儀器控制總線(xiàn)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(xiàn)是IEEE 488總線(xiàn)，較為熟悉的稱(chēng)謂是GPIB（通用接口總線(xiàn)）。GPIB是一種在業(yè)界已經(jīng)得到證明的專(zhuān)為儀器控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的總線(xiàn)。GPIB在過(guò)去30年來(lái)一直是魯棒的、可靠的通信總線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)纜和連接器也能適合最?lèi)毫拥奈锢憝h(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(zhuān)業(yè)化儀器的系統(tǒng)，GPIB是理想的選擇。
USB 近年來(lái)，USB（通用串行總線(xiàn)）在計(jì)算機(jī)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(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域，越來(lái)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(jī)、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器可能有多個(gè)USB端口，但那些端口通常都連接到同一個(gè)主機(jī)控制器，所以USB的帶寬是被這些端口共享的。USB的時(shí)延屬于中間級(jí)別（位于延遲最大的以太網(wǎng)與最小的PCI和PCI Express之間）線(xiàn)纜長(zhǎng)度的上限是5米。USB設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于自動(dòng)檢測(cè)， 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(shí)，PC能夠即刻識(shí)別并配置該USB設(shè)備。在這里研究的所有總線(xiàn)中，USB連接器是魯棒性最差，安全性最低的。需要外部線(xiàn)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(cè)量、便攜機(jī)或臺(tái)式機(jī)的數(shù)據(jù)錄入和車(chē)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(xiàn)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(cè)試與測(cè)量類(lèi)（USBTMC）規(guī)范描述了廣泛的測(cè)試與測(cè)量設(shè)備的通信需求。
PCI 在這里研究的所有總線(xiàn)中，PCI和PCI Express具有最佳的帶寬和時(shí)延規(guī)范。PCI的帶寬為132 MB/s，這一帶寬為總線(xiàn)上的所有設(shè)備共享。PCI的時(shí)延性能基準(zhǔn)值為700 ns，與時(shí)延為1ms的以太網(wǎng)相比，這個(gè)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(xiàn)不同的是，PCI并不通過(guò)線(xiàn)纜與外部?jī)x器相連。相反的，PCI是一個(gè)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(xiàn)，因此距離量度并不直接適用。然而，當(dāng)與一個(gè)PXI系統(tǒng)連接時(shí)，PCI總線(xiàn)可以通過(guò)使用NI光纖MXI接口，最遠(yuǎn)“延展”至200米。由于PCI連接用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部，所以有理由說(shuō)：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(guò)高性能背板連接器和多個(gè)螺絲端子固定連接，從而增強(qiáng)連接性。如果PCI或PXI模塊安裝恰當(dāng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，Windows將自動(dòng)檢測(cè)并為模塊安裝驅(qū)動(dòng)程序。 PCI（以及PCI Express）與以太網(wǎng)、USB的共同優(yōu)勢(shì)在于，它們普遍存在于PC機(jī)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(tái)臺(tái)式機(jī)都能提供PCI插槽或PCI Express插槽。一般來(lái)說(shuō) ，PCI儀器需要的成本更低，因?yàn)檫@些儀器依賴(lài)其所在主機(jī)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(jìn)版本，相當(dāng)于高速USB與USB的關(guān)系。因此，上述關(guān)于PCI評(píng)價(jià)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(xiàn)的帶寬更高，而且能為每臺(tái)設(shè)備分配專(zhuān)用帶寬。在本文所討論的所有總線(xiàn)中，只有PCI Express能為每個(gè)外設(shè)總線(xiàn)提供專(zhuān)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(chēng)之為“窄帶”的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接中以單方向250 MB/s的速度傳輸。每個(gè)PCI Express連接可以由多個(gè)窄帶組成，所以PCI Express總線(xiàn)的帶寬取決于其在插槽和設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)方式。一個(gè)x1（1條窄帶）連接能提供250 MB/s帶寬，一個(gè)x4（4條窄帶）連接就能提供1 GB/s帶寬，而一個(gè)x16（16條窄帶）連接能提供4 GB/s專(zhuān)用帶寬。值得注意的是， PCI Express實(shí)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(hù)能夠保留其在PCI的軟件投資。PCI Express也同樣 可以通過(guò)外部線(xiàn)纜進(jìn)行擴(kuò)展。 高速的，內(nèi)部的PC總線(xiàn)本來(lái)是為快速通信設(shè)計(jì)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(lèi)型儀器的系統(tǒng)的理想總線(xiàn)選擇。
