最近您會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)的電子設(shè)備都會將多種功能集成于一體,。三年前,，可能這些設(shè)備的體積是現(xiàn)在的兩倍大，而其功能特性卻只有現(xiàn)在的一半,。理想狀況下,，人們希望一位個人助理能夠攜帶所有物品，其中包括照相機,、電話,、無線筆記本電腦、音樂播放器,、時鐘,、通信簿等等。為了取代這樣的個人助理,，消費電子市場將所有這些設(shè)備方便地集成在單個封裝內(nèi)以提升功能特性,，因而產(chǎn)生了多功能的移動電話。
對于極高靈活性的追求,，儀器系統(tǒng)市場與消費電子市場并沒有任何不同,。公司和顧問人員不斷地努力,，以最大化利用數(shù)量有限的、通常也是非常昂貴的測量設(shè)備,。這一驅(qū)動力引發(fā)了數(shù)據(jù)采集的多項演化,。
早期的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，或者甚至更簡單的數(shù)據(jù)錄入裝置,，都是為單個實際物理量的測量而專門設(shè)計的一次性產(chǎn)品,。一臺溫度數(shù)據(jù)記錄裝置便是如此，如欲測量更多的溫度,，便需要更多的設(shè)備、空間和費用,。一個更為重大的變革隨著計算機技術(shù)的大規(guī)模應用而產(chǎn)生,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)立刻被劃分為成計算組件和測量硬件組件。這一朝向基于PC的儀器系統(tǒng)或者說虛擬儀器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變給予終端用戶巨大的靈活性,，因為利用標準PC與可編程應用軟件的強大功能,，處理和分析能力幾乎是無止盡的。對于數(shù)據(jù)采集硬件,，多功能設(shè)備開始被廣泛使用,，包括ISA、PCI,、PCMCIA,、PCIe和USB等在內(nèi)的多種PC總線，以及大量獨立的專有協(xié)議,。數(shù)據(jù)采集設(shè)備也開始測量包括模擬信號和數(shù)字信號在內(nèi)的多種類型信號,，但是，盡管支持多種類型信號的測量,，這些設(shè)備仍是完全由制造商裝配,，而留給客戶的是多余的通道、不必要的測量類型或隨著項目發(fā)展而受限的通道數(shù),。因此,，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的另一次重要變革——模塊化系統(tǒng)。
模塊化系統(tǒng)可以說是一種構(gòu)建系統(tǒng)的最佳方案,，因為它使得系統(tǒng)在需要再次對額外的基本組件進行投資之前,，實現(xiàn)合理的擴展。模塊化系統(tǒng)與平臺由多家制造商按照多項標準（部分標準是開放式的,，如PXI和VXI,，其余標準則是專用的）設(shè)計和構(gòu)建而成。模塊化I/O旨在支持終端用戶僅購買所需的通道數(shù)和信號類型,，并能夠在未來進行系統(tǒng)升級而無需重復投資,。模塊化系統(tǒng)的許多技術(shù)優(yōu)勢為制造商和客戶共享,。客戶可以購買新的模塊以升級,、擴展或改造該系統(tǒng),。而通過在其產(chǎn)品線添加具有新的測量類型或通道數(shù)的新模塊，制造商可以更為迅捷地提升數(shù)據(jù)采集平臺,，以滿足客戶的需求,。
目前，從單個儀器來解決所有問題到根據(jù)項目需求分開購買與配置各種獨立模塊來實現(xiàn)的發(fā)展趨勢已然形成,。該趨勢綜合了商業(yè)可用（COTS）的質(zhì)量,、可靠性和支持的優(yōu)勢與內(nèi)部自定制的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的進步和儀器系統(tǒng)中所采用的組件尺寸的降低,，可以更容易地設(shè)計并實現(xiàn)尺寸更小的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組件,。模塊從安裝在大型卡槽中的托盤開始，尺寸逐漸縮小,，如今僅僅比一副撲克牌稍大,。在硬件與模塊的尺寸進一步減小的趨勢中，尺寸的降低同時并沒有犧牲通道數(shù),，例如一些小尺寸的模塊可以提供超過30個通道,。
