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

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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。

USB

近年來(lái)，USB（通用串行總線(xiàn)）在計算機外設的連接方面日漸普及。這樣的普及性已經(jīng)蔓延到測試與測量領(lǐng)域，越來(lái)越多的儀器生產(chǎn)商在其儀器中增加USB設備控制器功能。

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據速率低于1 MS/s的虛擬儀器）。雖然絕大多數便攜機、臺式機和服務(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)延屬于中間級別（位于延遲最大的以太網(wǎng)與最小的PCI和PCI Express之間）線(xiàn)纜長(cháng)度的上限是5米。USB設備的優(yōu)勢在于自動(dòng)檢測， USB設備不同于其它LAN或GPIB技術(shù)，當USB設備被接入PC時(shí)，PC能夠即刻識別并配置該USB設備。在這里研究的所有總線(xiàn)中，USB連接器是魯棒性最差，安全性最低的。需要外部線(xiàn)纜套將其恰當保存。

USB設備非常適合那些包括便攜式測量、便攜機或臺式機的數據錄入和車(chē)載數據采集的應用。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(xiàn)已經(jīng)成為一種分立儀器中較為普遍的一種通信方式。USB測試與測量類(lèi)（USBTMC）規范描述了廣泛的測試與測量設備的通信需求。

PCI

在這里研究的所有總線(xiàn)中，PCI和PCI Express具有最佳的帶寬和時(shí)延規范。PCI的帶寬為132 MB/s，這一帶寬為總線(xiàn)上的所有設備共享。PCI的時(shí)延性能基準值為700 ns，與時(shí)延為1ms的以太網(wǎng)相比，這個(gè)指標是非常出色的。PCI采用基于寄存器的通信方式。與這里所提及的其它總線(xiàn)不同的是，PCI并不通過(guò)線(xiàn)纜與外部?jì)x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（如PXI）的內部PC總線(xiàn)，因此距離量度并不直接適用。然而，當與一個(gè)PXI系統連接時(shí)，PCI總線(xiàn)可以通過(guò)使用NI光纖MXI接口，最遠“延展”至200米。由于PCI連接用于計算機內部，所以有理由說(shuō)：PCI連接器的魯棒性可能受限于其所在的PC的穩定性和魯棒性。PXI模塊化儀器系統，是圍繞PCI信令構建而成的，通過(guò)高性能背板連接器和多個(gè)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，系統啟動(dòng)后，Windows將自動(dòng)檢測并為模塊安裝驅動(dòng)程序。

PCI（以及PCI Express）與以太網(wǎng)、USB的共同優(yōu)勢在于，它們普遍存在于PC機上。PCI是PC歷史上采用的最為廣泛的標準之一。如今，每臺臺式機都能提供PCI插槽或PCI Express插槽。一般來(lái)說(shuō) ，PCI儀器需要的成本更低，因為這些儀器依賴(lài)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(jìn)版本，相當于高速USB與USB的關(guān)系。因此，上述關(guān)于PCI評價(jià)的許多內容也適用于PCI Express。

PCI Express和PCI的主要性能差別在于， PCI Express總線(xiàn)的帶寬更高，而且能為每臺設備分配專(zhuān)用帶寬。在本文所討論的所有總線(xiàn)中，只有PCI Express能為每個(gè)外設總線(xiàn)提供專(zhuān)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(chēng)之為“窄帶”的點(diǎn)對點(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(xiàn)的帶寬取決于其在插槽和設備中的實(shí)現方式。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(zhuān)用帶寬。值得注意的是， PCI Express實(shí)現了軟件的向后兼容性，意味著(zhù)轉用PCI Express標準的用戶(hù)能夠保留其在PCI的軟件投資。PCI Express也同樣 可以通過(guò)外部線(xiàn)纜進(jìn)行擴展。

高速的，內部的PC總線(xiàn)本來(lái)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系統和集成與同步多種類(lèi)型儀器的系統的理想總線(xiàn)選擇。

以太網(wǎng)/LAN/LXI

長(cháng)久以來(lái)，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(xiàn)技術(shù)，并一直被廣泛應用于測試與測量外的許多應用領(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，但當多個(gè)儀器和其它設備共享網(wǎng)絡(luò )帶寬時(shí)，其性能就會(huì )急劇下降。該總線(xiàn)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據傳輸的開(kāi)銷(xiāo)。鑒于此，以太網(wǎng)的時(shí)延在本文所有的總線(xiàn)技術(shù)中是最差的。

盡管如此，以太網(wǎng)仍然是創(chuàng )建分布式系統網(wǎng)絡(luò )的有力選擇。在沒(méi)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(méi)有任何距離限制。沒(méi)有其它總線(xiàn)可以支持這么遠的從控制PC到平臺的間隔距離。就像GPIB一樣，以太網(wǎng)/LAN不支持自動(dòng)配置。用戶(hù)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代PC中。這使得以太網(wǎng)成為分布式系統和遠程監測的理想選擇。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)常與其它總線(xiàn)和平臺技術(shù)結合使用，以連接測量系統節點(diǎn)。這些本地節點(diǎn)本身或許由測量系統借助GPIB、USB和PCI組成。以太網(wǎng)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(gè)即將推出的基于LAN的標準。LXI標準為帶有以太網(wǎng)連接的分立儀器定義規范，增加了觸發(fā)和同步的特性。

總結：儀器總線(xiàn)性能

盡管指定單一的總線(xiàn)或通信標準作為“最終的”或“理想的”技術(shù)在概念上看頗為簡(jiǎn)便，但歷史告訴我們，若干個(gè)相互可替代的標準可能會(huì )繼續共存，因為每項總線(xiàn)技術(shù)都有其獨特的優(yōu)缺點(diǎn)。

測試系統開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng )建混合系統，以充分發(fā)揮多種總線(xiàn)和平臺的優(yōu)勢?；旌系臏y試與測量系統結合了模塊化儀器平臺（如PXI和VXI）和分立儀器的組件，它們通過(guò)GPIB、USB和以太網(wǎng)/LAN相連接的。創(chuàng )建和維護一個(gè)混合系統的關(guān)鍵是實(shí)現這樣一個(gè)系統架構：該架構透明地識別多種總線(xiàn)技術(shù)并利用一個(gè)開(kāi)放的、多廠(chǎng)商支持的計算平臺（如PXI）來(lái)實(shí)現I/O的連接。

另一個(gè)成功開(kāi)發(fā)混合系統的關(guān)鍵在于，確保您在驅動(dòng)程序層、應用層和測試系統管理層所選擇的軟件都是模塊化的。雖然一些廠(chǎng)商會(huì )為特殊的儀器提供垂直集成的軟件方案，但最有用的系統架構還是應該將軟件的功能分解到可互換的模塊化的各層，這樣會(huì )使您的系統不必受限于某個(gè)具體的硬件或某個(gè)廠(chǎng)商。這種分層的方式提供了最佳的代碼復用、模塊性和生命周期。例如，VISA（虛擬儀器軟件架構）是一個(gè)廠(chǎng)商中立的軟件標準，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的配置、編程和故障排除。由于其編程實(shí)現VISA功能的API和多種通信接口的API是類(lèi)似的，因此VISA車(chē)成為一個(gè)非常有用的工具。

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