儀器控制系統(tǒng)硬件總線(xiàn)選擇方案

　　概覽

　　當(dāng)您面對(duì)各種各樣的儀器連接總線(xiàn)時(shí)，可能會(huì)很難為自己的應(yīng)用作出最合適的選擇。可以說(shuō)每個(gè)總線(xiàn)都有各自的優(yōu)勢(shì)和相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)。因此，請(qǐng)您先問(wèn)問(wèn)自己如下四個(gè)問(wèn)題，比較一下最常見(jiàn)PC總線(xiàn)的功能選項(xiàng)，即可作出決定。

　　什么總線(xiàn)可以用在儀器和計(jì)算機(jī)上？

　　我需要什么樣的總線(xiàn)性能？

　　該儀器將要用在什么環(huán)境中？

　　設(shè)置和配置總線(xiàn)的難易程度如何？

　　儀器控制硬件總線(xiàn)概述

　　1.什么總線(xiàn)可以用在儀器和計(jì)算機(jī)上？

　　一款儀器通常會(huì)提供一個(gè)或更多個(gè)總線(xiàn)選擇，用于儀器的控制；PC通常也會(huì)為儀器控制提供多種總線(xiàn)選擇。如果PC上沒(méi)有自帶連接到某種儀器的總線(xiàn)，您也可以通過(guò)一個(gè)插件板或者外部轉(zhuǎn)換器來(lái)添加總線(xiàn)。用于儀器控制的總線(xiàn)類(lèi)型很多，大體可以分為以下幾類(lèi)：

　　用于與機(jī)架式儀器連接的獨(dú)立總線(xiàn)，包括測(cè)試與測(cè)量專(zhuān)用總線(xiàn)，如GPIB總線(xiàn)，以及其它PC標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，如串行總線(xiàn)（RS232）、以太網(wǎng)總線(xiàn)和USB總線(xiàn)。您也可以使用一些獨(dú)立總線(xiàn)作為與其它獨(dú)立總線(xiàn)轉(zhuǎn)接的媒介，例如USB至GPIB轉(zhuǎn)換器。

　　內(nèi)嵌于模塊化儀器的接口總線(xiàn)包括PCI、PCI Express、VXI、和PXI.您也可以使用這些總線(xiàn)作為一個(gè)媒介，為不具備獨(dú)立總線(xiàn)的PC添加獨(dú)立總線(xiàn)，例如：使用 NI PCI-GPIB控制器板卡。

　　2. 我需要什么樣的總線(xiàn)性能？

　　影響總線(xiàn)的性能的三個(gè)主要因素包括：帶寬、延遲和儀器實(shí)現(xiàn)方式。

　　帶寬是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩ǔＲ园偃f(wàn)比特每秒為單位測(cè)量。

　　延遲是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，通常以秒為單位。例如，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸時(shí)，大的數(shù)據(jù)塊被分解為小片段，然后以多個(gè)數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送。延遲就是其中一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間。

　　總線(xiàn)軟件、固件和硬件的儀器實(shí)現(xiàn)方式將影響總線(xiàn)性能。并不是所有的儀器都是生來(lái)一致的，無(wú)論是用戶(hù)定義的虛擬儀器還是廠商設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)儀器，在儀器具體實(shí)現(xiàn)過(guò)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(gè)好處就是：最終用戶(hù)作為儀器的設(shè)計(jì)者，在儀器實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，自己就可以作出最優(yōu)的折中決定。

　　3. 該儀器將要用在什么環(huán)境中？

　　在開(kāi)發(fā)一個(gè)儀器控制應(yīng)用時(shí)，充分考慮其部署環(huán)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(jiān)固性。這兩個(gè)因素在為儀器控制系統(tǒng)選擇總線(xiàn)時(shí)至關(guān)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(xiàn)類(lèi)型。如果您的儀器遠(yuǎn)離PC,例如，在另一個(gè)房間內(nèi)或另一幢大樓里，那么您應(yīng)該考慮分布式儀器控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)。分布式儀器控制系統(tǒng)中可能包括擴(kuò)展器、中繼器、LAN/LXI, 或者LAN轉(zhuǎn)換器（例如，以太網(wǎng)至GPIB轉(zhuǎn)換器）。

　　接口和電纜的堅(jiān)固性

　　如果您的儀器處在充滿(mǎn)噪聲干擾的環(huán)境中，例如工業(yè)環(huán)境，那么您可以考慮使用提供保護(hù)的接口總線(xiàn)，隔離環(huán)境干擾。例如，在一個(gè)生產(chǎn)車(chē)間里，GPIB或者USB將是一個(gè)更加合適的選擇，因?yàn)樗碾娎|鎖定牢靠，具有堅(jiān)固耐用的屏蔽指標(biāo)。

