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儀器總線性能――理解儀器控製中的競爭的總線技術
概覽
歡迎使用《設計下一代測試係統的開發者指南》。該指南收集了許多與測試係統設計相關的白皮書，可以幫助您在開發測試係統時降低成本、提高測試吞吐量並擴展對未來需求的支持。本書提供了一個關於構建模塊化、軟件定義RF平台的案例研究。如欲閱讀完整的開發者指南，您可以：下載PDF版本（共90多頁）或者查看《設計下一代測試係統的開發者指南》的電子版本。查看《設計下一代測試係統的開發者指南》的網頁版本。
1997年惠普（現變更為安捷倫）堅稱IEEE 1394非常適合作為儀器控製領域的新引領性總線技術。鑒於IEEE 1394的潛力，HP放棄了當時的領先技術GPIB。但在過去的十年中，IEEE 1394除(chu)了(le)在(zai)圖(tu)像(xiang)領(ling)域(yu)外(wai)，卻(que)僅(jin)僅(jin)是(shi)儀(yi)器(qi)中(zhong)可(ke)選(xuan)的(de)邊(bian)緣(yuan)總(zong)線(xian)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，仍(reng)有(you)一(yi)些(xie)測(ce)試(shi)與(yu)測(ce)量(liang)公(gong)司(si)還(hai)在(zai)繼(ji)續(xu)嚐(chang)試(shi)通(tong)過(guo)確(que)定(ding)一(yi)種(zhong)單(dan)一(yi)的(de)儀(yi)器(qi)控(kong)製(zhi)總(zong)線(xian)，以(yi)替(ti)代(dai)所(suo)有(you)其(qi)它(ta)總(zong)線(xian)。雖(sui)然(ran)其(qi)它(ta)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)被(bei)確(que)證(zheng)在(zai)滿(man)足(zu)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)方(fang)麵(mian)比(bi)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製標準――也不能聲稱擁有絕對優於所有其它總線的性能。 如今，USB、PCI Express和以太網/LAN，zuoweiyiqikongzhizhongpojuxiyinlidekexuantongxinxuanzebeishouguanzhu。yixieceshiyuceliangchangshangheyejiezhuanjiayijingshengcheng，zhexiezongxianzhiyi，jiuqibenshenjiunengdaibiaoyizhongshihesuoyouyiqixuqiudejiejuefangan。shijishang，youyuzongxiangeyoutedian，yinciliangzhonghuoyishangdezongxianjishuhenkenenghuizaiweilaideceshiyuceliangxitongzhongjixugongcun。
如今測試工程師所要麵臨的挑戰，不是選擇單個總線或平台，然後在此基礎之上統一各個單一應用，而是選擇一個適合某個具體應用（甚至一項應用的某個具體部分）的(de)總(zong)線(xian)或(huo)平(ping)台(tai)。本(ben)文(wen)對(dui)最(zui)通(tong)用(yong)的(de)儀(yi)器(qi)總(zong)線(xian)進(jin)行(xing)了(le)直(zhi)接(jie)比(bi)較(jiao)，以(yi)便(bian)測(ce)試(shi)工(gong)程(cheng)師(shi)在(zai)選(xuan)擇(ze)滿(man)足(zu)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)的(de)總(zong)線(xian)和(he)平(ping)台(tai)技(ji)術(shu)時(shi)，能(neng)夠(gou)作(zuo)為(wei)明(ming)智(zhi)的(de)選(xuan)擇(ze)。本(ben)文(wen)將(jiang)要(yao)討(tao)論(lun)的(de)具(ju)體(ti)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)包(bao)括(kuo)GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網/LAN/LXI。
首先，為了對不同總線的評價和比較設定標準，簡述儀器控製總線相關的性能標準至關重要。
帶寬
