儀器總線性能——理解儀器控制中的競(jìng)爭(zhēng)的總線技術(shù)

　　概覽

　　歡迎使用《設(shè)計(jì)下一代測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者指南》。該指南收集了許多與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的白皮書(shū)，可以幫助您在開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)降低成本、提高測(cè)試吞吐量并擴(kuò)展對(duì)未來(lái)需求的支持。本書(shū)提供了一個(gè)關(guān)于構(gòu)建模塊化、軟件定義RF平臺(tái)的案例研究。如欲閱讀完整的開(kāi)發(fā)者指南，您可以：下載PDF版本(共90多頁(yè))或者查看《設(shè)計(jì)下一代測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者指南》的電子版本。查看《設(shè)計(jì)下一代測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者指南》的網(wǎng)頁(yè)版本。

　　儀器控制總線簡(jiǎn)介

　　1997年惠普(現(xiàn)變更為安捷倫)堅(jiān)稱IEEE 1394非常適合作為儀器控制領(lǐng)域的新引領(lǐng)性總線技術(shù)。鑒于IEEE 1394的潛力，HP放棄了當(dāng)時(shí)的領(lǐng)先技術(shù)GPIB。但在過(guò)去的十年中，IEEE 1394除了在圖像領(lǐng)域外，卻僅僅是儀器中可選的邊緣總線。盡管如此，仍有一些測(cè)試與測(cè)量公司還在繼續(xù)嘗試通過(guò)確定一種單一的儀器控制總線，以替代所有其它總線。雖然其它總線技術(shù)已經(jīng)被確證在滿足廣泛應(yīng)用需求方面比IEEE 1394更為成功，但即使是GPIB——在過(guò)去40年中最廣泛采用的儀器控制標(biāo)準(zhǔn)——也不能聲稱擁有絕對(duì)優(yōu)于所有其它總線的性能。 如今，USB、PCI Express和以太網(wǎng)/LAN，作為儀器控制中頗具吸引力的可選通信選擇備受關(guān)注。一些測(cè)試與測(cè)量廠商和業(yè)界專家已經(jīng)聲稱，這些總線之一，就其本身就能代表一種適合所有儀器需求的解決方案。實(shí)際上，由于總線各有特點(diǎn)，因此兩種或以上的總線技術(shù)很可能會(huì)在未來(lái)的測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)中繼續(xù)共存。

　　如今測(cè)試工程師所要面臨的挑戰(zhàn)，不是選擇單個(gè)總線或平臺(tái)，然后在此基礎(chǔ)之上統(tǒng)一各個(gè)單一應(yīng)用，而是選擇一個(gè)適合某個(gè)具體應(yīng)用(甚至一項(xiàng)應(yīng)用的某個(gè)具體部分)的總線或平臺(tái)。本文對(duì)最通用的儀器總線進(jìn)行了直接比較，以便測(cè)試工程師在選擇滿足特定應(yīng)用需求的總線和平臺(tái)技術(shù)時(shí)，能夠作為明智的選擇。本文將要討論的具體總線技術(shù)包括GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網(wǎng)/LAN/LXI。

　　了解總線性能

　　首先，為了對(duì)不同總線的評(píng)價(jià)和比較設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)述儀器控制總線相關(guān)的性能標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

　　帶寬

　　在考慮可選擇的總線的技術(shù)特點(diǎn)時(shí)，帶寬和時(shí)延是兩個(gè)最重要的總線特性。帶寬度量的是總線傳送數(shù)據(jù)的速率，常用單位為MB/s(每秒鐘106字節(jié))?？偩€帶寬越高，在給定時(shí)間內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)就越多。大多數(shù)用戶認(rèn)識(shí)到帶寬的重要性，是因?yàn)閹捰绊懼麄兊臄?shù)據(jù)是否能夠以與采集或產(chǎn)生相當(dāng)?shù)乃俾释ㄟ^(guò)總線傳送至一個(gè)共享主機(jī)處理器或通過(guò)主機(jī)處理器傳送到設(shè)備，他們的儀器將需要多大的板上內(nèi)存。帶寬對(duì)于一些應(yīng)用(如復(fù)雜波形發(fā)生和采集以及RF和通信應(yīng)用)非常重要。高速數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于虛擬、合成儀器架構(gòu)特別重要。一個(gè)虛擬或合成儀器的功能和特性是由軟件定義的，在大多數(shù)情況下，這意味著數(shù)據(jù)必須被傳送到主機(jī)進(jìn)行處理和分析。

