儀器總線性能——理解儀器控制中的競爭的總線技術(shù)

　　USB

　　近年來，USB(通用串行總線)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(jī)、臺式機(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(dòng)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(shí)，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(jī)或臺式機(jī)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(shí)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(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(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，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(jì)算機(jī)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(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，每臺臺式機(jī)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?yàn)檫@些儀器依賴其所在主機(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(gè)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(diǎn)對點(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(jìn)行擴(kuò)展。

　　高速的，內(nèi)部的PC總線本來是為快速通信設(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(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(shí)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(dòng)配置。用戶必須手動(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(diǎn)。這些本地節(jié)點(diǎn)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(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(gè)相互可替代的標(biāo)準(zhǔn)可能會繼續(xù)共存，因?yàn)槊宽?xiàng)總線技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　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(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)透明地識別多種總線技術(shù)并利用一個(gè)開放的、多廠商支持的計(jì)算平臺(如PXI)來實(shí)現(xiàn)I/O的連接。

　　另一個(gè)成功開發(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(gè)具體的硬件或某個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)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(diǎn)，包括遺留設(shè)備和專用設(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)。