儀器總線性能――理解儀器控制中的競爭的總線技術(shù)

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歡迎使用《設(shè)計(jì)下一代測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)者指南》。該指南收集了許多與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的白皮書，可以幫助您在開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)降低成本、提高測(cè)試吞吐量并擴(kuò)展對(duì)未來需求的支持。本書提供了一個(gè)關(guān)于構(gòu)建模塊化、軟件定義RF平臺(tái)的案例研究。如欲閱讀完整的開發(fā)者指南，您可以：下載PDF版本（共90多頁）或者查看《設(shè)計(jì)下一代測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)者指南》的電子版本。查看《設(shè)計(jì)下一代測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)者指南》的網(wǎng)頁版本。

儀器控制總線簡介

1997年惠普（現(xiàn)變更為安捷倫）堅(jiān)稱IEEE 1394非常適合作為儀器控制領(lǐng)域的新引領(lǐng)性總線技術(shù)。鑒于IEEE 1394的潛力，HP放棄了當(dāng)時(shí)的領(lǐng)先技術(shù)GPIB。但在過去的十年中，IEEE 1394除了在圖像領(lǐng)域外，卻僅僅是儀器中可選的邊緣總線。盡管如此，仍有一些測(cè)試與測(cè)量公司還在繼續(xù)嘗試通過確定一種單一的儀器控制總線，以替代所有其它總線。 雖然其它總線技術(shù)已經(jīng)被確證在滿足廣泛應(yīng)用需求方面比IEEE 1394更為成功，但即使是GPIB——在過去40年中最廣泛采用的儀器控制標(biāo)準(zhǔn)——也不能聲稱擁有絕對(duì)優(yōu)于所有其它總線的性能。 如今，USB、PCI Express和以太網(wǎng)/LAN，作為儀器控制中頗具吸引力的可選通信選擇備受關(guān)注。一些測(cè)試與測(cè)量廠商和業(yè)界專家已經(jīng)聲稱，這些總線之一，就其本身就能代表一種適合所有儀器需求的解決方案。實(shí)際上，由于總線各有特點(diǎn)，因此兩種或以上的總線技術(shù)很可能會(huì)在未來的測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)中繼續(xù)共存。

如今測(cè)試工程師所要面臨的挑戰(zhàn)，不是選擇單個(gè)總線或平臺(tái)，然后在此基礎(chǔ)之上統(tǒng)一各個(gè)單一應(yīng)用，而是選擇一個(gè)適合某個(gè)具體應(yīng)用（甚至一項(xiàng)應(yīng)用的某個(gè)具體部分）的總線或平臺(tái)。 本文對(duì)最通用的儀器總線進(jìn)行了直接比較，以便測(cè)試工程師在選擇滿足特定應(yīng)用需求的總線和平臺(tái)技術(shù)時(shí)，能夠作為明智的選擇。本文將要討論的具體總線技術(shù)包括GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網(wǎng)/LAN/LXI。

了解總線性能

首先，為了對(duì)不同總線的評(píng)價(jià)和比較設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，簡述儀器控制總線相關(guān)的性能標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

帶寬

在考慮可選擇的總線的技術(shù)特點(diǎn)時(shí)，帶寬和時(shí)延是兩個(gè)最重要的總線特性。帶寬度量的是總線傳送數(shù)據(jù)的速率，常用單位為MB/s（每秒鐘106字節(jié)）?？偩€帶寬越高，在給定時(shí)間內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)就越多。大多數(shù)用戶認(rèn)識(shí)到帶寬的重要性，是因?yàn)閹捰绊懼麄兊臄?shù)據(jù)是否能夠以與采集或產(chǎn)生相當(dāng)?shù)乃俾释ㄟ^總線傳送至一個(gè)共享主機(jī)處理器或通過主機(jī)處理器傳送到設(shè)備，他們的儀器將需要多大的板上內(nèi)存。帶寬對(duì)于一些應(yīng)用（如復(fù)雜波形發(fā)生和采集以及RF和通信應(yīng)用）非常重要。高速數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于虛擬、合成儀器架構(gòu)特別重要。一個(gè)虛擬或合成儀器的功能和特性是由軟件定義的，在大多數(shù)情況下，這意味著數(shù)據(jù)必須被傳送到主機(jī)進(jìn)行處理和分析。

