓶装新酒的想法。

这个技术就是“TEDS”（Transducer Electronic Data Sheets），该协议是1994年由IEEE和NIST学会联合发起，目的是希望用标准接口解决传统传感器集成的问题。简单来说，TEDS的主要功能是将每个传感器都贴上电子标签，当时提出此标准的人们无法预料的是，这个技术现在对于大规模的数据采集系统而言是极具意义的。下面的几个实际例子可以形象地说明这点：

- 就工程师的使用体验而言，当线缆插入设备的某个通道时，如果设备可以马上检测出并做相对应的指示（例如屏幕中某个通道的灯被点亮），那么在心理上会由于这 一反馈而得到满足感。虽然这是一个看似微不足道的小体验，但是这种及时反馈的方式可以有效防止工程师没有插紧或者插错等不当操作。

- 在 首次架设整套数据采集系统时，工程师们可以一次性地对每个通道写入传感器的各种信息，这样操作之后，在以后每次工程师启用系统接线时，只需要随意地将通道 接入数据采集设备接头上即可，而不用做到必须和以前一一对应；这是因为数据采集设备已经自动解析了每一个插入通道的信息（包括传感器类型，激励要求，通道 位置等），从而完全不影响最终的采集结果。

- 由于每个通道都已经预先写入了传感器的信息，因此在插入通道的同时，系统就可以自动地对该传感器进行个性化校准和标定，或者载入特殊热电偶的分度表等，整个过程完全自动化，而且出错率极小。