概覽

當(dāng)您面對(duì)各種各樣的儀器連接總線時(shí)，可能會(huì)很難為自己的應(yīng)用作出最合適的選擇。可以說每個(gè)總線都有各自的優(yōu)勢(shì)和相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)。因此，請(qǐng)您先問問自己如下四個(gè)問題，比較一下最常見PC總線的功能選項(xiàng)，即可作出決定。?

? 什么總線可以用在儀器和計(jì)算機(jī)上？

? 我需要什么樣的總線性能？

? 該儀器將要用在什么環(huán)境中？

? 設(shè)置和配置總線的難易程度如何？

更多關(guān)于儀器控制總線的信息

? 常見總線的選擇指南

? 儀器控制硬件總線概述

1.什么總線可以用在儀器和計(jì)算機(jī)上？

一款儀器通常會(huì)提供一個(gè)或更多個(gè)總線選擇，用于儀器的控制；PC通常也會(huì)為儀器控制提供多種總線選擇。如果PC上沒有自帶連接到某種儀器的總線，您也可以通過一個(gè)插件板或者外部轉(zhuǎn)換器來添加總線。用于儀器控制的總線類型很多，大體可以分為以下幾類：

? 用于與機(jī)架式儀器連接的獨(dú)立總線，包括測(cè)試與測(cè)量專用總線，如GPIB總線，以及其它PC標(biāo)準(zhǔn)總線，如串行總線（RS232）、以太網(wǎng)總線和USB總線。您也可以使用一些獨(dú)立總線作為與其它獨(dú)立總線轉(zhuǎn)接的媒介，例如USB至GPIB轉(zhuǎn)換器。

? 內(nèi)嵌于模塊化儀器的接口總線包括PCI、PCI Express、VXI、和PXI。您也可以使用這些總線作為一個(gè)媒介，為不具備獨(dú)立總線的PC添加獨(dú)立總線，例如：使用 NI PCI-GPIB控制器板卡。

2. 我需要什么樣的總線性能？

影響總線的性能的三個(gè)主要因素包括：帶寬、延遲和儀器實(shí)現(xiàn)方式。

? 帶寬是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩ǔＲ园偃f比特每秒為單位測(cè)量。

? 延遲是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，通常以秒為單位。例如，通過以太網(wǎng)傳輸時(shí)，大的數(shù)據(jù)塊被分解為小片段，然后以多個(gè)數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送。延遲就是其中一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間。

? 總線軟件、固件和硬件的儀器實(shí)現(xiàn)方式將影響總線性能。并不是所有的儀器都是生來一致的，無論是用戶定義的虛擬儀器還是廠商設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)儀器，在儀器具體實(shí)現(xiàn)過程中所采用的折中措施，都將影響儀器性能。虛擬儀器的一個(gè)好處就是：最終用戶作為儀器的設(shè)計(jì)者，在儀器實(shí)現(xiàn)的過程中，自己就可以作出最優(yōu)的折中決定。

圖1. 比較主流測(cè)試和測(cè)量總線的理論帶寬與延遲。

3. 該儀器將要用在什么環(huán)境中？

在開發(fā)一個(gè)儀器控制應(yīng)用時(shí)，充分考慮其部署環(huán)境是很重要的。您需要考慮的主要因素包括：儀器到PC之間的距離，以及接口和電纜的堅(jiān)固性。這兩個(gè)因素在為儀器控制系統(tǒng)選擇總線時(shí)至關(guān)重要。

儀器到PC之間的距離

如果您的儀器離PC很近（小于5米），您就可以靈活地選擇任意一種總線類型。如果您的儀器遠(yuǎn)離PC，例如，在另一個(gè)房間內(nèi)或另一幢大樓里，那么您應(yīng)該考慮分布式儀器控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)。分布式儀器控制系統(tǒng)中可能包括擴(kuò)展器、中繼器、LAN/LXI, 或者LAN轉(zhuǎn)換器(例如，以太網(wǎng)至GPIB轉(zhuǎn)換器)。

接口和電纜的堅(jiān)固性

如果您的儀器處在充滿噪聲干擾的環(huán)境中，例如工業(yè)環(huán)境，那么您可以考慮使用提供保護(hù)的接口總線，隔離環(huán)境干擾。例如，在一個(gè)生產(chǎn)車間里，GPIB或者USB將是一個(gè)更加合適的選擇，因?yàn)樗碾娎|鎖定牢靠，具有堅(jiān)固耐用的屏蔽指標(biāo)。

