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當(dāng)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(yīng)用作出最合適的選擇,?？梢哉f每個總線都有各自的優(yōu)勢和相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù),。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(guān)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)總線,，如串行總線（RS232）、以太網(wǎng)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(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(xiàn)方式,。
- 帶寬是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩ǔＲ园偃f比特每秒為單位測量,。
- 延遲是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間,，通常以秒為單位。例如,，通過以太網(wǎng)傳輸時,，大的數(shù)據(jù)塊被分解為小片段，然后以多個數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送,。延遲就是其中一個數(shù)據(jù)包的傳輸時間,。
- 總線軟件、固件和硬件的儀器實現(xiàn)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(shè)計的傳統(tǒng)儀器，在儀器具體實現(xiàn)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(shè)計者,，在儀器實現(xiàn)的過程中，自己就可以作出最優(yōu)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(huán)境中？
在開發(fā)一個儀器控制應(yīng)用時,，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固性,。這兩個因素在為儀器控制系統(tǒng)選擇總線時至關(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類型,。如果您的儀器遠離PC,，例如，在另一個房間內(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)。
接口和電纜的堅固性
如果您的儀器處在充滿噪聲干擾的環(huán)境中,，例如工業(yè)環(huán)境,，那么您可以考慮使用提供保護的接口總線，隔離環(huán)境干擾,。例如,，在一個生產(chǎn)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(biāo)。
4. 設(shè)置和配置總線的難易程度如何,？
當(dāng)您在選擇總線接口時,，請注意其設(shè)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(yīng)該考慮選擇SUB總線接口，使用起來非常方便,，且與用戶習(xí)慣一致,。對于需要考慮安全性的儀器控制系統(tǒng)，您應(yīng)該意識到信息技術(shù)部門可能會禁止使用以太網(wǎng)/LAN/LXI等總線。如果您確定以太網(wǎng)/LAN/LXI對于您的儀器控制系統(tǒng)來說是最佳總線接口,，那么當(dāng)您將其部署在一個需要考慮安全性的環(huán)境中時,，應(yīng)該在整個設(shè)計實施過程中與信息技術(shù)部門協(xié)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(shè)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(wǎng)/ LAN |
12.5 (快速) 125 (Gigabit) |
1,000 (快速) 1,000 (Gigabit) |
100 |
良好 |
良好 |
|
PCI |
132 |
1.7 |
內(nèi)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(nèi)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(shù)字通信接口,，數(shù)據(jù)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(yè)等級的，可以用于任何環(huán)境中,。
GPIB不是一個PC工業(yè)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(zhuǎn)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(shè)備通信協(xié)議,，請不要將其與USB混淆,。在很多設(shè)備中，串行總線是最常見的儀器通信協(xié)議,，而且很多與GPIB兼容的設(shè)備還具有EIA232端口。EIA232 和EIA485/EIA422也可以被稱作RS232和RS485/RS422,。
串行通信的概念很簡單,。串行端口每次發(fā)送和接收一個比特的信息。雖然它比每次傳輸整個字節(jié)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(shù)據(jù),。他們使用三個傳輸線路來完成通信：地線、發(fā)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(shù)據(jù)，而在另一條線路上接收數(shù)據(jù)。其它線路可用于信號握手,，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,、停止位和奇偶校驗位,。兩個串行端口若要進行通信，這些參數(shù)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(shè)備,，例如鍵盤、鼠標(biāo),、掃描儀和磁盤驅(qū)動器等,。在過去的幾年中，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)添加一個新設(shè)備時，USB主機自動檢測該設(shè)備,，發(fā)出詢問以識別該設(shè)備,，并為其配置合適的設(shè)備驅(qū)動。
USB 2.0對于低速和全速設(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5.0Gbit/s,。
雖然USB總線的設(shè)計初衷是針對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總線在儀器控制中也存在一些不足：首先，USB線纜不是工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的,，可能在充滿噪聲的環(huán)境中導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(wǎng)
以太網(wǎng)是一種成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中,，可以進行通用的網(wǎng)絡(luò)連接以及遠程數(shù)據(jù)存儲,。目前，全世界擁有超過一億套配置以外網(wǎng)接口的計算機。而且,，以太網(wǎng)還提供了用于儀器控制的功能選項,。以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸速率,。其中，最常見的就是100 Mbit/s (100BASE-T)以太網(wǎng),。
基于以太網(wǎng)的儀器控制應(yīng)用充分利用了以太網(wǎng)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(shù)據(jù)結(jié)果的發(fā)布功能等,。此外，用戶還可充分利用公司或者實驗室中現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò),。然而,，對于某些公司來說，以太網(wǎng)的這種特點還會帶來一些麻煩：公司網(wǎng)絡(luò)管理員可能需要介入到儀器應(yīng)用的開發(fā)之中,。
基于以太網(wǎng)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(wǎng)總線可以實現(xiàn)高達1 Gbit/s的理論傳輸速率,，但在實際使用中，由于網(wǎng)絡(luò)同時也被其它應(yīng)用占用,，而且存在數(shù)據(jù)傳輸失效等問題,，這種理論傳輸速率很少能夠真正實現(xiàn)。此外,，由于傳輸速率不穩(wěn)定,，以太網(wǎng)很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。最后,，對于一些敏感的數(shù)據(jù),，用戶需要采取額外的安全措施，確保數(shù)據(jù)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(shè)總線,，通過連接GPIB或者串行通信總線來實現(xiàn)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(nèi)置于測量設(shè)備中。
PXI
PXI（面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展）基于PCI平臺,，是一種用于測量和自動化系統(tǒng)的堅固總線,。PXI結(jié)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(shù)使得PXI總線成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本部署平臺,，應(yīng)用于諸如生產(chǎn)線測試,、軍工與航空航天、機器狀態(tài)監(jiān)控,、汽車以及工業(yè)測試領(lǐng)域,。PXI在1997年完成開發(fā)，并在1998年正式推出,，它是為了滿足日益增加的對復(fù)雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。如今，PXI標(biāo)準(zhǔn)由PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXISA）所管理,。該聯(lián)盟由超過65家公司組成,，共同推廣PXI標(biāo)準(zhǔn)，確保PXI的互換性,，并維護PXI規(guī)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(tǒng)的獨立儀器來說是理想的替代產(chǎn)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(shè)總線,，用于連接GPIB設(shè)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,。
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VXI
VXI（面向儀器系統(tǒng)的VME擴展）總線是針對多廠商工業(yè)儀器標(biāo)準(zhǔn)的首次嘗試。VXI最初在1987年推出,，接著被定義為IEEE 1155標(biāo)準(zhǔn),。VXI總線的缺點包括：缺乏軟件標(biāo)準(zhǔn)，無法顯著提升系統(tǒng)吞吐率,；而且由于VXI不使用標(biāo)準(zhǔn)的商用PC技術(shù),，無法降低系統(tǒng)成本,。
想了解更多有關(guān)NI儀器控制方面的信息，請訪問下列頁面：http://www.ni.com/instrument-control/zhs/
想了解LabVIEW如何使得儀器控制更加的快捷簡單,，請訪問下列頁面觀看視頻演示：http://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-1508