儀(yi) 器控製總線簡介

    1997年惠普（現變更為(wei) 安捷倫(lun) ）堅稱IEEE 1394非常適合作為(wei) 儀(yi) 器控製領域的新引領性總線技術。鑒於(yu) IEEE 1394的潛力，HP放棄了當時的領先技術GPIB。但在過去的十年中，IEEE 1394除了在圖像領域外，卻僅(jin) 僅(jin) 是儀(yi) 器中可選的邊緣總線。盡管如此，仍有一些測試與(yu) 測量公司還在繼續嚐試通過確定一種單一的儀(yi) 器控製總線，以替代所有其它總線。雖然其它總線技術已經被確證在滿足廣泛應用需求方麵比IEEE 1394更為(wei) 成功，但即使是GPIB——在過去40年中最廣泛采用的儀(yi) 器控製標準——也不能聲稱擁有絕對優(you) 於(yu) 所有其它總線的性能。 如今，USB、PCI Express和以太網/LAN，作為(wei) 儀(yi) 器控製中頗具吸引力的可選通信選擇備受關(guan) 注。一些測試與(yu) 測量廠商和業(ye) 界專(zhuan) 家已經聲稱，這些總線之一，就其本身就能代表一種適合所有儀(yi) 器需求的解決(jue) 方案。實際上，由於(yu) 總線各有特點，因此兩(liang) 種或以上的總線技術很可能會(hui) 在未來的測試與(yu) 測量係統中繼續共存。

    如今測試工程師所要麵臨(lin) 的挑戰，不是選擇單個(ge) 總線或平台，然後在此基礎之上統一各個(ge) 單一應用，而是選擇一個(ge) 適合某個(ge) 具體(ti) 應用（甚至一項應用的某個(ge) 具體(ti) 部分）的總線或平台。本文對最通用的儀(yi) 器總線進行了直接比較，以便測試工程師在選擇滿足特定應用需求的總線和平台技術時，能夠作為(wei) 明智的選擇。本文將要討論的具體(ti) 總線技術包括GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網/LAN/LXI。

了解總線性能

    首先，為(wei) 了對不同總線的評價(jia) 和比較設定標準，簡述儀(yi) 器控製總線相關(guan) 的性能標準至關(guan) 重要。

帶寬

    在考慮可選擇的總線的技術特點時，帶寬和時延是兩(liang) 個(ge) 最重要的總線特性。帶寬度量的是總線傳(chuan) 送數據的速率，常用單位為(wei) MB/s（每秒鍾106字節）。總線帶寬越高，在給定時間內(nei) 傳(chuan) 送的數據就越多。大多數用戶認識到帶寬的重要性，是因為(wei) 帶寬影響著他們(men) 的數據是否能夠以與(yu) 采集或產(chan) 生相當的速率通過總線傳(chuan) 送至一個(ge) 共享主機處理器或通過主機處理器傳(chuan) 送到設備，他們(men) 的儀(yi) 器將需要多大的板上內(nei) 存。帶寬對於(yu) 一些應用（如複雜波形發生和采集以及RF和通信應用）非常重要。高速數據傳(chuan) 輸對於(yu) 虛擬、合成儀(yi) 器架構特別重要。一個(ge) 虛擬或合成儀(yi) 器的功能和特性是由軟件定義(yi) 的，在大多數情況下，這意味著數據必須被傳(chuan) 送到主機進行處理和分析。

時延

    時延度量的是數據通過總線傳(chuan) 輸導致的延遲。打個(ge) 比方，如果把一個(ge) 儀(yi) 器總線比作一條高速公路，帶寬就相當於(yu) 車道數和車輛行駛速度，而時延就相當於(yu) 由上下岔口引起的延遲。具有低（即較好）時延的總線，會(hui) 在傳(chuan) 送數據的一端和處理數據的另一端間引入較少的時間延遲。時延雖然不像帶寬那樣引人注意，但對於(yu) 沿總線傳(chuan) 送一連串較短的、變向命令時，例如數字萬(wan) 用表（DMM）與(yu) 開關(guan) 間的握手、儀(yi) 器配置等一些應用有直接影響。

