儀器控制總線比較（GPIB、USB、PCI、PCI Expr

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)計的總線。GPIB在過去30年來一直是魯棒的、可靠的通信總線，由于其低時延和可接受的帶寬的特點，GPIB目前仍然是儀器控制中最常見的選擇。GPIB的優(yōu)勢在于為業(yè)界廣泛采納，并有超過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，并對分立儀器進行控制。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GPIB儀器可以通過電纜連接，其總距為20米，帶寬為總線上的所有儀器共享。雖然GPIB的帶寬相對較低，但其時延要比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，并不能自動檢測或自動配置。對于現(xiàn)有儀器的自動化或要求高度專業(yè)化儀器的系統(tǒng)，GPIB是理想的選擇。
USB 近年來，USB（通用串行總線）在計算機外設(shè)的連接方面日漸普及。這樣的普及性已經(jīng)蔓延到測試與測量領(lǐng)域，越來越多的儀器生產(chǎn)商在其儀器中增加USB設(shè)備控制器功能。 高速USB的最大傳輸速率為60MB/s，這使其成為頗具吸引力的儀器連接和控制的可選方案（這里的儀器包括分立儀器和數(shù)據(jù)速率低于1 MS/s的虛擬儀器）。雖然絕大多數(shù)便攜機、臺式機和服務(wù)器可能有多個USB端口，但那些端口通常都連接到同一個主機控制器，所以USB的帶寬是被這些端口共享的。USB的時延屬于中間級別（位于延遲最大的以太網(wǎng)與最小的PCI和PCI Express之間）線纜長度的上限是5米。USB設(shè)備的優(yōu)勢在于自動檢測， USB設(shè)備不同于其它LAN或GPIB技術(shù)，當(dāng)USB設(shè)備被接入PC時，PC能夠即刻識別并配置該USB設(shè)備。在這里研究的所有總線中，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(dāng)保存。 USB設(shè)備非常適合那些包括便攜式測量、便攜機或臺式機的數(shù)據(jù)錄入和車載數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。由于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(jīng)成為一種分立儀器中較為普遍的一種通信方式。USB測試與測量類（USBTMC）規(guī)范描述了廣泛的測試與測量設(shè)備的通信需求。
PCI 在這里研究的所有總線中，PCI和PCI Express具有最佳的帶寬和時延規(guī)范。PCI的帶寬為132 MB/s，這一帶寬為總線上的所有設(shè)備共享。PCI的時延性能基準(zhǔn)值為700 ns，與時延為1ms的以太網(wǎng)相比，這個指標(biāo)是非常出色的。PCI采用基于寄存器的通信方式。與這里所提及的其它總線不同的是，PCI并不通過線纜與外部儀器相連。相反的，PCI是一個用于PC插入式板卡和模塊化儀器系統(tǒng)（如PXI）的內(nèi)部PC總線，因此距離量度并不直接適用。然而，當(dāng)與一個PXI系統(tǒng)連接時，PCI總線可以通過使用NI光纖MXI接口，最遠(yuǎn)“延展”至200米。由于PCI連接用于計算機內(nèi)部，所以有理由說：PCI連接器的魯棒性可能受限于其所在的PC的穩(wěn)定性和魯棒性。PXI模塊化儀器系統(tǒng)，是圍繞PCI信令構(gòu)建而成的，通過高性能背板連接器和多個螺絲端子固定連接，從而增強連接性。如果PCI或PXI模塊安裝恰當(dāng)，系統(tǒng)啟動后，Windows將自動檢測并為模塊安裝驅(qū)動程序。 PCI（以及PCI Express）與以太網(wǎng)、USB的共同優(yōu)勢在于，它們普遍存在于PC機上。PCI是PC歷史上采用的最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一。如今，每臺臺式機都能提供PCI插槽或PCI Express插槽。一般來說 ，PCI儀器需要的成本更低，因為這些儀器依賴其所在主機的電源、處理器、顯示器和內(nèi)存，而不再需要在儀器中另外配置這些硬件。

PCI Exrpess
PC IExpress與PCI相似。它是PCI標(biāo)準(zhǔn)的最新演進版本，相當(dāng)于高速USB與USB的關(guān)系。因此，上述關(guān)于PCI評價的許多內(nèi)容也適用于PCI Express。 PCI Express和PCI的主要性能差別在于， PCI Express總線的帶寬更高，而且能為每臺設(shè)備分配專用帶寬。在本文所討論的所有總線中，只有PCI Express能為每個外設(shè)總線提供專用帶寬。GPIB、USB和LAN都是在所有連接的外設(shè)中共享帶寬。在PCI Express中，數(shù)據(jù)在稱之為“窄帶”的點對點的連接中以單方向250 MB/s的速度傳輸。每個PCI Express連接可以由多個窄帶組成，所以PCI Express總線的帶寬取決于其在插槽和設(shè)備中的實現(xiàn)方式。一個x1（1條窄帶）連接能提供250 MB/s帶寬，一個x4（4條窄帶）連接就能提供1 GB/s帶寬，而一個x16（16條窄帶）連接能提供4 GB/s專用帶寬。值得注意的是， PCI Express實現(xiàn)了軟件的向后兼容性，意味著轉(zhuǎn)用PCI Express標(biāo)準(zhǔn)的用戶能夠保留其在PCI的軟件投資。PCI Express也同樣 可以通過外部線纜進行擴展。 高速的，內(nèi)部的PC總線本來是為快速通信設(shè)計的。因此，PCI和PCI Express是高性能、需要較大帶寬的數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)和集成與同步多種類型儀器的系統(tǒng)的理想總線選擇。
