仪器总线性能——理解仪器控制中的竞争的总线技术

　　USB

　　近年来，USB(通用串行总线)在计算机外设的连接方面日渐普及。这样的普及性已经蔓延到测试与测量领域，越来越多的仪器生产商在其仪器中增加USB设备控制器功能。

　　高速USB的最大传输速率为60MB/s，这使其成为颇具吸引力的仪器连接和控制的可选方案(这里的仪器包括分立仪器和数据速率低于1 MS/s的虚拟仪器)。虽然绝大多数便携机、台式机和服务器可能有多个USB端口，但那些端口通常都连接到同一个主机控制器，所以USB的带宽是被这些端口共享的。USB的时延属于中间级别(位于延迟最大的以太网与最小的PCI和PCI Express之间)线缆长度的上限是5米。USB设备的优势在于自动检测， USB设备不同于其它LAN或GPIB技术，当USB设备被接入PC时，PC能够即刻识别并配置该USB设备。在这里研究的所有总线中，USB连接器是鲁棒性最差，安全性最低的。需要外部线缆套将其恰当保存。

　　USB设备非常适合那些包括便携式测量、便携机或台式机的数据录入和车载数据采集的应用。由于USB在PC上的普及程度，特别是其即插即用的易用性，该总线已经成为一种分立仪器中较为普遍的一种通信方式。USB测试与测量类(USBTMC)规范描述了广泛的测试与测量设备的通信需求。

　　PCI

　　在这里研究的所有总线中，PCI和PCI Express具有最佳的带宽和时延规范。PCI的带宽为132 MB/s，这一带宽为总线上的所有设备共享。PCI的时延性能基准值为700 ns，与时延为1ms的以太网相比，这个指标是非常出色的。PCI采用基于寄存器的通信方式。与这里所提及的其它总线不同的是，PCI并不通过线缆与外部仪器相连。相反的，PCI是一个用于PC插入式板卡和模块化仪器系统(如PXI)的内部PC总线，因此距离量度并不直接适用。然而，当与一个PXI系统连接时，PCI总线可以通过使用NI光纤MXI接口，最远“延展”至200米。由于PCI连接用于计算机内部，所以有理由说：PCI连接器的鲁棒性可能受限于其所在的PC的稳定性和鲁棒性。PXI模块化仪器系统，是围绕PCI信令构建而成的，通过高性能背板连接器和多个螺丝端子固定连接，从而增强连接性。如果PCI或PXI模块安装恰当，系统启动后，Windows将自动检测并为模块安装驱动程序。

　　PCI(以及PCI Express)与以太网、USB的共同优势在于，它们普遍存在于PC机上。PCI是PC历史上采用的最为广泛的标准之一。如今，每台台式机都能提供PCI插槽或PCI Express插槽。一般来说 ，PCI仪器需要的成本更低，因为这些仪器依赖其所在主机的电源、处理器、显示器和内存，而不再需要在仪器中另外配置这些硬件。

　　PCI Exrpess

　　PC IExpress与PCI相似。它是PCI标准的最新演进版本，相当于高速USB与USB的关系。因此，上述关于PCI评价的许多内容也适用于PCI Express。

　　PCI Express和PCI的主要性能差别在于， PCI Express总线的带宽更高，而且能为每台设备分配专用带宽。在本文所讨论的所有总线中，只有PCI Express能为每个外设总线提供专用带宽。GPIB、USB和LAN都是在所有连接的外设中共享带宽。在PCI Express中，数据在称之为“窄带”的点对点的连接中以单方向250 MB/s的速度传输。每个PCI Express连接可以由多个窄带组成，所以PCI Express总线的带宽取决于其在插槽和设备中的实现方式。一个x1(1条窄带)连接能提供250 MB/s带宽，一个x4(4条窄带)连接就能提供1 GB/s带宽，而一个x16(16条窄带)连接能提供4 GB/s专用带宽。值得注意的是， PCI Express实现了软件的向后兼容性，意味着转用PCI Express标准的用户能够保留其在PCI的软件投资。PCI Express也同样 可以通过外部线缆进行扩展。