ni.com/cms/images/devzone/tut/azvhhupv4026772274706269732.jpg" width="312" />
圖1. NI單模塊機盒可以安裝C系列數(shù)據(jù)采集模塊
單通道模塊可能是一個更經(jīng)濟的解決方案，也可能不是,，但無論哪一種方式,，模塊化的演變已行將止步。那么接下來問題就似乎“下一步是什么,？”了解到一個模塊化平臺的一些高層次技術(shù)優(yōu)勢后,，我們可以從中找到答案。模塊化系統(tǒng)通過在單個底板或機架上采用可交換模塊,，已經(jīng)減少了所需要的系統(tǒng)和測試部門設(shè)備庫中組件的數(shù)量,。遺留問題之一便是僅有通道數(shù)和信號類型兩個特性可以改變。獨立的測量模塊解決了改變通道數(shù)和信號類型的問題,，但市場希望達到更高的靈活性,。
圖2. C系列硬件平臺由超過40只模塊組成
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下一項變革中，不僅模塊可以互換,，而且最終部署模塊的機箱也可以互換,。測試過程因設(shè)備不同，包含多個步驟,，其中包括驗證,、受控環(huán)境下的測試、子系統(tǒng)組件測試,、硬件仿真測試,、原型系統(tǒng)測試,、最終制造測試及其它步驟。通過創(chuàng)建由可互換的模塊和可選的部署方式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，測試工程師們可以進一步壓縮其硬件需求,，進而減少費用、存儲空間,、與制造商的合約以及對雇員的培訓成本,。
可復用性的最大化對于充分利用模塊化I/O的功能非常重要。正如不同的測量類型對應不同的模塊,，模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下一個演進將為同一組的模塊提供不同的部署選項,。部署方式將隨行業(yè)不同而變化，但都將包括尺寸,、可便攜性,、與PC的連接特性、以獨立模式運行的能力,、堅固程度、可靠性等類似選項,。而且,，與模塊一樣，沒有一個制造商可以覆蓋每一種可能的用戶方案,，但一個模塊化的,、靈活的硬件族將能夠覆蓋一組類型廣泛的前述部署。
為更好地闡述這一情況,，請考慮一個假想場景：某公司在使用某廠商提供的靈活的硬件部署平臺,。
假設(shè)這家公司是一個關(guān)注于項目咨詢的工程機構(gòu)，它專長于機器狀況監(jiān)測（MCM）行業(yè)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測與維護,。該公司采用IEPE加速計進行振動測量,，而加速計測量，鑒于其所需的高采樣率,、高精度和高帶寬,，屬于高端的傳感器測量。此外,，IEPE傳感器需要電流激勵以驅(qū)動傳感器,。抗混疊濾波器對于去除系統(tǒng)中高頻噪聲的所有痕跡是一個有益的選擇,，而且,，由于采集速率和信號的特性，所以傾向使用同步采樣ADC以確保信號的相位同步,。利用一個模塊化平臺,，該信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集電路的所有部分都必須被安裝入同一個模塊,。
MCM專家所實現(xiàn)的測量通常源于面向軸校準的近程傳感器、面向軸旋轉(zhuǎn)速率的轉(zhuǎn)速計,、馬達的功率負載和面向支撐殼體的振動分析加速計,。這些測量在不同部署對象中進行。其中一項應用便是小型的,、低通道數(shù)的便攜式單元,，咨詢顧問可以在出差時攜帶它以進行系統(tǒng)上的點檢。這些點檢可以定期完成,，或者是當操作者聽到噪聲并報告問題時進行,。便攜式部署要求便攜式顯示裝置、存儲器,、報告生成和方便的設(shè)置,。更多復雜的部署涉及更高的通道數(shù)以支持全面的機器測試和混合傳感器類型，因為全面的機器檢查將包括轉(zhuǎn)速計,、近程探頭和加速計,。