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1. USB數(shù)據(jù)采集控制器簡介

    LabJack U12是一個多功能USB數(shù)據(jù)采集控制器，它在同類產(chǎn)品中性價比最高。具有8個模擬輸入通道，2個模擬輸出通道和20個可編程數(shù)字輸入輸出通道。它已被廣泛地應用于實驗/試驗設備、自動測試設備、及其它PC-Based系統(tǒng)中。是一個理想的OEM部件。

    它還越來越多地應用于工業(yè)過程控制中。由它組成的PC-Based系統(tǒng)有所有PC-Based系統(tǒng)所固有的優(yōu)點，如系統(tǒng)開發(fā)周期短，系統(tǒng)變更容易，用戶界面漂亮、易操作，可以進行過程監(jiān)視、報警、記錄、打印，可以利用計算機的計算能力實現(xiàn)各種PLC無法實現(xiàn)的控制算法來進行復雜的過程控制，以及其他等等優(yōu)點。結(jié)合本公司為其配置了其它各種外圍設備和組態(tài)軟件，系統(tǒng)開發(fā)更為簡單、快速，其應用場合更加廣泛。

    本文將介紹以LabJack U12組成的控制系統(tǒng)以及所需要注意的方面，在其基礎上介紹如何擴展系統(tǒng)的規(guī)模和需要的模塊，然后著重介紹如何使用冗余技術(shù)來提高系統(tǒng)的運行可靠性。

2. 系統(tǒng)的組成
2.1 單個LabJack U12系統(tǒng) 
    一些簡單的控制系統(tǒng)只需要一個LabJack U12。其系統(tǒng)組成如圖1所示。其中U12由計算機通過USB供電，所有的輸入輸出口都可以在U12本身和CB25板上接入和接出。這樣的系統(tǒng)十分簡單，被大多數(shù)OEM設備所采用。

圖1：單個LabJack U12系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)擴展
    對于大多數(shù)工控系統(tǒng)來說，單個LabJack U12的輸入輸出口是不夠的，因此系統(tǒng)需要進行擴展。使用USB集線器可以十分方便地把整個系統(tǒng)擴展到一個很龐大的系統(tǒng)。一臺計算機可以連接多達80臺LabJack U12，USB的集線器可以一層層地級聯(lián)。系統(tǒng)的擴展拓撲圖如圖2所示。如果所使用的USB集線器是1出4的，擴展后的系統(tǒng)就可以連接16個LabJack U12。如果是1出8的集線器，那么擴展后的系統(tǒng)會有64個LabJack U12。

圖2：系統(tǒng)擴展拓撲圖

2.3 數(shù)字口的驅(qū)動模塊
    在工控系統(tǒng)中，數(shù)字輸出常常用來控制繼電器或中間繼電器，而中間繼電器再控制接觸器以控制電氣設備。LabJack U12的數(shù)字口輸出驅(qū)動能力有限，只能驅(qū)動TTL門電路或LED，無法直接驅(qū)動繼電器線圈；而且其輸出的電平是5V和工控上常用的24V不兼容。因此數(shù)字輸出需要接到一個驅(qū)動模塊OD25。

    OD25和LabJack U12的連接主要是通過一根DB25線。它為LabJack U12所有的數(shù)字口提供了驅(qū)動，驅(qū)動電壓可達50V，驅(qū)動電流可達500毫安，可同時直接驅(qū)動多個繼電器（如果有必要的話）。因此OD25在工控系統(tǒng)中一般是必不可少的。

    OD25還提供了其它模塊和LabJack U12的連接。一般來說它的另一個DB25插座連接到CB25或OI25，作為數(shù)字輸入的接線板。當數(shù)字輸入為高時，OD25上的相應數(shù)字位的LED會點亮，該LED顯示在系統(tǒng)調(diào)試和程序調(diào)試中十分有用。使用OD25的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3：使用數(shù)字驅(qū)動模塊的系統(tǒng)簡圖