　　高速的，内部的PC总线本来是为快速通信设计的。因此，PCI和PCI Express是高性能、需要较大带宽的数据密集型系统和集成与同步多种类型仪器的系统的理想总线选择。

　　以太网/LAN/LXI

　　长久以来，以太网一直是仪器控制的一种选择。它是一种成熟的总线技术，并一直被广泛应用于测试与测量外的许多应用领域。100BaseT以太网技术的最大理论带宽为12.5 MB/s。千兆以太网或1000BaseT能将最大带宽增加到125 MB/s。在所有情况下，以太网的带宽由整个网络共享。理论上千兆以太网的带宽为125 MB/s，其速度比高速USB更快，但当多个仪器和其它设备共享网络带宽时，其性能就会急剧下降。该总线采用基于消息的通信方式，通信包添加的一些头信息明显地增加了数据传输的开销。鉴于此，以太网的时延在本文所有的总线技术中是最差的。

　　尽管如此，以太网仍然是创建分布式系统网络的有力选择。在没有采用中继器的情况下，以太网的最大工作距离为85到100米，如果使用中继器将没有任何距离限制。没有其它总线可以支持这么远的从控制PC到平台的间隔距离。就像GPIB一样，以太网/LAN不支持自动配置。用户必须手动为其仪器分配IP地址和进行子网配置。与USB和PCI相似，以太网/LAN的连接普遍存在于现代PC中。这使得以太网成为分布式系统和远程监测的理想选择。以太网技术经常与其它总线和平台技术结合使用，以连接测量系统节点。这些本地节点本身或许由测量系统借助GPIB、USB和PCI组成。以太网的物理连接比USB的连接要稳定得多，但比GPIB或PXI的鲁棒性差。

　　LXI(LAN的仪器扩充)是一个即将推出的基于LAN的标准。LXI标准为带有以太网连接的分立仪器定义规范，增加了触发和同步的特性。

　　总结：仪器总线性能

　　尽管指定单一的总线或通信标准作为“最终的”或“理想的”技术在概念上看颇为简便，但历史告诉我们，若干个相互可替代的标准可能会继续共存，因为每项总线技术都有其独特的优缺点。

　　测试系统开发人员可以创建混合系统，以充分发挥多种总线和平台的优势。混合的测试与测量系统结合了模块化仪器平台(如PXI和VXI)和分立仪器的组件，它们通过GPIB、USB和以太网/LAN相连接的。创建和维护一个混合系统的关键是实现这样一个系统架构：该架构透明地识别多种总线技术并利用一个开放的、多厂商支持的计算平台(如PXI)来实现I/O的连接。

　　另一个成功开发混合系统的关键在于，确保您在驱动程序层、应用层和测试系统管理层所选择的软件都是模块化的。虽然一些厂商会为特殊的仪器提供垂直集成的软件方案，但最有用的系统架构还是应该将软件的功能分解到可互换的模块化的各层，这样会使您的系统不必受限于某个具体的硬件或某个厂商。这种分层的方式提供了最佳的代码复用、模块性和生命周期。例如，VISA(虚拟仪器软件架构)是一个厂商中立的软件标准，可用于由GPIB、VXI、串口 (RS232/485)、以太网、USB和/或IEEE 1394等接口组成的仪器系统的配置、编程和故障排除。由于其编程实现VISA功能的API和多种通信接口的API是类似的，因此VISA车成为一个非常有用的工具。

　　使用混合系统，您可以综合多种类型仪器的优点，包括遗留设备和专用设备。尽管为仪器寻找一个大一统的解决方案非常有吸引力，但工程实践要求测试工程师使用满足其具体应用需求的仪器和相关总线技术。