如何为仪器控制系统选择合适的硬件总线
2013-02-19
作者：NI公司供稿
概览
当您面对各种各样的仪器连接总线时，可能会很难为自己的应用作出最合适的选择。可以说每个总线都有各自的优势和相应的优化技术。因此，请您先问问自己如下四个问题，比较一下最常见PC总线的功能选项，即可作出决定。
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1.什么总线可以用在仪器和计算机上？
一款仪器通常会提供一个或更多个总线选择，用于仪器的控制；PC通常也会为仪器控制提供多种总线选择。如果PC上没有自带连接到某种仪器的总线，您也可以通过一个插件板或者外部转换器来添加总线。用于仪器控制的总线类型很多，大体可以分为以下几类：
- 用于与机架式仪器连接的独立总线，包括测试与测量专用总线，如GPIB总线，以及其它PC标准总线，如串行总线（RS232）、以太网总线和USB总线。您也可以使用一些独立总线作为与其它独立总线转接的媒介，例如USB至GPIB转换器。
- 内嵌于模块化仪器的接口总线包括PCI、PCI Express、VXI、和PXI。您也可以使用这些总线作为一个媒介，为不具备独立总线的PC添加独立总线，例如：使用NI PCI-GPIB控制器板卡。
2. 我需要什么样的总线性能？
影响总线的性能的三个主要因素包括：带宽、延迟和仪器实现方式。
- 带宽是数据传输的速率，它通常以百万比特每秒为单位测量。
- 延迟是数据传输的时间，通常以秒为单位。例如，通过以太网传输时，大的数据块被分解为小片段，然后以多个数据包的方式发送。延迟就是其中一个数据包的传输时间。
- 总线软件、固件和硬件的仪器实现方式将影响总线性能。并不是所有的仪器都是生来一致的，无论是用户定义的虚拟仪器还是厂商设计的传统仪器，在仪器具体实现过程中所采用的折中措施，都将影响仪器性能。虚拟仪器的一个好处就是：最终用户作为仪器的设计者，在仪器实现的过程中，自己就可以作出最优的折中决定。
图1. 比较主流测试和测量总线的理论带宽与延迟。
3. 该仪器将要用在什么环境中？
在开发一个仪器控制应用时，充分考虑其部署环境是很重要的。您需要考虑的主要因素包括：仪器到PC之间的距离，以及接口和电缆的坚固性。这两个因素在为仪器控制系统选择总线时至关重要。
仪器到PC之间的距离
如果您的仪器离PC很近（小于5米），您就可以灵活地选择任意一种总线类型。如果您的仪器远离PC，例如，在另一个房间内或另一幢大楼里，那么您应该考虑分布式仪器控制系统的体系架构。分布式仪器控制系统中可能包括扩展器、中继器、LAN/LXI, 或者LAN转换器(例如，以太网至GPIB转换器)。
接口和电缆的坚固性
如果您的仪器处在充满噪声干扰的环境中，例如工业环境，那么您可以考虑使用提供保护的接口总线，隔离环境干扰。例如，在一个生产车间里，GPIB或者USB将是一个更加合适的选择，因为它的电缆锁定牢靠，具有坚固耐用的屏蔽指标。
4. 设置和配置总线的难易程度如何？
当您在选择总线接口时，请注意其设置和安装方式。某些仪器部署在有许多用户交互的地方，例如实验室中，这是就应该考虑选择SUB总线接口，使用起来非常方便，且与用户习惯一致。对于需要考虑安全性的仪器控制系统，您应该意识到信息技术部门可能会禁止使用以太网/LAN/LXI等总线。如果您确定以太网/LAN/LXI对于您的仪器控制系统来说是最佳总线接口，那么当您将其部署在一个需要考虑安全性的环境中时，应该在整个设计实施过程中与信息技术部门协同工作。
5. 常见总线的选择指南
|
总线 |
带宽(MB/s) |
延迟(µs) |
距离(m) (不使用延长) |
设置与安装 |
连接器坚固性 |
|
GPIB |
1.8 (488.1) 8 (HS488) |
30 |
20 |
良好 |
最佳 |
|
USB |
60 (高速) |
1,000 (USB) 125 (高速) |
5 |
最佳 |
良好 |
|
以太网/ LAN |
12.5 (快速) 125 (Gigabit) |
1,000 (快速) 1,000 (Gigabit) |
100 |
良好 |
良好 |
|
PCI |
132 |
1.7 |
内部PC 总线 |
较好 |
较好 最佳(对于PXI) |
|
PCI Express |
250 (x1) 4,000 (x16) |
0.7 (x1) 1.7 (x4) |
内部PC 总线 |
较好 |
较好 最佳(对于PXI) |
表1. 常见的仪器硬件总线的简要介绍
6. 仪器控制硬件总线概述
GPIB
通用接口总线（GPIB）在独立仪器中是一种最常见的I/O接口。GPIB是8位并行数字通信接口，数据传输速率高达8 Mb/s。一个GPIB控制器总线可以最多连接14个仪器，并且其布线距离小于20米。但是，您可以通过使用GPIB扩展器和延长器克服这些限制。GPIB电缆和连接器种类丰富，并且是工业等级的，可以用于任何环境中。
GPIB不是一个PC工业总线，很少用于PC上。但是，您可以使用一个插件板，如PCI-GPIB，或者外部转换器，如NI GPIB-USB，将GPIB仪器控制功能添加到PC上。
串行总线