2.4 CB25和OI25模塊
    CB25只是一個接線板，提供了D0-D15的數(shù)字口的接線柱，數(shù)字口的輸入輸出方向是由軟件決定的，因此如果數(shù)字輸入口不需要隔離的話，用CB25即可。

    OI25是數(shù)字輸入口光電隔離模塊。光電隔離的應用情況比較復雜，采用怎樣的隔離完全取決于信號的來源（如是否有被雷擊的危險，是否來自不同的電系統(tǒng)）、信號的性質(zhì)（交流或直流），以及系統(tǒng)在這方面的要求。而且必須指出的是如果采用隔離，必須對整個系統(tǒng)進行考慮，而不該僅僅考慮數(shù)字口的隔離，如485通訊口是否有隔離，模擬信號是否有隔離等等。在這方面常常存在一些誤區(qū)，但在這里我們就不做詳細說明了。下面我們僅介紹不需要隔離的系統(tǒng)應用，但這并不說明LabJack組成的系統(tǒng)在隔離方面有任何問題或不方便之處。其實和其他任何系統(tǒng)都一樣，需要隔離的系統(tǒng)要增加隔離模塊，系統(tǒng)的成本會隨之大幅增加。

2.5 其它設備的使用
    在工控系統(tǒng)中常有其它設備，如變頻器和其他儀表。它們和計算機的連接大多數(shù)是通過485接口的，是獨立于LabJack U12之外的。PC-Based系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是單個處理器的，即所有的數(shù)據(jù)處理和控制都依賴于PC上的處理器，因此在某些對象的控制上需要引入DCS系統(tǒng)的概念，即局部控制采用單獨的儀表。實時的控制由儀表或控制器來完成，而PC只是在宏觀上調(diào)整儀表的參數(shù)、控制目標值等。

    LabJack U12上有計數(shù)器，可以用來檢測頻率信號。如果有許多頻率信號，可以采用頻率-電壓變換電路，輸出到模擬輸入口上。對于旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，可以使用專用儀表，也可以采用本公司的DSS-FC2模塊。該模塊利用聲卡的處理器，對PC的主CPU負擔極小，因此效率較高。

2.6 系統(tǒng)軟件
    LabJack U12提供了通用的動態(tài)鏈接庫，所以用戶可以使用任何編程語言。本公司提供的組態(tài)軟件DAQFactory卻應該是首選軟件開發(fā)平臺，因為該組態(tài)軟件包括了所有免費的LabJack U12的驅(qū)動程序，用戶在使用該組態(tài)軟件時不需要知道如何對LabJack U12進行編程，只要在屏幕上進行一些簡單的設置即可，開發(fā)周期會大幅度縮短。

    該軟件較其它組態(tài)軟件系統(tǒng)還具有許多其它優(yōu)點，如十分豐富的圖標，而且圖標是矢量化的圖標；數(shù)據(jù)采集時間精確；系統(tǒng)資源分配合理；價錢合理等等。在此我們不予細表。

2.7 系統(tǒng)的安裝
    LabJack U12、USB集線器、中間繼電器和其它控制器等設備一般會被安排在一個控制柜中。如果整個系統(tǒng)較小，那么計算機一般會放在現(xiàn)場，要么安放在控制柜內(nèi)，要么放在控制柜旁。計算機和LabJack設備間的距離較短。一般的USB線可以使通訊距離達到5米。因為LabJack U12是USB1.1設備，所以在實際應用中，計算機和U12間的距離可以達到10米左右。

    對于較大系統(tǒng)，一般計算機會放置在中控室中，控制柜和電器柜可能在同一個地方，也可能在例外一個附近的設備間內(nèi)。這樣的布局便使得計算機和U12間的距離增加，一般的USB線就不滿足要求了。這時需要使用帶有中繼的USB線，一般每根USB線長為5米，可級聯(lián)到25米長。在絕大多數(shù)的應用場合，這樣的長度已經(jīng)足夠滿足要求了。