在考慮可選擇的總線的技術特點時，帶寬和時延是兩個最重要的總線特性。帶寬度量的是總線傳送數據的速率，常用單位為MB/s（每秒鍾106字節）。zongxiandaikuanyuegao，zaigeidingshijianneichuansongdeshujujiuyueduo。daduoshuyonghurenshidaodaikuandezhongyaoxing，shiyinweidaikuanyingxiangzhetamendeshujushifounenggouyiyucaijihuochanshengxiangdangdesulvtongguozongxianchuansongzhiyigegongxiangzhujichuliqihuotongguozhujichuliqichuansongdaoshebei，tamendeyiqijiangxuyaoduodadebanshangneicun。daikuanduiyuyixieyingyong（如複雜波形發生和采集以及RF和通信應用）非常重要。高速數據傳輸對於虛擬、合(he)成(cheng)儀(yi)器(qi)架(jia)構(gou)特(te)別(bie)重(zhong)要(yao)。一(yi)個(ge)虛(xu)擬(ni)或(huo)合(he)成(cheng)儀(yi)器(qi)的(de)功(gong)能(neng)和(he)特(te)性(xing)是(shi)由(you)軟(ruan)件(jian)定(ding)義(yi)的(de)，在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)數(shu)據(ju)必(bi)須(xu)被(bei)傳(chuan)送(song)到(dao)主(zhu)機(ji)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)和(he)分(fen)析(xi)。
時延
時(shi)延(yan)度(du)量(liang)的(de)是(shi)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)總(zong)線(xian)傳(chuan)輸(shu)導(dao)致(zhi)的(de)延(yan)遲(chi)。打(da)個(ge)比(bi)方(fang)，如(ru)果(guo)把(ba)一(yi)個(ge)儀(yi)器(qi)總(zong)線(xian)比(bi)作(zuo)一(yi)條(tiao)高(gao)速(su)公(gong)路(lu)，帶(dai)寬(kuan)就(jiu)相(xiang)當(dang)於(yu)車(che)道(dao)數(shu)和(he)車(che)輛(liang)行(xing)駛(shi)速(su)度(du)，而(er)時(shi)延(yan)就(jiu)相(xiang)當(dang)於(yu)由(you)上(shang)下(xia)岔(cha)口(kou)引(yin)起(qi)的(de)延(yan)遲(chi)。具(ju)有(you)低(di)（即較好）時(shi)延(yan)的(de)總(zong)線(xian)，會(hui)在(zai)傳(chuan)送(song)數(shu)據(ju)的(de)一(yi)端(duan)和(he)處(chu)理(li)數(shu)據(ju)的(de)另(ling)一(yi)端(duan)間(jian)引(yin)入(ru)較(jiao)少(shao)的(de)時(shi)間(jian)延(yan)遲(chi)。時(shi)延(yan)雖(sui)然(ran)不(bu)像(xiang)帶(dai)寬(kuan)那(na)樣(yang)引(yin)人(ren)注(zhu)意(yi)，但(dan)對(dui)於(yu)沿(yan)總(zong)線(xian)傳(chuan)送(song)一(yi)連(lian)串(chuan)較(jiao)短(duan)的(de)、變向命令時，例如數字萬用表（DMM）與開關間的握手、儀器配置等一些應用有直接影響。
基於消息與基於寄存器的通信
caiyongjiyuxiaoxitongxindezongxianyibanjiaoman，yinweizhezhongtongxinmoshizengjialeminglingjieshihezaishujuqianhoutianchongminglingdekaixiao。caiyongjiyujicunqidetongxin，shujuchuansongzeshitongguoduishebeishangdeyingjianjicunqizhijieduchuhuoxieruerjinzhishujuwancheng，yincichuanshusudujiaokuai。jiyujicunqidetongxinxieyizaiPCdeneibuzongxianzhongzuiweichangjian，zaizheli，huliandewulijulijiaoduan，ertuntuliangyaoqiuzuigao。jiyuxiaoxidetongxinxieyi，duiyuyuanjulichuansongshujujiaoweiyouyong，zhezhongqingkuangxia，jiaogaodekaixiaochengbenyeshikeyijieshoude。yingdangzhichudeshi，shiyanhedaikuanduliangbufendiqujueyuzongxiancaiyongjiyuxiaoxitongxinhaishijiyujicunqitongxin，suoyizhexieduliangzhongyebufenbaohanlezhegecanshu。
大範圍下的性能