串行总线是主要用于老式台式机和笔记本电脑上的设备通信协议，请不要将其与USB混淆。在很多设备中，串行总线是最常见的仪器通信协议，而且很多与GPIB兼容的设备还具有EIA232端口。EIA232 和EIA485/EIA422也可以被称作RS232和RS485/RS422。
串行通信的概念很简单。串行端口每次发送和接收一个比特的信息。虽然它比每次传输整个字节的并行通信慢，但是串行总线更简单，而且使用距离更长。
通常情况下，工程师们使用串行接口来传输ASCII数据。他们使用三个传输线路来完成通信：地线、发送线和接收线。因为串行通信是异步的，端口可以在一条线路上传输数据，而在另一条线路上接收数据。其它线路可用于信号握手，但并不是必须的。串行通信的关键指标是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位。两个串行端口若要进行通信，这些参数必须匹配。
USB
通用串行总线（USB）主要是用于与PC连接的外围设备，例如键盘、鼠标、扫描仪和磁盘驱动器等。在过去的几年中，支持USB连接的设备数量急剧增加。USB是一种即插即用技术，当添加一个新设备时，USB主机自动检测该设备，发出询问以识别该设备，并为其配置合适的设备驱动。
USB 2.0对于低速和全速设备是完全兼容的。其高速模式的数据传输速率能够高达480 Mbit/s (60 MB/s)。最新的USB3.0规范具有超高速模式，其理论数据传输速率可高达5.0Gbit/s。
虽然USB总线的设计初衷是针对PC外设，但是它的速度、广泛的适用性以易用性，令其在仪器控制应用中具有很大的吸引力。而USB总线在仪器控制中也存在一些不足：首先，USB线缆不是工业级标准的，可能在充满噪声的环境中导致数据丢失；另外，USB线缆没有锁紧装置，线缆可以很轻易地被拔出PC；而且，即便使用了中继器，USB线缆的最长传输距离只有30m。
以太网
以太网是一种成熟的技术，广泛应用于测量系统中，可以进行通用的网络连接以及远程数据存储。目前，全世界拥有超过一亿套配置以外网接口的计算机。而且，以太网还提供了用于仪器控制的功能选项。以太网是基于IEEE 802.3标准定义的，理论上可支持10Mbits/s(10 BASE-T)、100 Mbit/s (100BASE-T)和1 Gbit/s (1000BASE-T)的数据传输速率。其中，最常见的就是100 Mbit/s (100BASE-T)以太网。
基于以太网的仪器控制应用充分利用了以太网总线的特点，包括远程仪器控制、简便的仪器共享方式、以及易于使用的数据结果的发布功能等。此外，用户还可充分利用公司或者实验室中现有的以太网络。然而，对于某些公司来说，以太网的这种特点还会带来一些麻烦：公司网络管理员可能需要介入到仪器应用的开发之中。
基于以太网总线的仪器控制还有其它缺点，例如可能存在实际传输速率、传输确定性以及安全性方面的问题。虽然以太网总线可以实现高达1 Gbit/s的理论传输速率，但在实际使用中，由于网络同时也被其它应用占用，而且存在数据传输失效等问题，这种理论传输速率很少能够真正实现。此外，由于传输速率不稳定，以太网很难保证数据传输的确定性。最后，对于一些敏感的数据，用户需要采取额外的安全措施，确保数据完整与保密。
PCI
PCI总线通常不直接用于仪器控制，而是作为一种外设总线，通过连接GPIB或者串行通信总线来实现仪器控制。此外，由于其PCI总线带宽较高，常用于模块化仪器的背板总线，此时，其I/O总线内置于测量设备中。
PXI
PXI（面向仪器系统的PCI扩展）基于PCI平台，是一种用于测量和自动化系统的坚固总线。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并添加了专门的同步总线和重要的软件特性。这些技术使得PXI总线成为测量和自动化系统的高性能、低成本部署平台，应用于诸如生产线测试、军工与航空航天、机器状态监控、汽车以及工业测试领域。PXI在1997年完成开发，并在1998年正式推出，它是为了满足日益增加的对复杂仪器系统的需求而推出的一种开放式工业标准。如今，PXI标准由PXI系统联盟（PXISA）所管理。该联盟由超过65家公司组成，共同推广PXI标准，确保PXI的互换性，并维护PXI规范。PXI在模块化仪器平台得到了广泛的使用，这种平台基于紧凑、高性能测量硬件，并集成了定时和同步资源，对于传统的独立仪器来说是理想的替代产品。
PCI Express
PCI Express与PCI相似，通常不会直接用于仪器控制，而是作为一种PC外设总线，用于连接GPIB设备进行仪器控制。但是，由于PCI Express总线速度极高，可以用作模块化仪器的背板总线。
VXI
VXI（面向仪器系统的VME扩展）总线是针对多厂商工业仪器标准的首次尝试。VXI最初在1987年推出，接着被定义为IEEE 1155标准。VXI总线的缺点包括：缺乏软件标准，无法显著提升系统吞吐率；而且由于VXI不使用标准的商用PC技术，无法降低系统成本。
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