儀器總線(xiàn)性能——理解儀器控制中的競爭的總線(xiàn)技術(shù)

　　概覽

　　歡迎使用《設計下一代測試系統的開(kāi)發(fā)者指南》。該指南收集了許多與測試系統設計相關(guān)的白皮書(shū)，可以幫助您在開(kāi)發(fā)測試系統時(shí)降低成本、提高測試吞吐量并擴展對未來(lái)需求的支持。本書(shū)提供了一個(gè)關(guān)于構建模塊化、軟件定義RF平臺的案例研究。如欲閱讀完整的開(kāi)發(fā)者指南，您可以：下載PDF版本(共90多頁(yè))或者查看《設計下一代測試系統的開(kāi)發(fā)者指南》的電子版本。查看《設計下一代測試系統的開(kāi)發(fā)者指南》的網(wǎng)頁(yè)版本。

　　儀器控制總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　1997年惠普(現變更為安捷倫)堅稱(chēng)IEEE 1394非常適合作為儀器控制領(lǐng)域的新引領(lǐng)性總線(xiàn)技術(shù)。鑒于IEEE 1394的潛力，HP放棄了當時(shí)的領(lǐng)先技術(shù)GPIB。但在過(guò)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(xiàn)。盡管如此，仍有一些測試與測量公司還在繼續嘗試通過(guò)確定一種單一的儀器控制總線(xiàn)，以替代所有其它總線(xiàn)。雖然其它總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)被確證在滿(mǎn)足廣泛應用需求方面比IEEE 1394更為成功，但即使是GPIB——在過(guò)去40年中最廣泛采用的儀器控制標準——也不能聲稱(chēng)擁有絕對優(yōu)于所有其它總線(xiàn)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。一些測試與測量廠(chǎng)商和業(yè)界專(zhuān)家已經(jīng)聲稱(chēng)，這些總線(xiàn)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(xiàn)各有特點(diǎn)，因此兩種或以上的總線(xiàn)技術(shù)很可能會(huì )在未來(lái)的測試與測量系統中繼續共存。

　　如今測試工程師所要面臨的挑戰，不是選擇單個(gè)總線(xiàn)或平臺，然后在此基礎之上統一各個(gè)單一應用，而是選擇一個(gè)適合某個(gè)具體應用(甚至一項應用的某個(gè)具體部分)的總線(xiàn)或平臺。本文對最通用的儀器總線(xiàn)進(jìn)行了直接比較，以便測試工程師在選擇滿(mǎn)足特定應用需求的總線(xiàn)和平臺技術(shù)時(shí)，能夠作為明智的選擇。本文將要討論的具體總線(xiàn)技術(shù)包括GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太網(wǎng)/LAN/LXI。

　　了解總線(xiàn)性能

　　首先，為了對不同總線(xiàn)的評價(jià)和比較設定標準，簡(jiǎn)述儀器控制總線(xiàn)相關(guān)的性能標準至關(guān)重要。

　　帶寬

　　在考慮可選擇的總線(xiàn)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(xiàn)特性。帶寬度量的是總線(xiàn)傳送數據的速率，常用單位為MB/s(每秒鐘106字節)?？偩€(xiàn)帶寬越高，在給定時(shí)間內傳送的數據就越多。大多數用戶(hù)認識到帶寬的重要性，是因為帶寬影響著(zhù)他們的數據是否能夠以與采集或產(chǎn)生相當的速率通過(guò)總線(xiàn)傳送至一個(gè)共享主機處理器或通過(guò)主機處理器傳送到設備，他們的儀器將需要多大的板上內存。帶寬對于一些應用(如復雜波形發(fā)生和采集以及RF和通信應用)非常重要。高速數據傳輸對于虛擬、合成儀器架構特別重要。一個(gè)虛擬或合成儀器的功能和特性是由軟件定義的，在大多數情況下，這意味著(zhù)數據必須被傳送到主機進(jìn)行處理和分析。

　　時(shí)延

　　時(shí)延度量的是數據通過(guò)總線(xiàn)傳輸導致的延遲。打個(gè)比方，如果把一個(gè)儀器總線(xiàn)比作一條高速公路，帶寬就相當于車(chē)道數和車(chē)輛行駛速度，而時(shí)延就相當于由上下岔口引起的延遲。具有低(即較好)時(shí)延的總線(xiàn)，會(huì )在傳送數據的一端和處理數據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，但對于沿總線(xiàn)傳送一連串較短的、變向命令時(shí)，例如數字萬(wàn)用表(DMM)與開(kāi)關(guān)間的握手、儀器配置等一些應用有直接影響。

　　基于消息與基于寄存器的通信

　　采用基于消息通信的總線(xiàn)一般較慢，因為這種通信模式增加了命令解釋和在數據前后填充命令的開(kāi)銷(xiāo)。采用基于寄存器的通信，數據傳送則是通過(guò)對設備上的硬件寄存器直接讀出或寫(xiě)入二進(jìn)制數據完成，因此傳輸速度較快?；诩拇嫫鞯耐ㄐ艆f(xié)議在PC的內部總線(xiàn)中最為常見(jiàn)，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，對于遠距離傳送數據較為有用，這種情況下，較高的開(kāi)銷(xiāo)成本也是可以接受的。應當指出的是，時(shí)延和帶寬度量部分地取決于總線(xiàn)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。

　　大范圍下的性能

　　對于遠程監測應用和涉及大的地理范圍的測量系統，范圍變得非常重要。在這類(lèi)應用中，性能可以視為與時(shí)延的折中，因為檢錯和消息填充能夠克服通過(guò)較長(cháng)距離線(xiàn)纜傳送數據的物理限制，但也會(huì )增加發(fā)送和接收數據的時(shí)延。

　　儀器設置與軟件性能

　　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(guān)的評價(jià)準則。因此關(guān)于這一點(diǎn)的討論卻很重要的。儀器設置描述了“非常規”的用戶(hù)體驗和設置時(shí)間。軟件性能則涉及到用戶(hù)如何方便地找到交互式向導或標準編程API(如VISA)，從而實(shí)現與儀器的通信和控制。

　　連接器的魯棒性

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

　　儀器控制總線(xiàn)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(xiàn)是IEEE 488總線(xiàn)，較為熟悉的稱(chēng)謂是GPIB(通用接口總線(xiàn))。GPIB是一種在業(yè)界已經(jīng)得到證明的專(zhuān)為儀器控制應用設計的總線(xiàn)。GPIB在過(guò)去30年來(lái)一直是魯棒的、可靠的通信總線(xiàn)，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(jiàn)的選擇。GPIB的優(yōu)勢在于為業(yè)界廣泛采納，并有超過(guò)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中的數據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(guò)電纜連接，其總距為20米，帶寬為總線(xiàn)上的所有儀器共享。雖然GPIB的帶寬相對較低，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，而且穩定的線(xiàn)纜和連接器也能適合最?lèi)毫拥奈锢憝h(huán)境，但GPIB儀器在連接到系統時(shí)，并不能自動(dòng)檢測或自動(dòng)配置。對于現有儀器的自動(dòng)化或要求高度專(zhuān)業(yè)化儀器的系統，GPIB是理想的選擇。