4. 設(shè)置和配置總線的難易程度如何？

當(dāng)您在選擇總線接口時(shí)，請(qǐng)注意其設(shè)置和安裝方式。某些儀器部署在有許多用戶交互的地方，例如實(shí)驗(yàn)室中，這是就應(yīng)該考慮選擇SUB總線接口，使用起來非常方便，且與用戶習(xí)慣一致。對(duì)于需要考慮安全性的儀器控制系統(tǒng)，您應(yīng)該意識(shí)到信息技術(shù)部門可能會(huì)禁止使用以太網(wǎng)/LAN/LXI等總線。如果您確定以太網(wǎng)/LAN/LXI對(duì)于您的儀器控制系統(tǒng)來說是最佳總線接口，那么當(dāng)您將其部署在一個(gè)需要考慮安全性的環(huán)境中時(shí)，應(yīng)該在整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)施過程中與信息技術(shù)部門協(xié)同工作。

5. 常見總線的選擇指南

總線	帶寬 (MB/s)	延遲 (μs)	距離 (m) (不使用延長)	設(shè)置與安裝	連接器堅(jiān)固性
GPIB	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	良好	最佳
USB	60 (高速)	1,000 (USB) 125 (高速)	5	最佳	良好
以太網(wǎng)/ LAN	12.5 (快速) 125 (Gigabit)	1,000 (快速) 1,000 (Gigabit)	100	良好	良好
PCI	132	1.7	內(nèi)部 PC 總線	較好	較好 ?最佳(對(duì)于 PXI)
PCI Express	250 (x1) 4,000 (x16)	0.7 (x1) 1.7 (x4)	內(nèi)部 PC 總線	較好	較好 最佳(對(duì)于 PXI)

表1. 常見的儀器硬件總線的簡(jiǎn)要介紹

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6. 儀器控制硬件總線概述

GPIB

通用接口總線（GPIB）在獨(dú)立儀器中是一種最常見的I/O接口。GPIB是8位并行數(shù)字通信接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)8 Mb/s。一個(gè)GPIB控制器總線可以最多連接14個(gè)儀器，并且其布線距離小于20米。但是，您可以通過使用GPIB擴(kuò)展器和延長器克服這些限制。GPIB電纜和連接器種類豐富，并且是工業(yè)等級(jí)的，可以用于任何環(huán)境中。

GPIB不是一個(gè)PC工業(yè)總線，很少用于PC上。但是，您可以使用一個(gè)插件板，如PCI-GPIB，或者外部轉(zhuǎn)換器，如NI GPIB-USB，將GPIB儀器控制功能添加到PC上。

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串行總線

串行總線是主要用于老式臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦上的設(shè)備通信協(xié)議，請(qǐng)不要將其與USB混淆。在很多設(shè)備中，串行總線是最常見的儀器通信協(xié)議，而且很多與GPIB兼容的設(shè)備還具有EIA232端口。EIA232 和EIA485/EIA422也可以被稱作RS232和RS485/RS422。

串行通信的概念很簡(jiǎn)單。串行端口每次發(fā)送和接收一個(gè)比特的信息。雖然它比每次傳輸整個(gè)字節(jié)的并行通信慢，但是串行總線更簡(jiǎn)單，而且使用距離更長。

通常情況下，工程師們使用串行接口來傳輸ASCII數(shù)據(jù)。他們使用三個(gè)傳輸線路來完成通信：地線、發(fā)送線和接收線。因?yàn)榇型ㄐ攀钱惒降?，端口可以在一條線路上傳輸數(shù)據(jù)，而在另一條線路上接收數(shù)據(jù)。其它線路可用于信號(hào)握手，但并不是必須的。串行通信的關(guān)鍵指標(biāo)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位。兩個(gè)串行端口若要進(jìn)行通信，這些參數(shù)必須匹配。

USB

通用串行總線（USB）主要是用于與PC連接的外圍設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀和磁盤驅(qū)動(dòng)器等。在過去的幾年中，支持USB連接的設(shè)備數(shù)量急劇增加。USB是一種即插即用技術(shù)，當(dāng)添加一個(gè)新設(shè)備時(shí)，USB主機(jī)自動(dòng)檢測(cè)該設(shè)備，發(fā)出詢問以識(shí)別該設(shè)備，并為其配置合適的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

USB 2.0對(duì)于低速和全速設(shè)備是完全兼容的。其高速模式的數(shù)據(jù)傳輸速率能夠高達(dá)480 Mbit/s (60 MB/s)。最新的USB3.0規(guī)范具有超高速模式，其理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)5.0Gbit/s。

