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1. USB數據采集控制器簡介

    LabJack U12是一個多功能USB數據采集控制器，它在同類產品中性價比最高。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系統中。是一個理想的OEM部件。

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

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

2. 系統的組成
2.1 單個LabJack U12系統 
    一些簡單的控制系統只需要一個LabJack U12。其系統組成如圖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。這樣的系統十分簡單，被大多數OEM設備所采用。

圖1：單個LabJack U12系統

2.2 系統擴展
    對于大多數工控系統來說，單個LabJack U12的輸入輸出口是不夠的，因此系統需要進行擴展。使用USB集線器可以十分方便地把整個系統擴展到一個很龐大的系統。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。系統的擴展拓撲圖如圖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，那么擴展后的系統會有64個LabJack U12。

圖2：系統擴展拓撲圖

2.3 數字口的驅動模塊
    在工控系統中，數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的數字口輸出驅動能力有限，只能驅動TTL門電路或LED，無法直接驅動繼電器線圈；而且其輸出的電平是5V和工控上常用的24V不兼容。因此數字輸出需要接到一個驅動模塊OD25。

    OD25和LabJack U12的連接主要是通過一根DB25線。它為LabJack U12所有的數字口提供了驅動，驅動電壓可達50V，驅動電流可達500毫安，可同時直接驅動多個繼電器（如果有必要的話）。因此OD25在工控系統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，作為數字輸入的接線板。當數字輸入為高時，OD25上的相應數字位的LED會點亮，該LED顯示在系統調試和程序調試中十分有用。使用OD25的系統如圖3所示。

圖3：使用數字驅動模塊的系統簡圖

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

    OI25是數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）、信號的性質（交流或直流），以及系統在這方面的要求。而且必須指出的是如果采用隔離，必須對整個系統進行考慮，而不該僅僅考慮數字口的隔離，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，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應用，但這并不說明LabJack組成的系統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都一樣，需要隔離的系統要增加隔離模塊，系統的成本會隨之大幅增加。

2.5 其它設備的使用
    在工控系統中常有其它設備，如變頻器和其他儀表。它們和計算機的連接大多數是通過485接口的，是獨立于LabJack U12之外的。PC-Based系統在結構上是單個處理器的，即所有的數據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只是在宏觀上調整儀表的參數、控制目標值等。

    LabJack U12上有計數器，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 系統軟件
    LabJack U12提供了通用的動態鏈接庫，所以用戶可以使用任何編程語言。本公司提供的組態軟件DAQFactory卻應該是首選軟件開發平臺，因為該組態軟件包括了所有免費的LabJack U12的驅動程序，用戶在使用該組態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，開發周期會大幅度縮短。

    該軟件較其它組態軟件系統還具有許多其它優點，如十分豐富的圖標，而且圖標是矢量化的圖標；數據采集時間精確；系統資源分配合理；價錢合理等等。在此我們不予細表。

2.7 系統的安裝
    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。如果整個系統較小，那么計算機一般會放在現場，要么安放在控制柜內，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，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。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，可級聯到25米長。在絕大多數的應用場合，這樣的長度已經足夠滿足要求了。

2.8 傳感器的選用
    和其它系統的要求一樣，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的。因此建議采用一體化的傳感器，如果現場需要直接顯示的話，也可以使用帶顯示的放大儀表。

3. 系統的可靠性
    某些工控系統對可靠性的要求很高，使用以上介紹的系統結構可能不滿足要求。LabJack U12提供了提高系統可靠性的條件，可以避免系統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以繼續原來控制過程。

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
    冗余技術是提高系統可靠性的一個常用技術，圖4是一個采用冗余技術的系統圖。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：采用冗余技術的工控系統

    一般情況下系統由主控機控制，備用機也同時運行，但它主要用來執行系統歷史數據的查詢、顯示、打印等輔助功能。備用機時刻監視著主控機的數據和運行以便在任何時候接替主控機來控制整個系統，而主控機也時刻監視著備用機，一旦備用機出問題，它也會發出報警信號，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。這樣的系統可靠性會得到很大的提高，畢竟兩臺計算機同時出現問題的概率極低。

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

4. 結束語

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

    本公司為該系統配備了各種配件，使系統的組成模塊化、方便化。系統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。