概覽
當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用作出最合適的選擇。可以說每個總線都有各自的優勢和相應的優化技術。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。
更多關于儀器控制總線的信息
1.什么總線可以用在儀器和計算機上？
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：
- 用于與機架式儀器連接的獨立總線，包括測試與測量專用總線，如GPIB總線，以及其它PC標準總線，如串行總線（RS232）、以太網總線和USB總線。您也可以使用一些獨立總線作為與其它獨立總線轉接的媒介，例如USB至GPIB轉換器。
- 內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，為不具備獨立總線的PC添加獨立總線，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、延遲和儀器實現方式。
- 帶寬是數據傳輸的速率，它通常以百萬比特每秒為單位測量。
- 延遲是數據傳輸的時間，通常以秒為單位。例如，通過以太網傳輸時，大的數據塊被分解為小片段，然后以多個數據包的方式發送。延遲就是其中一個數據包的傳輸時間。
- 總線軟件、固件和硬件的儀器實現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計的傳統儀器，在儀器具體實現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計者，在儀器實現的過程中，自己就可以作出最優的折中決定。
圖1. 比較主流測試和測量總線的理論帶寬與延遲。
3. 該儀器將要用在什么環境中？
在開發一個儀器控制應用時，充分考慮其部署環境是很重要的。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選擇總線時至關重要。
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。如果您的儀器遠離PC，例如，在另一個房間內或另一幢大樓里，那么您應該考慮分布式儀器控制系統的體系架構。分布式儀器控制系統中可能包括擴展器、中繼器、LAN/LXI, 或者LAN轉換器(例如，以太網至GPIB轉換器)。
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境中，例如工業環境，那么您可以考慮使用提供保護的接口總線，隔離環境干擾。例如，在一個生產車間里，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。
4. 設置和配置總線的難易程度如何？
當您在選擇總線接口時，請注意其設置和安裝方式。某些儀器部署在有許多用戶交互的地方，例如實驗室中，這是就應該考慮選擇SUB總線接口，使用起來非常方便，且與用戶習慣一致。對于需要考慮安全性的儀器控制系統，您應該意識到信息技術部門可能會禁止使用以太網/LAN/LXI等總線。如果您確定以太網/LAN/LXI對于您的儀器控制系統來說是最佳總線接口，那么當您將其部署在一個需要考慮安全性的環境中時，應該在整個設計實施過程中與信息技術部門協同工作。
5. 常見總線的選擇指南
|
總線 |
帶寬 (MB/s) |
延遲 (µs) |
距離 (m) (不使用延長) |
設置與安裝 |
連接器堅固性 |
|
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 |
|
以太網/
LAN |
12.5 (快速)
125 (Gigabit) |
1,000 (快速)
1,000 (Gigabit) |
100 |
良好 |
良好 |
|
PCI |
132 |
1.7 |
內部 PC 總線 |
較好 |
較好
最佳(對于 PXI) |
|
PCI Express |
250 (x1)
4,000 (x16) |
0.7 (x1)
1.7 (x4) |
內部 PC 總線 |
較好 |
較好
最佳(對于 PXI) |
表1. 常見的儀器硬件總線的簡要介紹
6. 儀器控制硬件總線概述
GPIB
通用接口總線（GPIB）在獨立儀器中是一種最常見的I/O接口。GPIB是8位并行數字通信接口，數據傳輸速率高達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，并且是工業等級的，可以用于任何環境中。
