總線(xiàn)技術(shù)在儀器控制與連接方面應用

作者：時(shí)間：2013-02-22 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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過(guò)去二十多年間﹐科學(xué)家與工程師已在自動(dòng)化儀器系統中廣泛使用IEEE 488和通用接口總線(xiàn)GPIB。當大眾化電腦技術(shù)進(jìn)入測試與測量領(lǐng)域﹐并在連接儀器時(shí)應用USB﹑以太網(wǎng)路﹑與IEEE 1394等總線(xiàn)技術(shù)時(shí)﹐GPIB接口是否能夠在將來(lái)成為儀器控制總線(xiàn)接口的首選就成了問(wèn)題。由于GPIB擁有強大功能與廣大的使用者基礎﹐GPIB在未來(lái)的許多年仍會(huì )繼續存在。但是﹐儀器控制工業(yè)很可能將開(kāi)始進(jìn)入全球范圍內的混合I/O系統的領(lǐng)域。本論文探討的是GPIB與其他總線(xiàn)組合使用時(shí)儀器系統的未來(lái)發(fā)展﹐以及在儀器控制中軟件”向上兼容”的重要性。

GPIB基礎

GPIB是專(zhuān)為儀器控制應用而設計的。在七十年代﹐IEEE 488標準的誕生致使1975年產(chǎn)生了GPIB在電氣﹑機械與功能規格方面的標準﹔在1987年ANSI/IEEE標準488.2更明確地定義了控制器與儀器通過(guò)GPIB通訊的方法﹐使先前的規格更加完備。 GPIB是一數字的8位平行通訊界面﹐傳輸速率達8Mbyte/s?？偩€(xiàn)提供的一個(gè)控制器在20米的排線(xiàn)長(cháng)度內最多可連結14個(gè)儀器。但使用者若使用GPIB擴增器與延長(cháng)器便可以突破這兩個(gè)限制﹐而GPIB排線(xiàn)與連接器是一種多方面適用并符合工業(yè)標準的產(chǎn)品﹐可在任何環(huán)境內使用。

新總線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢

過(guò)去的電腦僅提供包括串口（RS-232）與并口﹐近年來(lái),電腦配備均提供以太網(wǎng)絡(luò )﹑USB（通用序列總線(xiàn)）﹑有時(shí)甚至提供IEEE 1394（FireWire）接口。這些新的總線(xiàn)具有許多吸引人的特性 – 易于使用（USB） ﹑易于連結（以太網(wǎng)絡(luò )）以及高速（IEEE 1394）。

USB

USB的設計主要是用來(lái)連結外圍設備如鍵盤(pán)﹑掃瞄儀﹑與磁盤(pán)機之類(lèi)的電腦。蘋(píng)果電腦率先于1998年使用USB做為其唯一的串口﹐在過(guò)去數年中電腦工業(yè)使用USB連結的裝置數目已大大的增加。

以目前的USB1.1規格而言﹐資料傳輸速率已高達1.5 Mbyte/s﹐而下一代的USB產(chǎn)品會(huì )使用USB2.0規格﹐更將總線(xiàn)資料傳輸速率提升至60 Mbyte/s。USB2.0規格能與USB1.1裝置兼容﹐甚至可使用相同的連接器。由于通用串口總線(xiàn)是一種即插即用技術(shù)﹐每當加入一新裝置時(shí)﹐USB主機會(huì )自動(dòng)測試并辨識其身分﹐然后適當地調整其配置﹐且一個(gè)接口能同時(shí)控制127個(gè)裝置。對于Windows操作系統而言﹐USB連結目前只能在Windows 2000/XP/98執行。

USB具有價(jià)格低廉及容易連結儀器與電腦的優(yōu)點(diǎn)。此外﹐USB提供更方便的串口功能如﹕熱插拔﹑內置操作系統微調功能﹑高彈性等﹐來(lái)改善傳統串口的技術(shù)。

雖然USB有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)﹐在儀器控制方面亦有一些缺點(diǎn)。首先﹐USB排線(xiàn)沒(méi)有工業(yè)標準規格﹐在嘈雜的環(huán)境下﹐可能造成資料的遺失﹔另外﹐USB排線(xiàn)沒(méi)有閉鎖機制 — 排線(xiàn)可能很容易的從電腦或儀器中拔除。排線(xiàn)長(cháng)度（包括使用線(xiàn)上中繼器）最大可至30米﹔最后﹐在儀器控制方面USB沒(méi)有工業(yè)傳輸標準的規定﹐需由儀器制造商自行設計。

