仪器总线性能——理解仪器控制中的竞争的总线技术

概览

　　欢迎使用《设计下一代测试系统的开发者指南》。该指南收集了许多与测试系统设计相关的白皮书，可以帮助您在开发测试系统时降低成本、提高测试吞吐量并扩展对未来需求的支持。本书提供了一个关于构建模块化、软件定义RF平台的案例研究。如欲阅读完整的开发者指南，您可以：下载PDF版本(共90多页)或者查看《设计下一代测试系统的开发者指南》的电子版本。查看《设计下一代测试系统的开发者指南》的网页版本。

仪器控制总线简介

　　1997年惠普(现变更为安捷伦)坚称IEEE 1394非常适合作为仪器控制领域的新引领性总线技术。鉴于IEEE 1394的潜力，HP放弃了当时的领先技术GPIB。但在过去的十年中，IEEE 1394除了在图像领域外，却仅仅是仪器中可选的边缘总线。尽管如此，仍有一些测试与测量公司还在继续尝试通过确定一种单一的仪器控制总线，以替代所有其它总线。虽然其它总线技术已经被确证在满足广泛应用需求方面比IEEE 1394更为成功，但即使是GPIB——在过去40年中最广泛采用的仪器控制标准——也不能声称拥有绝对优于所有其它总线的性能。 如今，USB、PCI Express和以太网/LAN，作为仪器控制中颇具吸引力的可选通信选择备受关注。一些测试与测量厂商和业界专家已经声称，这些总线之一，就其本身就能代表一种适合所有仪器需求的解决方案。实际上，由于总线各有特点，因此两种或以上的总线技术很可能会在未来的测试与测量系统中继续共存。

　　如今测试工程师所要面临的挑战，不是选择单个总线或平台，然后在此基础之上统一各个单一应用，而是选择一个适合某个具体应用(甚至一项应用的某个具体部分)的总线或平台。本文对最通用的仪器总线进行了直接比较，以便测试工程师在选择满足特定应用需求的总线和平台技术时，能够作为明智的选择。本文将要讨论的具体总线技术包括GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太网/LAN/LXI。

了解总线性能

　　首先，为了对不同总线的评价和比较设定标准，简述仪器控制总线相关的性能标准至关重要。

　　带宽

　　在考虑可选择的总线的技术特点时，带宽和时延是两个最重要的总线特性。带宽度量的是总线传送数据的速率，常用单位为MB/s(每秒钟106字节)。总线带宽越高，在给定时间内传送的数据就越多。大多数用户认识到带宽的重要性，是因为带宽影响着他们的数据是否能够以与采集或产生相当的速率通过总线传送至一个共享主机处理器或通过主机处理器传送到设备，他们的仪器将需要多大的板上内存。带宽对于一些应用(如复杂波形发生和采集以及RF和通信应用)非常重要。高速数据传输对于虚拟、合成仪器架构特别重要。一个虚拟或合成仪器的功能和特性是由软件定义的，在大多数情况下，这意味着数据必须被传送到主机进行处理和分析。

　　时延

　　时延度量的是数据通过总线传输导致的延迟。打个比方，如果把一个仪器总线比作一条高速公路，带宽就相当于车道数和车辆行驶速度，而时延就相当于由上下岔口引起的延迟。具有低(即较好)时延的总线，会在传送数据的一端和处理数据的另一端间引入较少的时间延迟。时延虽然不像带宽那样引人注意，但对于沿总线传送一连串较短的、变向命令时，例如数字万用表(DMM)与开关间的握手、仪器配置等一些应用有直接影响。

　　基于消息与基于寄存器的通信

　　采用基于消息通信的总线一般较慢，因为这种通信模式增加了命令解释和在数据前后填充命令的开销。采用基于寄存器的通信，数据传送则是通过对设备上的硬件寄存器直接读出或写入二进制数据完成，因此传输速度较快。基于寄存器的通信协议在PC的内部总线中最为常见，在这里，互联的物理距离较短，而吞吐量要求最高。基于消息的通信协议，对于远距离传送数据较为有用，这种情况下，较高的开销成本也是可以接受的。应当指出的是，时延和带宽度量部分地取决于总线采用基于消息通信还是基于寄存器通信，所以这些度量中也部分包含了这个参数。

　　大范围下的性能

　　对于远程监测应用和涉及大的地理范围的测量系统，范围变得非常重要。在这类应用中，性能可以视为与时延的折中，因为检错和消息填充能够克服通过较长距离线缆传送数据的物理限制，但也会增加发送和接收数据的时延。

　　仪器设置与软件性能

　　仪器配置和软件性能方面的易用性是本文所涉及的最为主观的评价准则。因此关于这一点的讨论却很重要的。仪器设置描述了“非常规”的用户体验和设置时间。软件性能则涉及到用户如何方便地找到交互式向导或标准编程API(如VISA)，从而实现与仪器的通信和控制。

　　连接器的鲁棒性

　　总线所用的物理连接器会影响该总线是否适合工业应用，是否需要额外的工作以“加固”仪器与系统控制器间的连接。

仪器控制总线比较(GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太网/LAN/LXI)

　　GPIB

　　我们研究的第一个总线是IEEE 488总线，较为熟悉的称谓是GPIB(通用接口总线)。GPIB是一种在业界已经得到证明的专为仪器控制应用设计的总线。GPIB在过去30年来一直是鲁棒的、可靠的通信总线，由于其低时延和可接受的带宽的特点，GPIB目前仍然是仪器控制中最常见的选择。GPIB的优势在于为业界广泛采纳，并有超过10,000种仪器模型带有GPIB接口。

　　由于其最大带宽为1.8 MB/s，GPIB最为适合与分立仪器通信，并对分立仪器进行控制。最新的高速版HS488将带宽提高到8 MB/s。GPIB中的数据传递采用基于信息的通信模式，并最常使用ASCII字符。多个GPIB仪器可以通过电缆连接，其总距为20米，带宽为总线上的所有仪器共享。虽然GPIB的带宽相对较低，但其时延要比USB尤其比以太网低得多(即性能好)。尽管GPIB有目前最好的软件，而且稳定的线缆和连接器也能适合最恶劣的物理环境，但GPIB仪器在连接到系统时，并不能自动检测或自动配置。对于现有仪器的自动化或要求高度专业化仪器的系统，GPIB是理想的选择。