整合無線量測與接線式資料擷取系統

無線技術即具有多項可能性與優勢 – 降低接線成本；於難以接線的嚴苛環境中進行實際量測；分散式量測；與智慧型的自我修復網路。無線技術正逐步扮演未來量測系統的關鍵角色。但其實際功能與角色定位到底為何？無線技術將取代接線式系統嗎？目前投資成本仍可沿用至未來系統嗎？在選擇無線資料擷取裝置時，所必須注意的重點為何？何時應將無線技術納入解決方案？

在現有量測系統處於淘汰技術邊緣時，仍有許多問題必須先行仔細評估。此篇技術文件將說明無線量測系統的高階設計考量，並以無線技術搭配現有的接線式系統。

無線量測系統

雖然目前測試、量測，與控制應用的無線技術，主流仍在於消費性電子產品，但其發展腳步未曾稍歇。然而，若要以無線系統取代接線式系統，卻不僅僅是拔掉接線並插入無線網路裝置如此簡單而已。透過數十年的測試、檢驗，與技術創新，工程師目前發現幾項無線量測系統的重要問題。多款無線系統的主要 2 項隱憂，即為其安全性與可靠性。無線標準研發機構往往為領先業界的晶圓製造商。為了解決這些問題，製造商持續開發新的無線標準協定，以提升無線技術的安全性與可靠性，並要能讓資料擷取系統商繼續採用相容的無線電波與軟體架構。		簡單、安全的 Wi-Fi 資料擷取裝置。 觀看 Wi-Fi DAQ 導覽  »
與現有的接線式系統相較，無線量測系統仍有許多必須加強的部分，包含資料頻寬與潛時、同步化、IO 選擇性，並要能整合至多家製造商產品所架構的複合式系統中。

頻寬與潛時

電腦架構的量測系統，往往受限於通訊匯流排頻寬與潛時的規格限制。頻寬即為特定時間內，可通過匯流排的資料總量。潛時則為資料從出發位置到目的地所耗用的時間。若與目前常用於資料擷取應用的匯流排 (PCI Express、PXI、USB 2.0) 相較，則無線的頻寬與潛時規格可說是倒退了至少 25 年之多。

IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 為 2 組常見於無線量測產品的無線網路規格；而 Wi-Fi 與 IEEE 802.11 則已普及於家用與辦公室網路。IEEE 802.15.4 協定即為 ZigBee 的架構，適用於低功率的分散式網路連結。此 2 組匯流排的頻寬僅可比擬 1980 年代興盛的 ISA 匯流排，甚至不及該規格。若與第一代的 x1 PCI Express 連結比較，802.11n (目前最新的匯流排) 與 802.15.4 則僅能分別提供 1/10 與 1/1000 的頻寬。

此項無線網路的限制，則代表無線技術並無法完全取代接線式系統。高速、高通道數的動態量測作業，必須持續使用實際連接至電腦的高頻寬匯流排。其他低速 (靜態) 或較低通道數的動態與感測器量測作業，若可不受現有匯流排的頻寬所影響，則可利用新的無線技術。

同步化

絕大多數量測系統的重要標準，即是能跨多個通道、裝置，甚至系統，以進行同步化量測。雖然有多種方法可進行同步化，但最普遍的方式即為透過實體連接線共用時脈或觸發訊號；或以時脈架構的方式，於時脈中的共點 (Common point) 以多重、本端時脈架構同步化所有的震盪器，並接著以相似頻率操作之。這些同步化技術各有其優缺點。訊號架構的同步化作業，可於不同的通道、裝置，與系統之間進行更精確的同步化 (ns 或 ps 的精確度)，卻會限制同步化系統之間的距離 (必須保持 100 m 之內)。透過時脈架構的同步化作業，即可相隔更長距離進行同步化 (GPS 甚至可無距離限制)，卻也將降低精確度 (一般僅為 ms)。

考慮到時脈與觸發，目前有許多無線量測系統均獨立作業，因此無法針對同步化作業共用訊號或時脈架構的訊號。再提到擷取資料的多重通道與訊號的相位 (Phase) 關係，由於此 2 項測試均必須取得精確結果，因此同步化作業更行重要。目前所使用的多款接線式量測系統，均佈署極為精確的時基 (Timebase)、鎖相迴路 (PLL) 電路，與阻抗匹配 (Impedance-matched) 的訊號路徑。若單以原則來看，接線式系統可符合同步化作業的嚴苛需求。然而，接線式網路與無線網路卻可分別透過 IEEE 1588 與 GPS 技術，讓使用者在標準與附加研究效能之間各取所需，以達到平衡。