雖然USB總線的設(shè)計(jì)初衷是針對(duì)PC外設(shè)，但是它的速度、廣泛的適用性以易用性，令其在儀器控制應(yīng)用中具有很大的吸引力。而USB總線在儀器控制中也存在一些不足：首先，USB線纜不是工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的，可能在充滿噪聲的環(huán)境中導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；另外，USB線纜沒有鎖緊裝置，線纜可以很輕易地被拔出PC；而且，即便使用了中繼器，USB線纜的最長傳輸距離只有30m。

以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是一種成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中，可以進(jìn)行通用的網(wǎng)絡(luò)連接以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。目前，全世界擁有超過一億套配置以外網(wǎng)接口的計(jì)算機(jī)。而且，以太網(wǎng)還提供了用于儀器控制的功能選項(xiàng)。以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的，理論上可支持10Mbits/s(10 BASE-T)、100 Mbit/s (100BASE-T)和 1 Gbit/s (1000BASE-T)的數(shù)據(jù)傳輸速率。其中，最常見的就是100 Mbit/s (100BASE-T)以太網(wǎng)。

基于以太網(wǎng)的儀器控制應(yīng)用充分利用了以太網(wǎng)總線的特點(diǎn)，包括遠(yuǎn)程儀器控制、簡(jiǎn)便的儀器共享方式、以及易于使用的數(shù)據(jù)結(jié)果的發(fā)布功能等。此外，用戶還可充分利用公司或者實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)。然而，對(duì)于某些公司來說，以太網(wǎng)的這種特點(diǎn)還會(huì)帶來一些麻煩：公司網(wǎng)絡(luò)管理員可能需要介入到儀器應(yīng)用的開發(fā)之中。

基于以太網(wǎng)總線的儀器控制還有其它缺點(diǎn)，例如可能存在實(shí)際傳輸速率、傳輸確定性以及安全性方面的問題。雖然以太網(wǎng)總線可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 Gbit/s的理論傳輸速率，但在實(shí)際使用中，由于網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也被其它應(yīng)用占用，而且存在數(shù)據(jù)傳輸失效等問題，這種理論傳輸速率很少能夠真正實(shí)現(xiàn)。此外，由于傳輸速率不穩(wěn)定，以太網(wǎng)很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。最后，對(duì)于一些敏感的數(shù)據(jù)，用戶需要采取額外的安全措施，確保數(shù)據(jù)完整與保密。?

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PCI

PCI總線通常不直接用于儀器控制，而是作為一種外設(shè)總線，通過連接GPIB或者串行通信總線來實(shí)現(xiàn)儀器控制。此外，由于其PCI總線帶寬較高，常用于模塊化儀器的背板總線，此時(shí)，其I/O總線內(nèi)置于測(cè)量設(shè)備中。?

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PXI

PXI（面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展）基于PCI平臺(tái)，是一種用于測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的堅(jiān)固總線。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，并添加了專門的同步總線和重要的軟件特性。這些技術(shù)使得PXI總線成為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本部署平臺(tái)，應(yīng)用于諸如生產(chǎn)線測(cè)試、軍工與航空航天、機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控、汽車以及工業(yè)測(cè)試領(lǐng)域。PXI在1997年完成開發(fā)，并在1998年正式推出，它是為了滿足日益增加的對(duì)復(fù)雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如今，PXI標(biāo)準(zhǔn)由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXISA）所管理。該聯(lián)盟由超過65家公司組成，共同推廣PXI標(biāo)準(zhǔn)，確保PXI的互換性，并維護(hù)PXI規(guī)范。PXI在模塊化儀器平臺(tái)得到了廣泛的使用，這種平臺(tái)基于緊湊、高性能測(cè)量硬件，并集成了定時(shí)和同步資源，對(duì)于傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器來說是理想的替代產(chǎn)品。?

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PCI Express

PCI Express與PCI相似，通常不會(huì)直接用于儀器控制，而是作為一種PC外設(shè)總線， 用于連接GPIB設(shè)備進(jìn)行儀器控制。但是，由于PCI Express總線速度極高，可以用作模塊化儀器的背板總線。

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VXI

VXI（面向儀器系統(tǒng)的VME擴(kuò)展）總線是針對(duì)多廠商工業(yè)儀器標(biāo)準(zhǔn)的首次嘗試。VXI最初在1987年推出，接著被定義為IEEE 1155標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線的缺點(diǎn)包括：缺乏軟件標(biāo)準(zhǔn)，無法顯著提升系統(tǒng)吞吐率；而且由于VXI不使用標(biāo)準(zhǔn)的商用PC技術(shù)，無法降低系統(tǒng)成本。