以太網(wǎng)/LAN/LXI 長久以來，以太網(wǎng)一直是儀器控制的一種選擇。它是一種成熟的總線技術(shù)，并一直被廣泛應(yīng)用于測試與測量外的許多應(yīng)用領(lǐng)域。100BaseT以太網(wǎng)技術(shù)的最大理論帶寬為12.5 MB/s。千兆以太網(wǎng)或1000BaseT能將最大帶寬增加到125 MB/s。在所有情況下，以太網(wǎng)的帶寬由整個網(wǎng)絡(luò)共享。理論上千兆以太網(wǎng)的帶寬為125 MB/s，其速度比高速USB更快，但當(dāng)多個儀器和其它設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)帶寬時，其性能就會急劇下降。該總線采用基于消息的通信方式，通信包添加的一些頭信息明顯地增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷。鑒于此，以太網(wǎng)的時延在本文所有的總線技術(shù)中是最差的。 盡管如此，以太網(wǎng)仍然是創(chuàng)建分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的有力選擇。在沒有采用中繼器的情況下，以太網(wǎng)的最大工作距離為85到100米，如果使用中繼器將沒有任何距離限制。沒有其它總線可以支持這么遠(yuǎn)的從控制PC到平臺的間隔距離。就像GPIB一樣，以太網(wǎng)/LAN不支持自動配置。用戶必須手動為其儀器分配IP地址和進行子網(wǎng)配置。與USB和PCI相似，以太網(wǎng)/LAN的連接普遍存在于現(xiàn)代PC中。這使得以太網(wǎng)成為分布式系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測的理想選擇。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)常與其它總線和平臺技術(shù)結(jié)合使用，以連接測量系統(tǒng)節(jié)點。這些本地節(jié)點本身或許由測量系統(tǒng)借助GPIB、USB和PCI組成。以太網(wǎng)的物理連接比USB的連接要穩(wěn)定得多，但比GPIB或PXI的魯棒性差。
LXI（LAN的儀器擴充）是一個即將推出的基于LAN的標(biāo)準(zhǔn)。LXI標(biāo)準(zhǔn)為帶有以太網(wǎng)連接的分立儀器定義規(guī)范，增加了觸發(fā)和同步的特性。
總結(jié)：儀器總線性能
盡管指定單一的總線或通信標(biāo)準(zhǔn)作為“最終的”或“理想的”技術(shù)在概念上看頗為簡便，但歷史告訴我們，若干個相互可替代的標(biāo)準(zhǔn)可能會繼續(xù)共存，因為每項總線技術(shù)都有其獨特的優(yōu)缺點。
測試系統(tǒng)開發(fā)人員可以創(chuàng)建混合系統(tǒng)，以充分發(fā)揮多種總線和平臺的優(yōu)勢?；旌系臏y試與測量系統(tǒng)結(jié)合了模塊化儀器平臺（如PXI和VXI）和分立儀器的組件，它們通過GPIB、USB和以太網(wǎng)/LAN相連接的。創(chuàng)建和維護一個混合系統(tǒng)的關(guān)鍵是實現(xiàn)這樣一個系統(tǒng)架構(gòu)：該架構(gòu)透明地識別多種總線技術(shù)并利用一個開放的、多廠商支持的計算平臺（如PXI）來實現(xiàn)I/O的連接。 另一個成功開發(fā)混合系統(tǒng)的關(guān)鍵在于，確保您在驅(qū)動程序?qū)印?yīng)用層和測試系統(tǒng)管理層所選擇的軟件都是模塊化的。雖然一些廠商會為特殊的儀器提供垂直集成的軟件方案，但最有用的系統(tǒng)架構(gòu)還是應(yīng)該將軟件的功能分解到可互換的模塊化的各層，這樣會使您的系統(tǒng)不必受限于某個具體的硬件或某個廠商。這種分層的方式提供了最佳的代碼復(fù)用、模塊性和生命周期。例如，VISA（虛擬儀器軟件架構(gòu)）是一個廠商中立的軟件標(biāo)準(zhǔn)，可用于由GPIB、VXI、串口 (RS232/485)、以太網(wǎng)、USB和/或IEEE 1394等接口組成的儀器系統(tǒng)的配置、編程和故障排除。由于其編程實現(xiàn)VISA功能的API和多種通信接口的API是類似的，因此VISA車成為一個非常有用的工具。
使用混合系統(tǒng)，您可以綜合多種類型儀器的優(yōu)點，包括遺留設(shè)備和專用設(shè)備。盡管為儀器尋找一個大一統(tǒng)的解決方案非常有吸引力，但工程實踐要求測試工程師使用滿足其具體應(yīng)用需求的儀器和相關(guān)總線技術(shù)。
NI的相關(guān)產(chǎn)品
軟件：
? NI TestStand測試管理框架
? LabVIEW圖形化編程環(huán)境
? Signal Express交互式測量軟件
硬件：
? 模塊化儀器（示波器、萬用表、RF、開關(guān)以及其它）
? 多功能數(shù)據(jù)采集
? PXI系統(tǒng)組件（機箱和控制器）
? 儀器控制（GPIB、USB和LAN）