最新總線技術(shù)在儀器控制與連接方面應(yīng)用

　　GPIB基礎(chǔ)

　　GPIB是專為儀器控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。在七十年代﹐IEEE 488標(biāo)準(zhǔn)的誕生致使1975年產(chǎn)生了GPIB在電氣﹑機(jī)械與功能規(guī)格方面的標(biāo)準(zhǔn)﹔在1987年ANSI/IEEE標(biāo)準(zhǔn)488.2更明確地定義了控制器與儀器通過(guò)GPIB通訊的方法﹐使先前的規(guī)格更加完備。 GPIB是一數(shù)字的8位平行通訊界面﹐傳輸速率達(dá)8Mbyte/s?？偩€提供的一個(gè)控制器在20米的排線長(zhǎng)度內(nèi)最多可連結(jié)14個(gè)儀器。但使用者若使用GPIB擴(kuò)增器與延長(zhǎng)器便可以突破這兩個(gè)限制﹐而GPIB排線與連接器是一種多方面適用并符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品﹐可在任何環(huán)境內(nèi)使用。

　　新總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　過(guò)去的電腦僅提供包括串口（RS-232）與并口﹐近年來(lái),電腦配備均提供以太網(wǎng)絡(luò)﹑USB（通用序列總線）﹑有時(shí)甚至提供IEEE 1394（FireWire）接口。這些新的總線具有許多吸引人的特性 – 易于使用 （USB） ﹑易于連結(jié) （以太網(wǎng)絡(luò)） 以及高速 （IEEE 1394）。

　　USB

　　USB的設(shè)計(jì)主要是用來(lái)連結(jié)外圍設(shè)備如鍵盤﹑掃瞄儀﹑與磁盤機(jī)之類的電腦。蘋果電腦率先于1998年使用USB做為其唯一的串口﹐在過(guò)去數(shù)年中電腦工業(yè)使用USB連結(jié)的裝置數(shù)目已大大的增加。

　　以目前的USB1.1規(guī)格而言﹐資料傳輸速率已高達(dá)1.5 Mbyte/s﹐而下一代的USB產(chǎn)品會(huì)使用USB2.0規(guī)格﹐更將總線資料傳輸速率提升至60 Mbyte/s。USB2.0規(guī)格能與USB1.1裝置兼容﹐甚至可使用相同的連接器。由于通用串口總線是一種即插即用技術(shù)﹐每當(dāng)加入一新裝置時(shí)﹐USB主機(jī)會(huì)自動(dòng)測(cè)試并辨識(shí)其身分﹐然后適當(dāng)?shù)卣{(diào)整其配置﹐且一個(gè)接口能同時(shí)控制127個(gè)裝置。對(duì)于Windows操作系統(tǒng)而言﹐USB連結(jié)目前只能在Windows 2000/XP/98執(zhí)行。

　　USB具有價(jià)格低廉及容易連結(jié)儀器與電腦的優(yōu)點(diǎn)。此外﹐USB提供更方便的串口功能如﹕熱插拔﹑內(nèi)置操作系統(tǒng)微調(diào)功能﹑高彈性等﹐來(lái)改善傳統(tǒng)串口的技術(shù)。

　　雖然USB有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)﹐在儀器控制方面亦有一些缺點(diǎn)。首先﹐USB排線沒(méi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格﹐在嘈雜的環(huán)境下﹐可能造成資料的遺失﹔另外﹐USB排線沒(méi)有閉鎖機(jī)制 — 排線可能很容易的從電腦或儀器中拔除。排線長(zhǎng)度（包括使用線上中繼器） 最大可至30米﹔最后﹐在儀器控制方面USB沒(méi)有工業(yè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定﹐需由儀器制造商自行設(shè)計(jì)。

　　盡管USB有一些缺點(diǎn)﹐但由于目前電腦上的廣泛使用和USB2.0的高速﹐使其成為未來(lái)儀器控制的領(lǐng)導(dǎo)先趨。雖然目前很少儀器提供USB的控制選項(xiàng)﹐但使用者可以通過(guò)橋接器與USB連結(jié)他們儀器控制的應(yīng)用.橋接器 提供了使用者一個(gè)連結(jié)USB與GPIB之間的橋梁。橋接器將于本論文稍后再討論。

　　以太網(wǎng)（Ethernet）

　　最近﹐儀器廠商已經(jīng)開(kāi)始將以太網(wǎng)絡(luò)做為單獨(dú)儀器的另一個(gè)通訊界面選擇。雖然以太網(wǎng)絡(luò)在儀器控制中仍屬新的應(yīng)用技術(shù)﹐但它已作為一種成熟的技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在測(cè)量系統(tǒng)的其他方面。世界上有超過(guò)一億臺(tái)電腦具有以太網(wǎng)絡(luò)功能﹐使得以太網(wǎng)絡(luò)做為儀器控制已是必然的趨勢(shì)。

