儀器控制系統(tǒng)硬件總線選擇方案

　　概覽

　　當(dāng)您面對各種各樣的儀器連接總線時，可能會很難為自己的應(yīng)用作出最合適的選擇?？梢哉f每個總線都有各自的優(yōu)勢和相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)。因此，請您先問問自己如下四個問題，比較一下最常見PC總線的功能選項，即可作出決定。

　　什么總線可以用在儀器和計算機(jī)上？

　　我需要什么樣的總線性能？

　　該儀器將要用在什么環(huán)境中？

　　設(shè)置和配置總線的難易程度如何？

　　儀器控制硬件總線概述

　　1.什么總線可以用在儀器和計算機(jī)上？

　　一款儀器通常會提供一個或更多個總線選擇，用于儀器的控制；PC通常也會為儀器控制提供多種總線選擇。如果PC上沒有自帶連接到某種儀器的總線，您也可以通過一個插件板或者外部轉(zhuǎn)換器來添加總線。用于儀器控制的總線類型很多，大體可以分為以下幾類：

　　用于與機(jī)架式儀器連接的獨(dú)立總線，包括測試與測量專用總線，如GPIB總線，以及其它PC標(biāo)準(zhǔn)總線，如串行總線（RS232）、以太網(wǎng)總線和USB總線。您也可以使用一些獨(dú)立總線作為與其它獨(dú)立總線轉(zhuǎn)接的媒介，例如USB至GPIB轉(zhuǎn)換器。

　　內(nèi)嵌于模塊化儀器的接口總線包括PCI、PCI Express、VXI、和PXI.您也可以使用這些總線作為一個媒介，為不具備獨(dú)立總線的PC添加獨(dú)立總線，例如：使用 NI PCI-GPIB控制器板卡。

　　2. 我需要什么樣的總線性能？

　　影響總線的性能的三個主要因素包括：帶寬、延遲和儀器實(shí)現(xiàn)方式。

　　帶寬是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，它通常以百萬比特每秒為單位測量。

　　延遲是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，通常以秒為單位。例如，通過以太網(wǎng)傳輸時，大的數(shù)據(jù)塊被分解為小片段，然后以多個數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送。延遲就是其中一個數(shù)據(jù)包的傳輸時間。

　　總線軟件、固件和硬件的儀器實(shí)現(xiàn)方式將影響總線性能。并不是所有的儀器都是生來一致的，無論是用戶定義的虛擬儀器還是廠商設(shè)計的傳統(tǒng)儀器，在儀器具體實(shí)現(xiàn)過程中所采用的折中措施，都將影響儀器性能。虛擬儀器的一個好處就是：最終用戶作為儀器的設(shè)計者，在儀器實(shí)現(xiàn)的過程中，自己就可以作出最優(yōu)的折中決定。

　　3. 該儀器將要用在什么環(huán)境中？

　　在開發(fā)一個儀器控制應(yīng)用時，充分考慮其部署環(huán)境是很重要的。您需要考慮的主要因素包括：儀器到PC之間的距離，以及接口和電纜的堅固性。這兩個因素在為儀器控制系統(tǒng)選擇總線時至關(guān)重要。

　　儀器到PC之間的距離

　　如果您的儀器離PC很近（小于5米），您就可以靈活地選擇任意一種總線類型。如果您的儀器遠(yuǎn)離PC,例如，在另一個房間內(nèi)或另一幢大樓里，那么您應(yīng)該考慮分布式儀器控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)。分布式儀器控制系統(tǒng)中可能包括擴(kuò)展器、中繼器、LAN/LXI, 或者LAN轉(zhuǎn)換器（例如，以太網(wǎng)至GPIB轉(zhuǎn)換器）。

　　接口和電纜的堅固性

　　如果您的儀器處在充滿噪聲干擾的環(huán)境中，例如工業(yè)環(huán)境，那么您可以考慮使用提供保護(hù)的接口總線，隔離環(huán)境干擾。例如，在一個生產(chǎn)車間里，GPIB或者USB將是一個更加合適的選擇，因為它的電纜鎖定牢靠，具有堅固耐用的屏蔽指標(biāo)。

　　4. 設(shè)置和配置總線的難易程度如何？

　　當(dāng)您在選擇總線接口時，請注意其設(shè)置和安裝方式。某些儀器部署在有許多用戶交互的地方，例如實(shí)驗室中，這是就應(yīng)該考慮選擇SUB總線接口，使用起來非常方便，且與用戶習(xí)慣一致。對于需要考慮安全性的儀器控制系統(tǒng)，您應(yīng)該意識到信息技術(shù)部門可能會禁止使用以太網(wǎng)/LAN/LXI等總線。如果您確定以太網(wǎng)/LAN/LXI對于您的儀器控制系統(tǒng)來說是最佳總線接口，那么當(dāng)您將其部署在一個需要考慮安全性的環(huán)境中時，應(yīng)該在整個設(shè)計實(shí)施過程中與信息技術(shù)部門協(xié)同工作。

　　5. 常見總線的選擇指南

6. 儀器控制硬件總線概述

　　GPIB

　　通用接口總線（GPIB）在獨(dú)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(dá)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(kuò)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。

　　串行總線

　　串行總線是主要用于老式臺式機(jī)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(jìn)行通信，這些參數(shù)必須匹配。

　　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(jī)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(dá)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(dá)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)