對(dui)於(yu)遠(yuan)程(cheng)監(jian)測(ce)應(ying)用(yong)和(he)涉(she)及(ji)大(da)的(de)地(di)理(li)範(fan)圍(wei)的(de)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)，範(fan)圍(wei)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。在(zai)這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)中(zhong)，性(xing)能(neng)可(ke)以(yi)視(shi)為(wei)與(yu)時(shi)延(yan)的(de)折(zhe)中(zhong)，因(yin)為(wei)檢(jian)錯(cuo)和(he)消(xiao)息(xi)填(tian)充(chong)能(neng)夠(gou)克(ke)服(fu)通(tong)過(guo)較(jiao)長(chang)距(ju)離(li)線(xian)纜(lan)傳(chuan)送(song)數(shu)據(ju)的(de)物(wu)理(li)限(xian)製(zhi)，但(dan)也(ye)會(hui)增(zeng)加(jia)發(fa)送(song)和(he)接(jie)收(shou)數(shu)據(ju)的(de)時(shi)延(yan)。
儀器設置與軟件性能
儀器配置和軟件性能方麵的易用性是本文所涉及的最為主觀的評價準則。因此關於這一點的討論卻很重要的。儀器設置描述了“非常規”的用戶體驗和設置時間。軟件性能則涉及到用戶如何方便地找到交互式向導或標準編程API（如VISA），從而實現與儀器的通信和控製。
連接器的魯棒性
總線所用的物理連接器會影響該總線是否適合工業應用，是否需要額外的工作以“加固”儀器與係統控製器間的連接。
儀器控製總線比較（GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網/LAN/LXI）
GPIB
我們研究的第一個總線是IEEE 488總線，較為熟悉的稱謂是GPIB（通用接口總線）。GPIB是一種在業界已經得到證明的專為儀器控製應用設計的總線。GPIB在過去30年來一直是魯棒的、可靠的通信總線，由於其低時延和可接受的帶寬的特點，GPIB目前仍然是儀器控製中最常見的選擇。GPIB的優勢在於為業界廣泛采納，並有超過10,000種儀器模型帶有GPIB接口。
由於其最大帶寬為1.8 MB/s，GPIB最為適合與分立儀器通信，並對分立儀器進行控製。最新的高速版HS488將帶寬提高到8 MB/s。GPIB中的數據傳遞采用基於信息的通信模式，並最常使用ASCII字符。多個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的帶寬相對較低，但其時延要比USB尤其比以太網低得多（即性能好）。盡管GPIB有目前最好的軟件，而且穩定的線纜和連接器也能適合最惡劣的物理環境，但GPIB儀器在連接到係統時，並不能自動檢測或自動配置。對於現有儀器的自動化或要求高度專業化儀器的係統，GPIB是理想的選擇。
USB
近年來，USB（通用串行總線）在計算機外設的連接方麵日漸普及。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設備控製器功能。
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製的可選方案（這裏的儀器包括分立儀器和數據速率低於1 MS/s的虛擬儀器）。雖然絕大多數便攜機、台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製器，所以USB的帶寬是被這些端口共享的。USB的時延屬於中間級別（位於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設備的優勢在於自動檢測， USB設備不同於其它LAN或GPIB技術，當USB設備被接入PC時，PC能夠即刻識別並配置該USB設備。在這裏研究的所有總線中，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、便攜機或台式機的數據錄入和車載數據采集的應用。由於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）規範描述了廣泛的測試與測量設備的通信需求。
PCI
在這裏研究的所有總線中，PCI和PCI Express具有最佳的帶寬和時延規範。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采用基於寄存器的通信方式。與這裏所提及的其它總線不同的是，PCI並不通過線纜與外部儀器相連。相反的，PCI是一個用於PC插入式板卡和模塊化儀器係統（如PXI）的內部PC總線，因此距離量度並不直接適用。然而，當與一個PXI係統連接時，PCI總線可以通過使用NI光纖MXI接口，最遠“延展”至200米。由於PCI連接用於計算機內部，所以有理由說：PCI連接器的魯棒性可能受限於其所在的PC的穩定性和魯棒性。PXI模塊化儀器係統，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，係統啟動後，Windows將自動檢測並為模塊安裝驅動程序。