時(shí)延

時(shí)延度量的是數(shù)據(jù)通過總線傳輸導(dǎo)致的延遲。打個(gè)比方，如果把一個(gè)儀器總線比作一條高速公路，帶寬就相當(dāng)于車道數(shù)和車輛行駛速度，而時(shí)延就相當(dāng)于由上下岔口引起的延遲。具有低（即較好）時(shí)延的總線，會(huì)在傳送數(shù)據(jù)的一端和處理數(shù)據(jù)的另一端間引入較少的時(shí)間延遲。時(shí)延雖然不像帶寬那樣引人注意，但對(duì)于沿總線傳送一連串較短的、變向命令時(shí)，例如數(shù)字萬用表（DMM）與開關(guān)間的握手、儀器配置等一些應(yīng)用有直接影響。

基于消息與基于寄存器的通信

采用基于消息通信的總線一般較慢，因?yàn)檫@種通信模式增加了命令解釋和在數(shù)據(jù)前后填充命令的開銷。采用基于寄存器的通信，數(shù)據(jù)傳送則是通過對(duì)設(shè)備上的硬件寄存器直接讀出或?qū)懭攵M(jìn)制數(shù)據(jù)完成，因此傳輸速度較快?；诩拇嫫鞯耐ㄐ艆f(xié)議在PC的內(nèi)部總線中最為常見，在這里，互聯(lián)的物理距離較短，而吞吐量要求最高?；谙⒌耐ㄐ艆f(xié)議，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)較為有用，這種情況下，較高的開銷成本也是可以接受的。應(yīng)當(dāng)指出的是，時(shí)延和帶寬度量部分地取決于總線采用基于消息通信還是基于寄存器通信，所以這些度量中也部分包含了這個(gè)參數(shù)。

大范圍下的性能

對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用和涉及大的地理范圍的測(cè)量系統(tǒng)，范圍變得非常重要。在這類應(yīng)用中，性能可以視為與時(shí)延的折中，因?yàn)闄z錯(cuò)和消息填充能夠克服通過較長距離線纜傳送數(shù)據(jù)的物理限制，但也會(huì)增加發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)延。

儀器設(shè)置與軟件性能

儀器配置和軟件性能方面的易用性是本文所涉及的最為主觀的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。因此關(guān)于這一點(diǎn)的討論卻很重要的。儀器設(shè)置描述了“非常規(guī)”的用戶體驗(yàn)和設(shè)置時(shí)間。軟件性能則涉及到用戶如何方便地找到交互式向?qū)Щ驑?biāo)準(zhǔn)編程API（如VISA），從而實(shí)現(xiàn)與儀器的通信和控制。

連接器的魯棒性

總線所用的物理連接器會(huì)影響該總線是否適合工業(yè)應(yīng)用，是否需要額外的工作以“加固”儀器與系統(tǒng)控制器間的連接。

儀器控制總線比較（GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網(wǎng)/LAN/LXI）

GPIB

我們研究的第一個(gè)總線是IEEE 488總線，較為熟悉的稱謂是GPIB（通用接口總線）。GPIB是一種在業(yè)界已經(jīng)得到證明的專為儀器控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的總線。GPIB在過去30年來一直是魯棒的、可靠的通信總線，由于其低時(shí)延和可接受的帶寬的特點(diǎn)，GPIB目前仍然是儀器控制中最常見的選擇。GPIB的優(yōu)勢(shì)在于為業(yè)界廣泛采納，并有超過10,000種儀器模型帶有GPIB接口。

由于其最大帶寬為1.8 MB/s，GPIB最為適合與分立儀器通信，并對(duì)分立儀器進(jìn)行控制。最新的高速版HS488將帶寬提高到8 MB/s。GPIB中的數(shù)據(jù)傳遞采用基于信息的通信模式，并最常使用ASCII字符。多個(gè)GPIB儀器可以通過電纜連接，其總距為20米，帶寬為總線上的所有儀器共享。雖然GPIB的帶寬相對(duì)較低，但其時(shí)延要比USB尤其比以太網(wǎng)低得多（即性能好）。盡管GPIB有目前最好的軟件，而且穩(wěn)定的線纜和連接器也能適合最惡劣的物理環(huán)境，但GPIB儀器在連接到系統(tǒng)時(shí)，并不能自動(dòng)檢測(cè)或自動(dòng)配置。對(duì)于現(xiàn)有儀器的自動(dòng)化或要求高度專業(yè)化儀器的系統(tǒng)，GPIB是理想的選擇。