2.8 傳感器的選用
    和其它系統(tǒng)的要求一樣，LabJack U12的模擬輸入信號的范圍是0-10V，傳感器的信號必須要放大，而且一般來說傳感器和LabJack U12（或其它采集器件）間有一段距離，非放大的信號是不宜長距離傳輸?shù)摹Ｒ虼私ㄗh采用一體化的傳感器，如果現(xiàn)場需要直接顯示的話，也可以使用帶顯示的放大儀表。

3. 系統(tǒng)的可靠性
    某些工控系統(tǒng)對可靠性的要求很高，使用以上介紹的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能不滿足要求。LabJack U12提供了提高系統(tǒng)可靠性的條件，可以避免系統(tǒng)在計算機死機時造成的問題。

3.1 采用外部電源為LabJack U12供電
    如果采用USB供電方式，在計算機司機重啟時會造成U12失電而被復位，因此建議采用外部電源為其供電，甚至可以考慮使用小型UPS供電，因為U12耗電很少。U12的自保持特性保證了在計算機重啟過程中的所有輸出值和狀態(tài)保持不變，這樣就不會使得過程被中斷。而在程序重啟后可以讀入當前狀態(tài)以繼續(xù)原來控制過程。

3.2 使用看門狗功能
    U12有看門狗功能。它可以檢測到和計算機的通訊是否正常，當計算機死機時，通訊就會丟失，看門狗就會動作。使用看門狗的輸出口（默認為D0口）可以進行報警或自動復位計算機。在此期間，整個過程將按照原來的方式或設定運行。

3.3 使用冗余技術(shù)
    冗余技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的一個常用技術(shù)，圖4是一個采用冗余技術(shù)的系統(tǒng)圖。其中關鍵的設備是OD25-USB和兩臺互相連接的電腦。當然LabJack是采用外部電源供電的。

圖4：采用冗余技術(shù)的工控系統(tǒng)

    一般情況下系統(tǒng)由主控機控制，備用機也同時運行，但它主要用來執(zhí)行系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的查詢、顯示、打印等輔助功能。備用機時刻監(jiān)視著主控機的數(shù)據(jù)和運行以便在任何時候接替主控機來控制整個系統(tǒng)，而主控機也時刻監(jiān)視著備用機，一旦備用機出問題，它也會發(fā)出報警信號，提示用戶及時更換或修理備用機。

    一旦主控機出現(xiàn)問題，U12的看門狗動作，控制OD25-USB把USB通訊切換到備用機上，同時也發(fā)出報警信號。備用機在檢測到USB的通訊有效后就代替主控機來對整個系統(tǒng)進行控制，直到主控機的控制程序恢復為止，這時備用機輸出強制D0為低電平，USB通訊就被切換到主控機上。

    整個冗余切換過程十分簡單，但很有效。這樣的系統(tǒng)可靠性會得到很大的提高，畢竟兩臺計算機同時出現(xiàn)問題的概率極低。

    我們在DAQFactory組態(tài)軟件中提供了這樣冗余系統(tǒng)的程序，為用戶的使用提供了極大的方便。

4. 結(jié)束語

    上面介紹了以LabJack U12組成的PC-Based的工控系統(tǒng)。它不但具有所有PC-Based系統(tǒng)的優(yōu)點，而且還可以使用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)系統(tǒng)的自恢復性。它不但適合于小系統(tǒng)的控制，也可以很方便地擴展成一個高可靠的、龐大的控制系統(tǒng)，因此其適用場合廣泛。

    本公司為該系統(tǒng)配備了各種配件，使系統(tǒng)的組成模塊化、方便化。系統(tǒng)不但在軟件上具有很高的可更新性，而且在硬件方面也有著很強的可擴展性。它不失為一個性能價格比高的系統(tǒng)。