基於(yu) 消息與(yu) 基於(yu) 寄存器的通信

#p#分頁標題#e#    采用基於(yu) 消息通信的總線一般較慢，因為(wei) 這種通信模式增加了命令解釋和在數據前後填充命令的開銷。采用基於(yu) 寄存器的通信，數據傳(chuan) 送則是通過對設備上的硬件寄存器直接讀出或寫(xie) 入二進製數據完成，因此傳(chuan) 輸速度較快。基於(yu) 寄存器的通信協議在PC的內(nei) 部總線中最為(wei) 常見，在這裏，互聯的物理距離較短，而吞吐量要求最高。基於(yu) 消息的通信協議，對於(yu) 遠距離傳(chuan) 送數據較為(wei) 有用，這種情況下，較高的開銷成本也是可以接受的。應當指出的是，時延和帶寬度量部分地取決(jue) 於(yu) 總線采用基於(yu) 消息通信還是基於(yu) 寄存器通信，所以這些度量中也部分包含了這個(ge) 參數。

大範圍下的性能

    對於(yu) 遠程監測應用和涉及大的地理範圍的測量係統，範圍變得非常重要。在這類應用中，性能可以視為(wei) 與(yu) 時延的折中，因為(wei) 檢錯和消息填充能夠克服通過較長距離線纜傳(chuan) 送數據的物理限製，但也會(hui) 增加發送和接收數據的時延。

儀(yi) 器設置與(yu) 軟件性能

    儀(yi) 器配置和軟件性能方麵的易用性是本文所涉及的最為(wei) 主觀的評價(jia) 準則。因此關(guan) 於(yu) 這一點的討論卻很重要的。儀(yi) 器設置描述了“非常規”的用戶體(ti) 驗和設置時間。軟件性能則涉及到用戶如何方便地找到交互式向導或標準編程API（如VISA），從(cong) 而實現與(yu) 儀(yi) 器的通信和控製。

連接器的魯棒性

    總線所用的物理連接器會(hui) 影響該總線是否適合工業(ye) 應用，是否需要額外的工作以“加固”儀(yi) 器與(yu) 係統控製器間的連接。

儀(yi) 器控製總線比較（GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網/LAN/LXI）

    GPIB

    我們(men) 研究的第一個(ge) 總線是IEEE 488總線，較為(wei) 熟悉的稱謂是GPIB（通用接口總線）。GPIB是一種在業(ye) 界已經得到證明的專(zhuan) 為(wei) 儀(yi) 器控製應用設計的總線。GPIB在過去30年來一直是魯棒的、可靠的通信總線，由於(yu) 其低時延和可接受的帶寬的特點，GPIB目前仍然是儀(yi) 器控製中最常見的選擇。GPIB的優(you) 勢在於(yu) 為(wei) 業(ye) 界廣泛采納，並有超過10,000種儀(yi) 器模型帶有GPIB接口。

由於(yu) 其最大帶寬為(wei) 1.8 MB/s，GPIB最為(wei) 適合與(yu) 分立儀(yi) 器通信，並對分立儀(yi) 器進行控製。最新的高速版HS488將帶寬提高到8 MB/s。GPIB中的數據傳(chuan) 遞采用基於(yu) 信息的通信模式，並最常使用ASCII字符。多個(ge) GPIB儀(yi) 器可以通過電纜連接，其總距為(wei) 20米，帶寬為(wei) 總線上的所有儀(yi) 器共享。雖然GPIB的帶寬相對較低，但其時延要比USB尤其比以太網低得多（即性能好）。盡管GPIB有目前最好的軟件，而且穩定的線纜和連接器也能適合最惡劣的物理環境，但GPIB儀(yi) 器在連接到係統時，並不能自動檢測或自動配置。對於(yu) 現有儀(yi) 器的自動化或要求高度專(zhuan) 業(ye) 化儀(yi) 器的係統，GPIB是理想的選擇。