PCI（以及PCI Express）與以太網、USB的共同優勢在於，它們普遍存在於PC機上。PCI是PC曆史上采用的最為廣泛的標準之一。如今，每台台式機都能提供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，相當於高速USB與USB的關係。因此，上述關於PCI評價的許多內容也適用於PCI Express。
PCI Express和PCI的主要性能差別在於， PCI Express總線的帶寬更高，而且能為每台設備分配專用帶寬。在本文所討論的所有總線中，隻有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總線的帶寬取決於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實現了軟件的向後兼容性，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係統和集成與同步多種類型儀器的係統的理想總線選擇。
以太網/LAN/LXI
長久以來，以太網一直是儀器控製的一種選擇。它是一種成熟的總線技術，並一直被廣泛應用於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geng快kuai，但dan當dang多duo個ge儀yi器qi和he其qi它ta設she備bei共gong享xiang網wang絡luo帶dai寬kuan時shi，其qi性xing能neng就jiu會hui急ji劇ju下xia降jiang。該gai總zong線xian采cai用yong基ji於yu消xiao息xi的de通tong信xin方fang式shi，通tong信xin包bao添tian加jia的de一yi些xie頭tou信xin息xi明ming顯xian地di增zeng加jia了le數shu據ju傳chuan輸shu的de開kai銷xiao。鑒jian於yu此ci，以yi太tai網wang的de時shi延yan在zai本ben文wen所suo有you的de總zong線xian技ji術shu中zhong是shi最zui差cha的de。
盡管如此，以太網仍然是創建分布式係統網絡的有力選擇。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製。沒有其它總線可以支持這麼遠的從控製PC到平台的間隔距離。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的連接普遍存在於現代PCzhong。zheshideyitaiwangchengweifenbushixitongheyuanchengjiancedelixiangxuanze。yitaiwangjishujingchangyuqitazongxianhepingtaijishujieheshiyong，yilianjieceliangxitongjiedian。zhexiebendijiedianbenshenhuoxuyouceliangxitongjiezhuGPIB、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於LAN的標準。LXI標準為帶有以太網連接的分立儀器定義規範，增加了觸發和同步的特性。
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，但曆史告訴我們，若幹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。
測試係統開發人員可以創建混合係統，以充分發揮多種總線和平台的優勢。混合的測試與測量係統結合了模塊化儀器平台（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係統的關鍵是實現這樣一個係統架構：該架構透明地識別多種總線技術並利用一個開放的、多廠商支持的計算平台（如PXI）來實現I/O的連接。
另一個成功開發混合係統的關鍵在於，確保您在驅動程序層、yingyongcengheceshixitongguanlicengsuoxuanzederuanjiandoushimokuaihuade。suiranyixiechangshanghuiweiteshudeyiqitigongchuizhijichengderuanjianfangan，danzuiyouyongdexitongjiagouhaishiyinggaijiangruanjiandegongnengfenjiedaokehuhuandemokuaihuadegeceng，zheyanghuishinindexitongbubishouxianyumougejutideyingjianhuomougechangshang。zhezhongfencengdefangshitigonglezuijiadedaimafuyong、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，可用於由GPIB、VXI、串口 (RS232/485)、以太網、USB和/或IEEE 1394等接口組成的儀器係統的配置、編程和故障排除。由於其編程實現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。
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