USB

近年來，USB（通用串行總線）在計(jì)算機(jī)外設(shè)的連接方面日漸普及。這樣的普及性已經(jīng)蔓延到測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域，越來越多的儀器生產(chǎn)商在其儀器中增加USB設(shè)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(shù)據(jù)速率低于1 MS/s的虛擬儀器）。雖然絕大多數(shù)便攜機(jī)、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器可能有多個(gè)USB端口，但那些端口通常都連接到同一個(gè)主機(jī)控制器，所以USB的帶寬是被這些端口共享的。USB的時(shí)延屬于中間級(jí)別（位于延遲最大的以太網(wǎng)與最小的PCI和PCI Express之間）線纜長度的上限是5米。USB設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于自動(dòng)檢測(cè)， USB設(shè)備不同于其它LAN或GPIB技術(shù)，當(dāng)USB設(shè)備被接入PC時(shí)，PC能夠即刻識(shí)別并配置該USB設(shè)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(dāng)保存。

USB設(shè)備非常適合那些包括便攜式測(cè)量、便攜機(jī)或臺(tái)式機(jī)的數(shù)據(jù)錄入和車載數(shù)據(jù)采集的應(yīng)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(jīng)成為一種分立儀器中較為普遍的一種通信方式。USB測(cè)試與測(cè)量類（USBTMC）規(guī)范描述了廣泛的測(cè)試與測(cè)量設(shè)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(shí)延規(guī)范。PCI的帶寬為132 MB/s，這一帶寬為總線上的所有設(shè)備共享。PCI的時(shí)延性能基準(zhǔn)值為700 ns，與時(shí)延為1ms的以太網(wǎng)相比，這個(gè)指標(biāo)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(gè)用于PC插入式板卡和模塊化儀器系統(tǒng)（如PXI）的內(nèi)部PC總線，因此距離量度并不直接適用。然而，當(dāng)與一個(gè)PXI系統(tǒng)連接時(shí)，PCI總線可以通過使用NI光纖MXI接口，最遠(yuǎn)“延展”至200米。由于PCI連接用于計(jì)算機(jī)內(nèi)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(wěn)定性和魯棒性。PXI模塊化儀器系統(tǒng)，是圍繞PCI信令構(gòu)建而成的，通過高性能背板連接器和多個(gè)螺絲端子固定連接，從而增強(qiáng)連接性。如果PCI或PXI模塊安裝恰當(dāng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，Windows將自動(dòng)檢測(cè)并為模塊安裝驅(qū)動(dòng)程序。

PCI（以及PCI Express）與以太網(wǎng)、USB的共同優(yōu)勢(shì)在于，它們普遍存在于PC機(jī)上。PCI是PC歷史上采用的最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一。如今，每臺(tái)臺(tái)式機(jī)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?yàn)檫@些儀器依賴其所在主機(jī)的電源、處理器、顯示器和內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的最新演進(jìn)版本，相當(dāng)于高速USB與USB的關(guān)系。因此，上述關(guān)于PCI評(píng)價(jià)的許多內(nèi)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(tái)設(shè)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(gè)外設(shè)總線提供專用帶寬。GPIB、USB和LAN都是在所有連接的外設(shè)中共享帶寬。在PCI Express中，數(shù)據(jù)在稱之為“窄帶”的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接中以單方向250 MB/s的速度傳輸。每個(gè)PCI Express連接可以由多個(gè)窄帶組成，所以PCI Express總線的帶寬取決于其在插槽和設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)方式。一個(gè)x1（1條窄帶）連接能提供250 MB/s帶寬，一個(gè)x4（4條窄帶）連接就能提供1 GB/s帶寬，而一個(gè)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(shí)現(xiàn)了軟件的向后兼容性，意味著轉(zhuǎn)用PCI Express標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行擴(kuò)展。

高速的，內(nèi)部的PC總線本來是為快速通信設(shè)計(jì)的。因此，PCI和PCI Express是高性能、需要較大帶寬的數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)和集成與同步多種類型儀器的系統(tǒng)的理想總線選擇。