GPIB不是一個PC工業總線，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和筆記本電腦上的設備通信協議，請不要將其與USB混淆。在很多設備中，串行總線是最常見的儀器通信協議，而且很多與GPIB兼容的設備還具有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。串行端口每次發送和接收一個比特的信息。雖然它比每次傳輸整個字節的并行通信慢，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數據。他們使用三個傳輸線路來完成通信：地線、發送線和接收線。因為串行通信是異步的，端口可以在一條線路上傳輸數據，而在另一條線路上接收數據。其它線路可用于信號握手，但并不是必須的。串行通信的關鍵指標是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位。兩個串行端口若要進行通信，這些參數必須匹配。
USB
通用串行總線（USB）主要是用于與PC連接的外圍設備，例如鍵盤、鼠標、掃描儀和磁盤驅動器等。在過去的幾年中，支持USB連接的設備數量急劇增加。USB是一種即插即用技術，當添加一個新設備時，USB主機自動檢測該設備，發出詢問以識別該設備，并為其配置合適的設備驅動。
USB 2.0對于低速和全速設備是完全兼容的。其高速模式的數據傳輸速率能夠高達480 Mbit/s (60 MB/s)。最新的USB3.0規范具有超高速模式，其理論數據傳輸速率可高達5.0Gbit/s。
雖然USB總線的設計初衷是針對PC外設，但是它的速度、廣泛的適用性以易用性，令其在儀器控制應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線纜不是工業級標準的，可能在充滿噪聲的環境中導致數據丟失；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
以太網是一種成熟的技術，廣泛應用于測量系統中，可以進行通用的網絡連接以及遠程數據存儲。目前，全世界擁有超過一億套配置以外網接口的計算機。而且，以太網還提供了用于儀器控制的功能選項。以太網是基于IEEE 802.3標準定義的，理論上可支持10Mbits/s(10 BASE-T)、100 Mbit/s (100BASE-T)和 1 Gbit/s (1000BASE-T)的數據傳輸速率。其中，最常見的就是100 Mbit/s (100BASE-T)以太網。
基于以太網的儀器控制應用充分利用了以太網總線的特點，包括遠程儀器控制、簡便的儀器共享方式、以及易于使用的數據結果的發布功能等。此外，用戶還可充分利用公司或者實驗室中現有的以太網絡。然而，對于某些公司來說，以太網的這種特點還會帶來一些麻煩：公司網絡管理員可能需要介入到儀器應用的開發之中。
基于以太網總線的儀器控制還有其它缺點，例如可能存在實際傳輸速率、傳輸確定性以及安全性方面的問題。雖然以太網總線可以實現高達1 Gbit/s的理論傳輸速率，但在實際使用中，由于網絡同時也被其它應用占用，而且存在數據傳輸失效等問題，這種理論傳輸速率很少能夠真正實現。此外，由于傳輸速率不穩定，以太網很難保證數據傳輸的確定性。最后，對于一些敏感的數據，用戶需要采取額外的安全措施，確保數據完整與保密。 PCI
PCI總線通常不直接用于儀器控制，而是作為一種外設總線，通過連接GPIB或者串行通信總線來實現儀器控制。此外，由于其PCI總線帶寬較高，常用于模塊化儀器的背板總線，此時，其I/O總線內置于測量設備中。 PXI
PXI（面向儀器系統的PCI擴展）基于PCI平臺，是一種用于測量和自動化系統的堅固總線。PXI結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，并添加了專門的同步總線和重要的軟件特性。這些技術使得PXI總線成為測量和自動化系統的高性能、低成本部署平臺，應用于諸如生產線測試、軍工與航空航天、機器狀態監控、汽車以及工業測試領域。PXI在1997年完成開發，并在1998年正式推出，它是為了滿足日益增加的對復雜儀器系統的需求而推出的一種開放式工業標準。如今，PXI標準由PXI系統聯盟（PXISA）所管理。該聯盟由超過65家公司組成，共同推廣PXI標準，確保PXI的互換性，并維護PXI規范。PXI在模塊化儀器平臺得到了廣泛的使用，這種平臺基于緊湊、高性能測量硬件，并集成了定時和同步資源，對于傳統的獨立儀器來說是理想的替代產品。 PCI Express
PCI Express與PCI相似，通常不會直接用于儀器控制，而是作為一種PC外設總線， 用于連接GPIB設備進行儀器控制。但是，由于PCI Express總線速度極高，可以用作模塊化儀器的背板總線。
VXI
VXI（面向儀器系統的VME擴展）總線是針對多廠商工業儀器標準的首次嘗試。VXI最初在1987年推出，接著被定義為IEEE 1155標準。VXI總線的缺點包括：缺乏軟件標準，無法顯著提升系統吞吐率；而且由于VXI不使用標準的商用PC技術，無法降低系統成本。
|