目前所提供的 I/O 與功率選擇

一如無線所呈現的模糊概念，此項技術仍過於新穎，因此測試、量測，與控制產業尚未能夠完全採用之。因而限制了相關裝置的數量與功能。市面上有數百種不同的感測器，且均需要特定的訊號處理功能進行精確量測。過去 20 多年來，NI 不斷創新並生產電腦架構的量測產品，並於全世界售出超過 5 千萬個量測通道。無線量測系統不僅將可取代現有的量測通道，並可為現有系統提供相關優勢。

整合至多重製造商系統

雖然此篇文件並未進一步深入探討，卻可先行點出目前無線量測系統最新且最重要的概念：不論是搭配接線式或無線量測與控制系統，無線量測系統均必須克服其低迷不彰的效率。其實產業界流行 1 句格言已久：當開發出某項極富潛能的新技術時，能讓此項技術儘早上市的解決方案，將遠遠重要於此技術的完整度與可互通性 (Interoperability)。目前的無線產品即專注於一般量測作業 (電壓或電流)，並要能耗用最少能源以安全且可靠的傳輸資料。而該研發重心則放在硬體架構，有時則與特定無線網路有關。

還有另 1 部分重心則是裝置的相關軟體，將針對大型企業達到可互通性 (Interoperability)。如同控制工程 (Control Engineering) 書籍的流程製造業 (Process Industry) 編輯，於 2007 年 11 月針對無線拓撲的文章所述：「自裝置取得資料並輸入至系統時，往往使用無法達到跨平台互通性的系統。」當然軟體有其專屬的系統與功能。但其中的問題即在於：不論擷取資料的方法為何，佈署於任何產業中的量測產品，必須能夠溝通其他量測與控制產品，才能獲得最高效能。若無線技術要能更普遍、更具有互通性，則必須具備更高階的軟體環境。

混合量測系統與無線技術

由於現有無線技術與產品的限制，多項應用正等待著以無線解決方案突破其窘境。不論無線系統的頻寬、同步化、I/O、功率需要，或系統整合性，許多量測系統均可能必須或多或少整合無線系統。使用者將可透過混合系統了解無線技術的最佳優點。混合系統可摒除平台問至、資料傳輸方式，與系統製造商，而整合多項量測與控制平台的元件。混合系統具有 1 組中央電腦架構，整合乙太網路或 GPIB 架構的獨立儀器、PXI 規格的電腦架構儀器、USB 介面的可攜式量測作業，還有 Wi-Fi 或 ZigBee 的無線量測功能。混合系統使用開放式軟體的開發環境，以管理並溝通量測與控制系統。

圖 1. 混合式量測系統將佈署開放式軟體平台，以整合不同通訊匯流排與製造商的量測產品。

建立並維護混合系統的關鍵，即是要能省去額外處理作業，即可容納多項匯流排技術；並可使用開放式軟體平台，以跨特定製造商系統進行溝通。透過此方法，使用者可根據特定作業規格，選擇最合適的資料擷取與控制硬體。NI LabVIEW 並可順利讓整個系統開始運作。透過 LabVIEW，即可再使用現有的量測系統，包含電腦架構的資料擷取、模組化儀控、獨立儀控，並整合新款無線產品。整合 LabVIEW 與無線技術的範例則包含：

• 使用內建的 LabVIEW 程式庫 (包含 TCP/IP)，以標準協定進行通訊
• 透過 Wi-Fi 與藍芽通訊功能，將 LabVIEW 搭配 LabVIEW PDA Module 並佈署至 PDA
• 將包含 NI CompactRIO 與 Compact FieldPoint 的現有乙太網路架構 NI 可程式化自動控制器 (PAC)，連接至工業級 Wi-Fi 存取點與 GPS 無線電
• 使用現成的 LabVIEW 儀器驅動程式，溝通其他多項無線感測器節點

若需要以現有系統整合無線量測作業的更多資訊，請參閱開發無線量測系統技術文件。

接線式與無線系統並存

以目前現有的技術來看，無線則為最具前瞻性的資料擷取技術。然而，在新技術尚未完取代舊技術的過渡時期，必須要能夠互通多項技術。此項趨勢在測試與量測作業中尤其明顯，如 PXI 模組架構的新型儀控，必須搭配整合舊型的獨立儀控或 VXI 儀控。透過如 LabVIEW 的開放式軟體平台，即可新增無線量測功能並利用相關優勢，還能再使用現有的量測系統。

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