　　時(shí)延

　　時(shí)延度量的是數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸導(dǎo)致的延遲。打個(gè)比方，如果把一個(gè)儀器總線比作一條高速公路，帶寬就相當(dāng)于車道數(shù)和車輛行駛速度，而時(shí)延就相當(dāng)于由上下岔口引起的延遲。具有低(即較好)時(shí)延的總線，會(huì)在傳送數(shù)據(jù)的一端和處理數(shù)據(jù)的另一端間引入較少的時(shí)間延遲。時(shí)延雖然不像帶寬那樣引人注意，但對(duì)于沿總線傳送一連串較短的、變向命令時(shí)，例如數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)與開(kāi)關(guān)間的握手、儀器配置等一些應(yīng)用有直接影響。

　　基于消息與基于寄存器的通信

　　采用基于消息通信的總線一般較慢，因?yàn)檫@種通信模式增加了命令解釋和在數(shù)據(jù)前后填充命令的開(kāi)銷。采用基于寄存器的通信，數(shù)據(jù)傳送則是通過(guò)對(duì)設(shè)備上的硬件寄存器直接讀出或?qū)懭攵M(jìn)制數(shù)據(jù)完成，因此傳輸速度較快。基于寄存器的通信協(xié)議在PC的內(nèi)部總線中最為常見(jiàn)，在這里，互聯(lián)的物理距離較短，而吞吐量要求最高?；谙⒌耐ㄐ艆f(xié)議，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)較為有用，這種情況下，較高的開(kāi)銷成本也是可以接受的。應(yīng)當(dāng)指出的是，時(shí)延和帶寬度量部分地取決于總線采用基于消息通信還是基于寄存器通信，所以這些度量中也部分包含了這個(gè)參數(shù)。

　　大范圍下的性能

　　對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用和涉及大的地理范圍的測(cè)量系統(tǒng)，范圍變得非常重要。在這類應(yīng)用中，性能可以視為與時(shí)延的折中，因?yàn)闄z錯(cuò)和消息填充能夠克服通過(guò)較長(zhǎng)距離線纜傳送數(shù)據(jù)的物理限制，但也會(huì)增加發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)延。

　　儀器設(shè)置與軟件性能

　　儀器配置和軟件性能方面的易用性是本文所涉及的最為主觀的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。因此關(guān)于這一點(diǎn)的討論卻很重要的。儀器設(shè)置描述了“非常規(guī)”的用戶體驗(yàn)和設(shè)置時(shí)間。軟件性能則涉及到用戶如何方便地找到交互式向?qū)Щ驑?biāo)準(zhǔn)編程API(如VISA)，從而實(shí)現(xiàn)與儀器的通信和控制。

　　連接器的魯棒性

　　總線所用的物理連接器會(huì)影響該總線是否適合工業(yè)應(yīng)用，是否需要額外的工作以“加固”儀器與系統(tǒng)控制器間的連接。

　　儀器控制總線比較(GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網(wǎng)/LAN/LXI)

　　GPIB

　　我們研究的第一個(gè)總線是IEEE 488總線，較為熟悉的稱謂是GPIB(通用接口總線)。GPIB是一種在業(yè)界已經(jīng)得到證明的專為儀器控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的總線。GPIB在過(guò)去30年來(lái)一直是魯棒的、可靠的通信總線，由于其低時(shí)延和可接受的帶寬的特點(diǎn)，GPIB目前仍然是儀器控制中最常見(jiàn)的選擇。GPIB的優(yōu)勢(shì)在于為業(yè)界廣泛采納，并有超過(guò)10,000種儀器模型帶有GPIB接口。

　　由于其最大帶寬為1.8 MB/s，GPIB最為適合與分立儀器通信，并對(duì)分立儀器進(jìn)行控制。最新的高速版HS488將帶寬提高到8 MB/s。GPIB中的數(shù)據(jù)傳遞采用基于信息的通信模式，并最常使用ASCII字符。多個(gè)GPIB儀器可以通過(guò)電纜連接，其總距為20米，帶寬為總線上的所有儀器共享。雖然GPIB的帶寬相對(duì)較低，但其時(shí)延要比USB尤其比以太網(wǎng)低得多(即性能好)。盡管GPIB有目前最好的軟件，而且穩(wěn)定的線纜和連接器也能適合最惡劣的物理環(huán)境，但GPIB儀器在連接到系統(tǒng)時(shí)，并不能自動(dòng)檢測(cè)或自動(dòng)配置。對(duì)于現(xiàn)有儀器的自動(dòng)化或要求高度專業(yè)化儀器的系統(tǒng)，GPIB是理想的選擇。