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(jià)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(yīng)用于實(shí)驗(yàn)/試驗(yàn)設(shè)備、自動測試設(shè)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(yīng)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(diǎn)，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(jìn)行過程監(jiān)視、報(bào)警、記錄、打印，可以利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)各種PLC無法實(shí)現(xiàn)的控制算法來進(jìn)行復(fù)雜的過程控制，以及其他等等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本公司為其配置了其它各種外圍設(shè)備和組態(tài)軟件，系統(tǒng)開發(fā)更為簡單、快速，其應(yīng)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(chǔ)上介紹如何擴(kuò)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(yùn)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(jì)算機(jī)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(shè)備所采用。

圖1：單個LabJack U12系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)展。使用USB集線器可以十分方便地把整個系統(tǒng)擴(kuò)展到一個很龐大的系統(tǒng)。一臺計(jì)算機(jī)可以連接多達(dá)80臺LabJack U12，USB的集線器可以一層層地級聯(lián)。系統(tǒng)的擴(kuò)展拓?fù)鋱D如圖2所示。如果所使用的USB集線器是1出4的，擴(kuò)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(kuò)展后的系統(tǒng)會有64個LabJack U12。

圖2：系統(tǒng)擴(kuò)展拓?fù)鋱D

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(shè)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(dá)50V，驅(qū)動電流可達(dá)500毫安，可同時(shí)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(dāng)數(shù)字輸入為高時(shí)，OD25上的相應(yīng)數(shù)字位的LED會點(diǎn)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(yīng)用情況比較復(fù)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(xiǎn)，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(jìn)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(xì)說明了。下面我們僅介紹不需要隔離的系統(tǒng)應(yīng)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(shí)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(shè)備的使用
在工控系統(tǒng)中常有其它設(shè)備，如變頻器和其他儀表。它們和計(jì)算機(jī)的連接大多數(shù)是通過485接口的，是獨(dú)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(dú)的儀表。實(shí)時(shí)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(biāo)值等。
LabJack U12上有計(jì)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(fù)擔(dān)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(yīng)該是首選軟件開發(fā)平臺，因?yàn)樵摻M態(tài)軟件包括了所有免費(fèi)的LabJack U12的驅(qū)動程序，用戶在使用該組態(tài)軟件時(shí)不需要知道如何對LabJack U12進(jìn)行編程，只要在屏幕上進(jìn)行一些簡單的設(shè)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(diǎn)，如十分豐富的圖標(biāo)，而且圖標(biāo)是矢量化的圖標(biāo)；數(shù)據(jù)采集時(shí)間精確；系統(tǒng)資源分配合理；價(jià)錢合理等等。在此我們不予細(xì)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(shè)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)和LabJack設(shè)備間的距離較短。一般的USB線可以使通訊距離達(dá)到5米。因?yàn)長abJack U12是USB1.1設(shè)備，所以在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)和U12間的距離可以達(dá)到10米左右。
對于較大系統(tǒng)，一般計(jì)算機(jī)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(shè)備間內(nèi)。這樣的布局便使得計(jì)算機(jī)和U12間的距離增加，一般的USB線就不滿足要求了。這時(shí)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(yīng)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)?。因此建議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(jì)算機(jī)死機(jī)時(shí)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(jì)算機(jī)司機(jī)重啟時(shí)會造成U12失電而被復(fù)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?yàn)閁12耗電很少。U12的自保持特性保證了在計(jì)算機(jī)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(dāng)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(jì)算機(jī)的通訊是否正常，當(dāng)計(jì)算機(jī)死機(jī)時(shí)，通訊就會丟失，看門狗就會動作。使用看門狗的輸出口（默認(rèn)為D0口）可以進(jìn)行報(bào)警或自動復(fù)位計(jì)算機(jī)。在此期間，整個過程將按照原來的方式或設(shè)定運(yùn)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(guān)鍵的設(shè)備是OD25-USB和兩臺互相連接的電腦。當(dāng)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(jī)控制，備用機(jī)也同時(shí)運(yùn)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(jī)時(shí)刻監(jiān)視著主控機(jī)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行以便在任何時(shí)候接替主控機(jī)來控制整個系統(tǒng)，而主控機(jī)也時(shí)刻監(jiān)視著備用機(jī)，一旦備用機(jī)出問題，它也會發(fā)出報(bào)警信號，提示用戶及時(shí)更換或修理備用機(jī)。
一旦主控機(jī)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(jī)上，同時(shí)也發(fā)出報(bào)警信號。備用機(jī)在檢測到USB的通訊有效后就代替主控機(jī)來對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，直到主控機(jī)的控制程序恢復(fù)為止，這時(shí)備用機(jī)輸出強(qiáng)制D0為低電平，USB通訊就被切換到主控機(jī)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(jì)算機(jī)同時(shí)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(diǎn)，而且還可以使用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自恢復(fù)性。它不但適合于小系統(tǒng)的控制，也可以很方便地?cái)U(kuò)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(qiáng)的可擴(kuò)展性。它不失為一個性能價(jià)格比高的系統(tǒng)。