儀器控制系統(tǒng)選擇合適硬件總線實現(xiàn)用戶交互

表1. 常見的儀器硬件總線的簡要介紹

　　6. 儀器控制硬件總線概述
　　GPIB
　　通用接口總線（GPIB）在獨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8 Mb/s。一個GPIB控制器總線可以最多連接14個儀器，并且其布線距離小于20米。但是，您可以通過使用GPIB擴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)等級的，可以用于任何環(huán)境中。
　　GPIB不是一個PC工業(yè)總線，很少用于PC上。但是，您可以使用一個插件板，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式機和筆記本電腦上的設(shè)備通信協(xié)議，請不要將其與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單。串行端口每次發(fā)送和接收一個比特的信息。雖然它比每次傳輸整個字節(jié)的并行通信慢，但是串行總線更簡單，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)。他們使用三個傳輸線路來完成通信：地線、發(fā)送線和接收線。因為串行通信是異步的，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、停止位和奇偶校驗位。兩個串行端口若要進行通信，這些參數(shù)必須匹配。
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　　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)添加一個新設(shè)備時，USB主機自動檢測該設(shè)備，發(fā)出詢問以識別該設(shè)備，并為其配置合適的設(shè)備驅(qū)動。
　　USB 2.0對于低速和全速設(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5.0Gbit/s。
　　雖然USB總線的設(shè)計初衷是針對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)用于測量系統(tǒng)中，可以進行通用的網(wǎng)絡(luò)連接以及遠程數(shù)據(jù)存儲。目前，全世界擁有超過一億套配置以外網(wǎng)接口的計算機。而且，以太網(wǎng)還提供了用于儀器控制的功能選項。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，包括遠程儀器控制、簡便的儀器共享方式、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驗室中現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)。然而，對于某些公司來說，以太網(wǎng)的這種特點還會帶來一些麻煩：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，例如可能存在實際傳輸速率、傳輸確定性以及安全性方面的問題。雖然以太網(wǎng)總線可以實現(xiàn)高達1 Gbit/s的理論傳輸速率，但在實際使用中，由于網(wǎng)絡(luò)同時也被其它應(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，其I/O總線內(nèi)置于測量設(shè)備中。
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　　PXI
　　PXI（面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展）基于PCI平臺，是一種用于測量和自動化系統(tǒng)的堅固總線。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，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總線成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本部署平臺，應(yīng)用于諸如生產(chǎn)線測試、軍工與航空航天、機器狀態(tài)監(jiān)控、汽車以及工業(yè)測試領(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PXI規(guī)范。PXI在模塊化儀器平臺得到了廣泛的使用，這種平臺基于緊湊、高性能測量硬件，并集成了定時和同步資源，對于傳統(tǒng)的獨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擴展）總線是針對多廠商工業(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。