由于涉及大量數(shù)據(jù)，該大規(guī)模的監(jiān)測系統(tǒng)可能要求更大容量的存儲器和更高的處理能力,。該系統(tǒng)應當是可移動的,，但不必像點檢系統(tǒng)那樣可便攜。由于臨時安裝位置通常處于工業(yè)環(huán)境,，該設(shè)備也必須足夠堅固,。該公司所提供的最高層次的機器維護是永久安裝的監(jiān)測系統(tǒng)。它們是安裝于旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的在線系統(tǒng),，以連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況,，而且當超過極限條件時，系統(tǒng)通知管理人員進行必要的維修,，或者聲音報警,，或者在危險狀況下啟動緊急關(guān)機程序。
該場景中的公司由工程師和服務技術(shù)人員組成,，他們在機器狀況監(jiān)測方面具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗,，但是對于硬件設(shè)計的了解較為有限。該公司時常從現(xiàn)今的市場上購買這幾種設(shè)備：十年前最初設(shè)計的單盒解決方案（這對于全系統(tǒng)監(jiān)測略微偏大）,， 較新的,、借鑒便攜式電腦的特性面向便攜式系統(tǒng)的、基于PC的解決方案,，以及更為昂貴的,、面向永久安裝系統(tǒng)的、高強度大型系統(tǒng)。鑒于這些可供選擇的系統(tǒng),，該公司必須購買,、學習和維護大量不同的設(shè)備，或者嘗試尋找一個能夠提供所有這三種類型系統(tǒng)的專業(yè)制造商,。但是,，即使存在這樣的制造商，仍可能存在質(zhì)量或性能方面的讓步,。另一個更可取的選擇便是設(shè)計與構(gòu)建其自己的系統(tǒng),。這樣確保了需求規(guī)范得到嚴格滿足并且所有功能可用。然而,，該公司在硬件設(shè)計方面的技術(shù)能力遠弱于最終數(shù)據(jù)的收集,、讀取和分析。
其解決方案便是采用了一系列帶有模塊化I/O并部署靈活的硬件,，如來自NI的C系列硬件,。該平臺提供了超過40只比一副撲克牌略大的測量模塊。這些模塊根據(jù)不同的應用選擇針對性的部署底板和平臺,。,。在此例中，一個NI 9233加速計模塊可與NI USB-9162單模塊機盒結(jié)合,，構(gòu)建一個與筆記本電腦連接的便攜式振動測量系統(tǒng),。。對于全系統(tǒng)監(jiān)測,，同一個模塊可以插入一個帶有面向近程探頭和轉(zhuǎn)速計的其它模塊的8-插槽的NI CompactDAQ底板。對于尺寸較大的機器,，可以連接并同步多個底板以進行相位同步測量,。最后，同一組模塊可以插入至面向永久安裝監(jiān)測與報警系統(tǒng)的NI CompactRIO底板,。CompactRIO底板提供4個或8個插槽,，并在極其堅固的殼體內(nèi)實現(xiàn)了內(nèi)置存儲與處理功能。CompactRIO工作環(huán)境的溫度范圍是-40°～70°C,，并能承受50個重力加速度的最大沖擊,。
圖3. 許多C系列模塊可以從便攜式遷移至臺式、嵌入式錄入,，而無須改變傳感器的設(shè)置
除了硬件,，軟件是整個方案的重要考慮因素。一個完整的MCM系統(tǒng)需要FFT,、階次分析,、軌道分析和瀑布圖等函數(shù)。這樣的分析和經(jīng)驗正是咨詢公司的專長所在,，而且,，利用來自同一個供應商的軟件NI LabVIEW,，一個公司可以在所有這三個應用開發(fā)平臺上編寫和復用分析代碼。利用這個靈活的統(tǒng)一制造商解決方案,，該咨詢機構(gòu)可以更好地管理完整客戶服務所需的培訓與硬件,。倘若該公司決定再次銷售該系統(tǒng)，COTS的技術(shù)優(yōu)勢再次顯現(xiàn),，因為制造資源來自于所遴選的高端品牌供應商,。
通過利用（如來自NI的C系列硬件的）測控系統(tǒng)，公司可以實現(xiàn)自主研制的靈活性與COTS可靠性和支持的組合,，進而得益于靈活的模塊化I/O的全部功能,。