数据采集的新技术及发展动态

数据采集的新技术及发展动态

1、数据采集系统的历史与发展

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。

从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如：国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：FTQ总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。 20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。

20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统（DAS）。目前有的DAS 产品精度已达16位，采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。

该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VXI总线系统，PCI、PXI总线系统等，数据位已达到B) 位总线宽度，采样频率可以达到100MSps[1]。由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。，由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的

局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。

2、数据采集系统的发展与通信协议

施耐德电气公司的Modicom产品早在1978年就推出了世界第一个生产现场控制（PLC）和主机的通信协议Modbus，该协议以简洁、开放、可靠而逐渐成为事实上的工业标准。1989年推出的世界上第一个对等的工业控制网络Modbus Plus，实现了数据的高速、实时、对等的传输。为提高可靠性，随后又推出具有冗余功能的Modbus，它大大提高了系统数据传输的可靠性。

20世纪70年代自以太网诞生以来，工业控制总线有了长足的进步，通信速率由10M提高到100M、1000M甚至10G。以太网的标准统一开放(IEEE802.3系列)，技术成熟，有众多的厂家支持，使得以太网产品价格相对低廉，而且不同厂家之间的产品可以轻松互连。以太网与Internet的连接也相当容易，因此，目前也正处于快速发展的时期。鉴于以太网具有成熟的技术、低廉的成本、丰富的开发工具与技术支持，以及和Internet网的无缝连接等优点，有人提议将以太网技术不仅应用在信息层中，而且将其推广到工业控制层和设备层，以实现管控测一体化网络。

随着互联网技术和IT技术的飞速发展，为适应未来技术发展的趋势，保障用户的投资，施耐德电气公司第一个推出了工业控制领域的开放的TCP/IP以太网Modbus TCP/IP[2]，该技术采用IT行业广泛应用的技术TCP/IP，底层协议采用开放的Modbus，第一次真正地将工业数据采集与控制网络和IT网络融合为一体，使用户彻底摆脱了各种行业的工业数据采集与控制网络的束缚和限制，进入了工业控制领域的新境界。基于TCP/IP协议，可以把数据采集与工控方案变得“透明”，使生产过程的数据采集与工厂的各种控制设备和计算机设备间实现透明传输数据。同时使用户真正可以享受最新IT技术带来的各种好处，使企业的生产系统、ERP系统、MES系统透明实现了无缝的连接，也为制造业用户未来的电子商务应用提供了生产控制系统的基础。

以太网在企业的管理层应用较多，但是，在底层的设备控制层以太网的应用刚刚起步。究其原因，在于以太网协议中的CSMA/CD机制。这一机制使得以太网本质上不是实时的。而且，由于冲突的存在使得以太网具有不确定性，甚至由于频繁的碰撞，导致最终某些节点抛弃当前的数据帧，使可靠性下降。

然而随着技术的发展，以太网标准在过去五年中，特别是在确定性、速度和优先法则方面有了很大提高，以太网越来越能够满足工业应用的需要，现场总线的通信功能完全可由以太网较好地完成。最近几年，交换式以太网技术的出现大大地提高了以太网的确定性。利用交换技术，可以将一个较大的网络分隔成为各个相对独立的冲突域，冲突只能在一个相对较小的区域内发生，这样大大地减小了冲突发生的概率，从而提高了网络的确定性和实时性。在与传统现场总线的对比测试中，以太网显示出了明显的优势，使其能够胜任数据采集和控制对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求。以太网已被证明是未来数据采集和控制网络的最佳解决方案，其应用于现场设备控制层是控制网络发展的趋势，并将极大地促进信息从传感器到管理层的集成。

3、国内外数据采集器的现况

数据采集器是一种具有现场记录、分析功能的设备或现场记录、离线分析机