    USB#p#分頁標題#e#

    近年來，USB（通用串行總線）在計算機外設的連接方麵日漸普及。這樣的普及性已經蔓延到測試與(yu) 測量領域，越來越多的儀(yi) 器生產(chan) 商在其儀(yi) 器中增加USB設備控製器功能。

    高速USB的最大傳(chuan) 輸速率為(wei) 60MB/s，這使其成為(wei) 頗具吸引力的儀(yi) 器連接和控製的可選方案（這裏的儀(yi) 器包括分立儀(yi) 器和數據速率低於(yu) 1 MS/s的虛擬儀(yi) 器）。雖然絕大多數便攜機、台式機和服務器可能有多個(ge) USB端口，但那些端口通常都連接到同一個(ge) 主機控製器，所以USB的帶寬是被這些端口共享的。USB的時延屬於(yu) 中間級別（位於(yu) 延遲最大的以太網與(yu) 最小的PCI和PCI Express之間）線纜長度的上限是5米。USB設備的優(you) 勢在於(yu) 自動檢測， USB設備不同於(yu) 其它LAN或GPIB技術，當USB設備被接入PC時，PC能夠即刻識別並配置該USB設備。在這裏研究的所有總線中，USB連接器是魯棒性最差，安全性最低的。需要外部線纜套將其恰當保存。

    USB設備非常適合那些包括便攜式測量、便攜機或台式機的數據錄入和車載數據采集的應用。由於(yu) USB在PC上的普及程度，特別是其即插即用的易用性，該總線已經成為(wei) 一種分立儀(yi) 器中較為(wei) 普遍的一種通信方式。USB測試與(yu) 測量類（USBTMC）規範描述了廣泛的測試與(yu) 測量設備的通信需求。

    PCI

    在這裏研究的所有總線中，PCI和PCI Express具有最佳的帶寬和時延規範。PCI的帶寬為(wei) 132 MB/s，這一帶寬為(wei) 總線上的所有設備共享。PCI的時延性能基準值為(wei) 700 ns，與(yu) 時延為(wei) 1ms的以太網相比，這個(ge) 指標是非常出色的。PCI采用基於(yu) 寄存器的通信方式。與(yu) 這裏所提及的其它總線不同的是，PCI並不通過線纜與(yu) 外部儀(yi) 器相連。相反的，PCI是一個(ge) 用於(yu) PC插入式板卡和模塊化儀(yi) 器係統（如PXI）的內(nei) 部PC總線，因此距離量度並不直接適用。然而，當與(yu) 一個(ge) PXI係統連接時，PCI總線可以通過使用NI光纖MXI接口，最遠“延展”至200米。由於(yu) PCI連接用於(yu) 計算機內(nei) 部，所以有理由說：PCI連接器的魯棒性可能受限於(yu) 其所在的PC的穩定性和魯棒性。PXI模塊化儀(yi) 器係統，是圍繞PCI信令構建而成的，通過高性能背板連接器和多個(ge) 螺絲(si) 端子固定連接，從(cong) 而增強連接性。如果PCI或PXI模塊安裝恰當，係統啟動後，Windows將自動檢測並為(wei) 模塊安裝驅動程序。

    PCI（以及PCI Express）與(yu) 以太網、USB的共同優(you) 勢在於(yu) ，它們(men) 普遍存在於(yu) PC機上。PCI是PC曆史上采用的最為(wei) 廣泛的標準之一。如今，每台台式機都能提供PCI插槽或PCI Express插槽。一般來說 ，PCI儀(yi) 器需要的成本更低，因為(wei) 這些儀(yi) 器依賴其所在主機的電源、處理器、顯示器和內(nei) 存，而不再需要在儀(yi) 器中另外配置這些硬件。