　　基于以太網(wǎng)的儀器控制的應(yīng)用可以利用總線技術(shù)的特性，包括儀器遠(yuǎn)程控制，企業(yè)內(nèi)的資源共享和方便的報(bào)告生成等。另外﹐使用者還可以充分利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)。但是﹐此優(yōu)勢(shì)亦可能對(duì)一些公司產(chǎn)生困擾﹐因?yàn)檫@會(huì)迫使網(wǎng)絡(luò)管理員涉入傳統(tǒng)的工程應(yīng)用。

　　以太網(wǎng)絡(luò)要用于儀器控制方面﹐尚需考慮以下因素: 傳輸速率﹑決定性﹑與安全性。最常見(jiàn)的以太網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為10BaseT或100BaseTX﹐分別達(dá)到傳輸速率10Mb/s與100Mb/s。但是﹐這些傳輸速率因?yàn)槠渌W(wǎng)絡(luò)的流量﹑固定用途﹑與不足的資料流量而很少達(dá)到。傳輸速率的不確定性決定了以太網(wǎng)絡(luò)上的通訊無(wú)法確認(rèn)。最后﹐面對(duì)敏感數(shù)據(jù)使用者﹐必須有更進(jìn)一步的安全措施﹐以確保數(shù)據(jù)的完整性與私密性。

　　IEEE 1394 （FireWire）

　　IEEE 1394-1995標(biāo)準(zhǔn)﹐亦稱作FireWire （蘋果電腦的注冊(cè)商標(biāo)） ﹐ 是蘋果電腦在1980年代發(fā)展的高效的串口總線﹐目前IEEE 1394的資料吞吐速率最高可以達(dá)到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394貿(mào)易協(xié)會(huì)正在修訂其規(guī)格﹐擬將資料傳輸速率增加至400Mbyte/s。由于根據(jù)1394規(guī)范，設(shè)備的總線連接必須在4.5米之內(nèi)，那么16個(gè)儀器設(shè)備的連接也將在72米范圍之內(nèi)。在Windows操作系統(tǒng)中﹐目前只有微軟的Windows 2000/XP/98與1394兼容。

　　IEEE 1394總線為高速傳輸應(yīng)用提供很大的潛能﹐許多數(shù)碼相機(jī)及其他消費(fèi)性電子產(chǎn)品均已包含IEEE 1394接口﹐供傳輸資料使用。IEEE 1394的高帶寬為復(fù)雜的多媒體應(yīng)用提供可行的解決方案。IEEE 1394比USB更具優(yōu)越性﹐其在總線技術(shù)上有一專為控制儀器而定義的傳輸協(xié)定。但是﹐目前僅有少數(shù)的儀器具有1394接口。

　　雖然IEEE 1394在儀器控制方面有許多優(yōu)勢(shì)﹐如高帶寬等﹐但仍有一些因素阻礙其現(xiàn)行的發(fā)展。IEEE 1394的主要缺點(diǎn)是1394接口并未內(nèi)置于英特爾的PC集成芯片的周邊（所有Macintosh電腦均內(nèi)建有1394接口）。因此﹐英特爾的PC使用者必須外接1394控制器﹐尤其對(duì)PCI板卡而言。雖然FireWire排線既輕巧又具彈性﹐但沒(méi)有達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格﹐因此在一些測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用中可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

　　目前新總線技術(shù)的使用

　　現(xiàn)今僅有數(shù)個(gè)儀器制造廠商﹐在所制造的儀器中內(nèi)建USB﹑以太網(wǎng)絡(luò)﹑或IEEE 1394選擇界面。制造廠商對(duì)于總線的集成速度緩慢﹐是因?yàn)闆](méi)有一種總線技術(shù)能夠在儀器控制工業(yè)中位居于主導(dǎo)地位。USB的普遍性﹐或大型以太網(wǎng)絡(luò)的存在﹐或許可以提供設(shè)計(jì)者﹐在儀器控制中加入不同的通訊總線。當(dāng)儀器制造商討論各總線技術(shù)的生存能力時(shí)﹐使用者如欲在其現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)使用最新的總線技術(shù)﹐則可以選擇連結(jié)不同的通訊總線的橋接器。

　　利用橋接器（bridge products）以節(jié)省投資

　　由于新總線技術(shù)的的接受和應(yīng)用減緩﹐與工業(yè)上對(duì)主導(dǎo)總線要求的不確定因素﹐橋接器等產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生﹐成為儀器控制與產(chǎn)品連結(jié)的有效解決方案。使用橋接器, 使用者可以輕易的從一種總線轉(zhuǎn)換到不同型號(hào)的總線﹐同時(shí)利用最新的技術(shù)﹐保持下下的兼容性。例如﹐橋接器的一端可以插入您的電腦或系統(tǒng)上的以太網(wǎng)絡(luò)﹑USB﹑或1394接口﹐而另一端則通過(guò)GPIB或串口連接至傳統(tǒng)的儀器。使用者可以享有這些新總線在電腦上即插即用﹑簡(jiǎn)易操作與應(yīng)用廣泛的好處。此外﹐通過(guò)可以維持儀器控制軟件的兼容性﹐用戶可以減少軟件的投資并縮短研發(fā)時(shí)間。