　　4. 設(shè)置和配置總線(xiàn)的難易程度如何？

　　當(dāng)您在選擇總線(xiàn)接口時(shí)，請(qǐng)注意其設(shè)置和安裝方式。某些儀器部署在有許多用戶(hù)交互的地方，例如實(shí)驗(yàn)室中，這是就應(yīng)該考慮選擇SUB總線(xiàn)接口，使用起來(lái)非常方便，且與用戶(hù)習(xí)慣一致。對(duì)于需要考慮安全性的儀器控制系統(tǒng)，您應(yīng)該意識(shí)到信息技術(shù)部門(mén)可能會(huì)禁止使用以太網(wǎng)/LAN/LXI等總線(xiàn)。如果您確定以太網(wǎng)/LAN/LXI對(duì)于您的儀器控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最佳總線(xiàn)接口，那么當(dāng)您將其部署在一個(gè)需要考慮安全性的環(huán)境中時(shí)，應(yīng)該在整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中與信息技術(shù)部門(mén)協(xié)同工作。

　　5. 常見(jiàn)總線(xiàn)的選擇指南

6. 儀器控制硬件總線(xiàn)概述

　　GPIB

　　通用接口總線(xiàn)（GPIB）在獨(dú)立儀器中是一種最常見(jiàn)的I/O接口。GPIB是8位并行數(shù)字通信接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)8 Mb/s.一個(gè)GPIB控制器總線(xiàn)可以最多連接14個(gè)儀器，并且其布線(xiàn)距離小于20米。但是，您可以通過(guò)使用GPIB擴(kuò)展器和延長(zhǎng)器克服這些限制。GPIB電纜和連接器種類(lèi)豐富，并且是工業(yè)等級(jí)的，可以用于任何環(huán)境中。

　　GPIB不是一個(gè)PC工業(yè)總線(xiàn)，很少用于PC上。但是，您可以使用一個(gè)插件板，如PCI-GPIB,或者外部轉(zhuǎn)換器，如NI GPIB-USB,將GPIB儀器控制功能添加到PC上。

　　串行總線(xiàn)

　　串行總線(xiàn)是主要用于老式臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦上的設(shè)備通信協(xié)議，請(qǐng)不要將其與USB混淆。在很多設(shè)備中，串行總線(xiàn)是最常見(jiàn)的儀器通信協(xié)議，而且很多與GPIB兼容的設(shè)備還具有EIA232端口。EIA232 和EIA485/EIA422也可以被稱(chēng)作RS232和RS485/RS422.

　　串行通信的概念很簡(jiǎn)單。串行端口每次發(fā)送和接收一個(gè)比特的信息。雖然它比每次傳輸整個(gè)字節(jié)的并行通信慢，但是串行總線(xiàn)更簡(jiǎn)單，而且使用距離更長(zhǎng)。

　　通常情況下，工程師們使用串行接口來(lái)傳輸ASCII數(shù)據(jù)。他們使用三個(gè)傳輸線(xiàn)路來(lái)完成通信：地線(xiàn)、發(fā)送線(xiàn)和接收線(xiàn)。因?yàn)榇型ㄐ攀钱惒降模丝诳梢栽谝粭l線(xiàn)路上傳輸數(shù)據(jù)，而在另一條線(xiàn)路上接收數(shù)據(jù)。其它線(xiàn)路可用于信號(hào)握手，但并不是必須的。串行通信的關(guān)鍵指標(biāo)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位。兩個(gè)串行端口若要進(jìn)行通信，這些參數(shù)必須匹配。

　　USB

　　通用串行總線(xiàn)（USB）主要是用于與PC連接的外圍設(shè)備，例如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。在過(guò)去的幾年中，支持USB連接的設(shè)備數(shù)量急劇增加。USB是一種即插即用技術(shù)，當(dāng)添加一個(gè)新設(shè)備時(shí)，USB主機(jī)自動(dòng)檢測(cè)該設(shè)備，發(fā)出詢(xún)問(wèn)以識(shí)別該設(shè)備，并為其配置合適的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　USB 2.0對(duì)于低速和全速設(shè)備是完全兼容的。其高速模式的數(shù)據(jù)傳輸速率能夠高達(dá)480 Mbit/s （60 MB/s）。最新的USB3.0規(guī)范具有超高速模式，其理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)5.0Gbit/s.

　　雖然USB總線(xiàn)的設(shè)計(jì)初衷是針對(duì)PC外設(shè)，但是它的速度、廣泛的適用性以易用性，令其在儀器控制應(yīng)用中具有很大的吸引力。而USB總線(xiàn)在儀器控制中也存在一些不足：首先，USB線(xiàn)纜不是工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的，可能在充滿(mǎn)噪聲的環(huán)境中導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；另外，USB線(xiàn)纜沒(méi)有鎖緊裝置，線(xiàn)纜可以很輕易地被拔出PC;而且，即便使用了中繼器，USB線(xiàn)纜的最長(zhǎng)傳輸距離只有30m.

　　以太網(wǎng)