盡管USB有一些缺點(diǎn)﹐但由于目前電腦上的廣泛使用和USB2.0的高速﹐使其成為未來(lái)儀器控制的領(lǐng)導先趨。雖然目前很少儀器提供USB的控制選項﹐但使用者可以通過(guò)橋接器與USB連結他們儀器控制的應用.橋接器提供了使用者一個(gè)連結USB與GPIB之間的橋梁。橋接器將于本論文稍后再討論。

以太網(wǎng)（Ethernet）

最近﹐儀器廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始將以太網(wǎng)絡(luò )做為單獨儀器的另一個(gè)通訊界面選擇。雖然以太網(wǎng)絡(luò )在儀器控制中仍屬新的應用技術(shù)﹐但它已作為一種成熟的技術(shù)被廣泛的應用在測量系統的其他方面。世界上有超過(guò)一億臺電腦具有以太網(wǎng)絡(luò )功能﹐使得以太網(wǎng)絡(luò )做為儀器控制已是必然的趨勢。

基于以太網(wǎng)的儀器控制的應用可以利用總線(xiàn)技術(shù)的特性，包括儀器遠程控制，企業(yè)內的資源共享和方便的報告生成等。另外﹐使用者還可以充分利用現有的以太網(wǎng)絡(luò )。但是﹐此優(yōu)勢亦可能對一些公司產(chǎn)生困擾﹐因為這會(huì )迫使網(wǎng)絡(luò )管理員涉入傳統的工程應用。

以太網(wǎng)絡(luò )要用于儀器控制方面﹐尚需考慮以下因素: 傳輸速率﹑決定性﹑與安全性。最常見(jiàn)的以太網(wǎng)絡(luò )傳輸速率為10BaseT或100BaseTX﹐分別達到傳輸速率10Mb/s與100Mb/s。但是﹐這些傳輸速率因為其他網(wǎng)絡(luò )的流量﹑固定用途﹑與不足的資料流量而很少達到。傳輸速率的不確定性決定了以太網(wǎng)絡(luò )上的通訊無(wú)法確認。最后﹐面對敏感數據使用者﹐必須有更進(jìn)一步的安全措施﹐以確保數據的完整性與私密性。

IEEE 1394 （FireWire）

IEEE 1394-1995標準﹐亦稱(chēng)作FireWire （蘋(píng)果電腦的注冊商標） ﹐ 是蘋(píng)果電腦在1980年代發(fā)展的高效的串口總線(xiàn)﹐目前IEEE 1394的資料吞吐速率最高可以達到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394貿易協(xié)會(huì )正在修訂其規格﹐擬將資料傳輸速率增加至400Mbyte/s。由于根據1394規范，設備的總線(xiàn)連接必須在4.5米之內，那么16個(gè)儀器設備的連接也將在72米范圍之內。在Windows操作系統中﹐目前只有微軟的Windows 2000/XP/98與1394兼容。

IEEE 1394總線(xiàn)為高速傳輸應用提供很大的潛能﹐許多數碼相機及其他消費性電子產(chǎn)品均已包含IEEE 1394接口﹐供傳輸資料使用。IEEE 1394的高帶寬為復雜的多媒體應用提供可行的解決方案。IEEE 1394比USB更具優(yōu)越性﹐其在總線(xiàn)技術(shù)上有一專(zhuān)為控制儀器而定義的傳輸協(xié)定。但是﹐目前僅有少數的儀器具有1394接口。

雖然IEEE 1394在儀器控制方面有許多優(yōu)勢﹐如高帶寬等﹐但仍有一些因素阻礙其現行的發(fā)展。IEEE 1394的主要缺點(diǎn)是1394接口并未內置于英特爾的PC集成芯片的周邊（所有Macintosh電腦均內建有1394接口）。因此﹐英特爾的PC使用者必須外接1394控制器﹐尤其對PCI板卡而言。雖然FireWire排線(xiàn)既輕巧又具彈性﹐但沒(méi)有達到工業(yè)標準規格﹐因此在一些測試與測量應用中可能會(huì )導致數據丟失。

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