以太網(wǎng)/LAN/LXI

長久以來，以太網(wǎng)一直是儀器控制的一種選擇。它是一種成熟的總線技術(shù)，并一直被廣泛應(yīng)用于測(cè)試與測(cè)量外的許多應(yīng)用領(lǐng)域。100BaseT以太網(wǎng)技術(shù)的最大理論帶寬為12.5 MB/s。千兆以太網(wǎng)或1000BaseT能將最大帶寬增加到125 MB/s。在所有情況下，以太網(wǎng)的帶寬由整個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享。理論上千兆以太網(wǎng)的帶寬為125 MB/s，其速度比高速USB更快，但當(dāng)多個(gè)儀器和其它設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)，其性能就會(huì)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(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷。鑒于此，以太網(wǎng)的時(shí)延在本文所有的總線技術(shù)中是最差的。

盡管如此，以太網(wǎng)仍然是創(chuàng)建分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的有力選擇。在沒有采用中繼器的情況下，以太網(wǎng)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(yuǎn)的從控制PC到平臺(tái)的間隔距離。就像GPIB一樣，以太網(wǎng)/LAN不支持自動(dòng)配置。用戶必須手動(dòng)為其儀器分配IP地址和進(jìn)行子網(wǎng)配置。與USB和PCI相似，以太網(wǎng)/LAN的連接普遍存在于現(xiàn)代PC中。這使得以太網(wǎng)成為分布式系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的理想選擇。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)常與其它總線和平臺(tái)技術(shù)結(jié)合使用，以連接測(cè)量系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。這些本地節(jié)點(diǎn)本身或許由測(cè)量系統(tǒng)借助GPIB、USB和PCI組成。以太網(wǎng)的物理連接比USB的連接要穩(wěn)定得多，但比GPIB或PXI的魯棒性差。

LXI（LAN的儀器擴(kuò)充）是一個(gè)即將推出的基于LAN的標(biāo)準(zhǔn)。LXI標(biāo)準(zhǔn)為帶有以太網(wǎng)連接的分立儀器定義規(guī)范，增加了觸發(fā)和同步的特性。

總結(jié)：儀器總線性能

盡管指定單一的總線或通信標(biāo)準(zhǔn)作為“最終的”或“理想的”技術(shù)在概念上看頗為簡便，但歷史告訴我們，若干個(gè)相互可替代的標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)繼續(xù)共存，因?yàn)槊宽?xiàng)總線技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。

測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)人員可以創(chuàng)建混合系統(tǒng)，以充分發(fā)揮多種總線和平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)?；旌系臏y(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合了模塊化儀器平臺(tái)（如PXI和VXI）和分立儀器的組件，它們通過GPIB、USB和以太網(wǎng)/LAN相連接的。創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)混合系統(tǒng)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)：該架構(gòu)透明地識(shí)別多種總線技術(shù)并利用一個(gè)開放的、多廠商支持的計(jì)算平臺(tái)（如PXI）來實(shí)現(xiàn)I/O的連接。

另一個(gè)成功開發(fā)混合系統(tǒng)的關(guān)鍵在于，確保您在驅(qū)動(dòng)程序?qū)印?yīng)用層和測(cè)試系統(tǒng)管理層所選擇的軟件都是模塊化的。雖然一些廠商會(huì)為特殊的儀器提供垂直集成的軟件方案，但最有用的系統(tǒng)架構(gòu)還是應(yīng)該將軟件的功能分解到可互換的模塊化的各層，這樣會(huì)使您的系統(tǒng)不必受限于某個(gè)具體的硬件或某個(gè)廠商。這種分層的方式提供了最佳的代碼復(fù)用、模塊性和生命周期。例如，VISA（虛擬儀器軟件架構(gòu)）是一個(gè)廠商中立的軟件標(biāo)準(zhǔn)，可用于由GPIB、VXI、串口 (RS232/485)、以太網(wǎng)、USB和/或IEEE 1394等接口組成的儀器系統(tǒng)的配置、編程和故障排除。由于其編程實(shí)現(xiàn)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(gè)非常有用的工具。

使用混合系統(tǒng)，您可以綜合多種類型儀器的優(yōu)點(diǎn)，包括遺留設(shè)備和專用設(shè)備。盡管為儀器尋找一個(gè)大一統(tǒng)的解決方案非常有吸引力，但工程實(shí)踐要求測(cè)試工程師使用滿足其具體應(yīng)用需求的儀器和相關(guān)總線技術(shù)。