最近您會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)的電子設備都會將多種功能集成于一體。三年前，可能這些設備的體積是現(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備方便地集成在單個封裝內以提升功能特性，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備。這一驅動力引發(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，便需要更多的設備、空間和費用。一個更為重大的變革隨著計算機技術的大規(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，多功能設備開始被廣泛使用，包括ISA、PCI、PCMCIA、PCIe和USB等在內的多種PC總線，以及大量獨立的專有協(xié)議。數(shù)據(jù)采集設備也開始測量包括模擬信號和數(shù)字信號在內的多種類型信號，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）設計和構建而成。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)的許多技術優(yōu)勢為制造商和客戶共享?？蛻艨梢再徺I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）的質量、可靠性和支持的優(yōu)勢與內部自定制的優(yōu)勢。隨著技術的進步和儀器系統(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。
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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。
假設這家公司是一個關注于項目咨詢的工程機構，它專長于機器狀況監(jiān)測（MCM）行業(yè)內的旋轉設備的監(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、面向軸旋轉速率的轉速計、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)。它們是安裝于旋轉設備上的在線系統(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機程序。
該場景中的公司由工程師和服務技術人員組成，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備：十年前最初設計的單盒解決方案（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，仍可能存在質量或性能方面的讓步。另一個更可取的選擇便是設計與構建其自己的系統(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，該公司在硬件設計方面的技術能力遠弱于最終數(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單模塊機盒結合，構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實現(xiàn)了內置存儲與處理功能。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。