以太網(wǎng)/LAN/LXI 長(zhǎng)久以來(lái)，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(xiàn)技術(shù)，并一直被廣泛應(yīng)用于測(cè)試與測(cè)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(gè)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(gè)儀器和其它設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)，其性能就會(huì)急劇下降。該總線(xiàn)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_(kāi)銷(xiāo)。鑒于此，以太網(wǎng)的時(shí)延在本文所有的總線(xiàn)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(méi)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(méi)有任何距離限制。沒(méi)有其它總線(xiàn)可以支持這么遠(yuǎn)的從控制PC到平臺(tái)的間隔距離。就像GPIB一樣，以太網(wǎng)/LAN不支持自動(dòng)配置。用戶(hù)必須手動(dòng)為其儀器分配IP地址和進(jìn)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(cè)的理想選擇。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)常與其它總線(xiàn)和平臺(tái)技術(shù)結(jié)合使用，以連接測(cè)量系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。這些本地節(jié)點(diǎn)本身或許由測(cè)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(kuò)充）是一個(gè)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(xiàn)性能
盡管指定單一的總線(xiàn)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(jiǎn)便，但歷史告訴我們，若干個(gè)相互可替代的標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)繼續(xù)共存，因?yàn)槊宽?xiàng)總線(xiàn)技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。
測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng)建混合系統(tǒng)，以充分發(fā)揮多種總線(xiàn)和平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)?；旌系臏y(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合了模塊化儀器平臺(tái)（如PXI和VXI）和分立儀器的組件，它們通過(guò)GPIB、USB和以太網(wǎng)/LAN相連接的。創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)混合系統(tǒng)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)：該架構(gòu)透明地識(shí)別多種總線(xiàn)技術(shù)并利用一個(gè)開(kāi)放的、多廠(chǎng)商支持的計(jì)算平臺(tái)（如PXI）來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O的連接。 另一個(gè)成功開(kāi)發(fā)混合系統(tǒng)的關(guān)鍵在于，確保您在驅(qū)動(dòng)程序?qū)?、?yīng)用層和測(cè)試系統(tǒng)管理層所選擇的軟件都是模塊化的。雖然一些廠(chǎng)商會(huì)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(huì)使您的系統(tǒng)不必受限于某個(gè)具體的硬件或某個(gè)廠(chǎng)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(gè)廠(chǎng)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(shí)現(xiàn)VISA功能的API和多種通信接口的API是類(lèi)似的，因此VISA車(chē)成為一個(gè)非常有用的工具。
使用混合系統(tǒng)，您可以綜合多種類(lèi)型儀器的優(yōu)點(diǎn)，包括遺留設(shè)備和專(zhuān)用設(shè)備。盡管為儀器尋找一個(gè)大一統(tǒng)的解決方案非常有吸引力，但工程實(shí)踐要求測(cè)試工程師使用滿(mǎn)足其具體應(yīng)用需求的儀器和相關(guān)總線(xiàn)技術(shù)。
NI的相關(guān)產(chǎn)品
軟件：
? NI TestStand測(cè)試管理框架
? LabVIEW圖形化編程環(huán)境
? Signal Express交互式測(cè)量軟件
硬件：
? 模塊化儀器（示波器、萬(wàn)用表、RF、開(kāi)關(guān)以及其它）
? 多功能數(shù)據(jù)采集
? PXI系統(tǒng)組件（機(jī)箱和控制器）
? 儀器控制（GPIB、USB和LAN）