儀器總線性能——理解儀器控制中的競爭的總線技術

　　USB

　　近年來，USB(通用串行總線)在計算機外設的連接方面日漸普及。這樣的普及性已經蔓延到測試與測量領域，越來越多的儀器生產商在其儀器中增加USB設備控制器功能。

　　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據速率低于1 MS/s的虛擬儀器)。雖然絕大多數便攜機、臺式機和服務器可能有多個USB端口，但那些端口通常都連接到同一個主機控制器，所以USB的帶寬是被這些端口共享的。USB的時延屬于中間級別(位于延遲最大的以太網與最小的PCI和PCI Express之間)線纜長度的上限是5米。USB設備的優勢在于自動檢測， USB設備不同于其它LAN或GPIB技術，當USB設備被接入PC時，PC能夠即刻識別并配置該USB設備。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保存。

　　USB設備非常適合那些包括便攜式測量、便攜機或臺式機的數據錄入和車載數據采集的應用。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)規范描述了廣泛的測試與測量設備的通信需求。

　　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延規范。PCI的帶寬為132 MB/s，這一帶寬為總線上的所有設備共享。PCI的時延性能基準值為700 ns，與時延為1ms的以太網相比，這個指標是非常出色的。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是一個用于PC插入式板卡和模塊化儀器系統(如PXI)的內部PC總線，因此距離量度并不直接適用。然而，當與一個PXI系統連接時，PCI總線可以通過使用NI光纖MXI接口，最遠“延展”至200米。由于PCI連接用于計算機內部，所以有理由說：PCI連接器的魯棒性可能受限于其所在的PC的穩定性和魯棒性。PXI模塊化儀器系統，是圍繞PCI信令構建而成的，通過高性能背板連接器和多個螺絲端子固定連接，從而增強連接性。如果PCI或PXI模塊安裝恰當，系統啟動后，Windows將自動檢測并為模塊安裝驅動程序。

　　PCI(以及PCI Express)與以太網、USB的共同優勢在于，它們普遍存在于PC機上。PCI是PC歷史上采用的最為廣泛的標準之一。如今，每臺臺式機都能提供PCI插槽或PCI Express插槽。一般來說 ，PCI儀器需要的成本更低，因為這些儀器依賴其所在主機的電源、處理器、顯示器和內存，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標準的最新演進版本，相當于高速USB與USB的關系。因此，上述關于PCI評價的許多內容也適用于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能為每個外設總線提供專用帶寬。GPIB、USB和LAN都是在所有連接的外設中共享帶寬。在PCI Express中，數據在稱之為“窄帶”的點對點的連接中以單方向250 MB/s的速度傳輸。每個PCI Express連接可以由多個窄帶組成，所以PCI Express總線的帶寬取決于其在插槽和設備中的實現方式。一個x1(1條窄帶)連接能提供250 MB/s帶寬，一個x4(4條窄帶)連接就能提供1 GB/s帶寬，而一個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實現了軟件的向后兼容性，意味著轉用PCI Express標準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行擴展。

　　高速的，內部的PC總線本來是為快速通信設計的。因此，PCI和PCI Express是高性能、需要較大帶寬的數據密集型系統和集成與同步多種類型儀器的系統的理想總線選擇。

　　以太網/LAN/LXI

　　長久以來，以太網一直是儀器控制的一種選擇。它是一種成熟的總線技術，并一直被廣泛應用于測試與測量外的許多應用領域。100BaseT以太網技術的最大理論帶寬為12.5 MB/s。千兆以太網或1000BaseT能將最大帶寬增加到125 MB/s。在所有情況下，以太網的帶寬由整個網絡共享。理論上千兆以太網的帶寬為125 MB/s，其速度比高速USB更快，但當多個儀器和其它設備共享網絡帶寬時，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據傳輸的開銷。鑒于此，以太網的時延在本文所有的總線技術中是最差的。

　　盡管如此，以太網仍然是創建分布式系統網絡的有力選擇。在沒有采用中繼器的情況下，以太網的最大工作距離為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的從控制PC到平臺的間隔距離。就像GPIB一樣，以太網/LAN不支持自動配置。用戶必須手動為其儀器分配IP地址和進行子網配置。與USB和PCI相似，以太網/LAN的連接普遍存在于現代PC中。這使得以太網成為分布式系統和遠程監測的理想選擇。以太網技術經常與其它總線和平臺技術結合使用，以連接測量系統節點。這些本地節點本身或許由測量系統借助GPIB、USB和PCI組成。以太網的物理連接比USB的連接要穩定得多，但比GPIB或PXI的魯棒性差。

　　LXI(LAN的儀器擴充)是一個即將推出的基于LAN的標準。LXI標準為帶有以太網連接的分立儀器定義規范，增加了觸發和同步的特性。

　　總結：儀器總線性能

　　盡管指定單一的總線或通信標準作為“最終的”或“理想的”技術在概念上看頗為簡便，但歷史告訴我們，若干個相互可替代的標準可能會繼續共存，因為每項總線技術都有其獨特的優缺點。

　　測試系統開發人員可以創建混合系統，以充分發揮多種總線和平臺的優勢。混合的測試與測量系統結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/LAN相連接的。創建和維護一個混合系統的關鍵是實現這樣一個系統架構：該架構透明地識別多種總線技術并利用一個開放的、多廠商支持的計算平臺(如PXI)來實現I/O的連接。

　　另一個成功開發混合系統的關鍵在于，確保您在驅動程序層、應用層和測試系統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，但最有用的系統架構還是應該將軟件的功能分解到可互換的模塊化的各層，這樣會使您的系統不必受限于某個具體的硬件或某個廠商。這種分層的方式提供了最佳的代碼復用、模塊性和生命周期。例如，VISA(虛擬儀器軟件架構)是一個廠商中立的軟件標準，可用于由GPIB、VXI、串口 (RS232/485)、以太網、USB和/或IEEE 1394等接口組成的儀器系統的配置、編程和故障排除。由于其編程實現VISA功能的API和多種通信接口的API是類似的，因此VISA車成為一個非常有用的工具。

　　使用混合系統，您可以綜合多種類型儀器的優點，包括遺留設備和專用設備。盡管為儀器尋找一個大一統的解決方案非常有吸引力，但工程實踐要求測試工程師使用滿足其具體應用需求的儀器和相關總線技術。