仪器控制系统硬件总线选择方案

　　概览

　　当您面对各种各样的仪器连接总线时，可能会很难为自己的应用作出最合适的选择。可以说每个总线都有各自的优势和相应的优化技术。因此，请您先问问自己如下四个问题，比较一下最常见PC总线的功能选项，即可作出决定。

　　什么总线可以用在仪器和计算机上？

　　我需要什么样的总线性能？

　　该仪器将要用在什么环境中？

　　设置和配置总线的难易程度如何？

　　仪器控制硬件总线概述

　　1.什么总线可以用在仪器和计算机上？

　　一款仪器通常会提供一个或更多个总线选择，用于仪器的控制；PC通常也会为仪器控制提供多种总线选择。如果PC上没有自带连接到某种仪器的总线，您也可以通过一个插件板或者外部转换器来添加总线。用于仪器控制的总线类型很多，大体可以分为以下几类：

　　用于与机架式仪器连接的独立总线，包括测试与测量专用总线，如GPIB总线，以及其它PC标准总线，如串行总线（RS232）、以太网总线和USB总线。您也可以使用一些独立总线作为与其它独立总线转接的媒介，例如USB至GPIB转换器。

　　内嵌于模块化仪器的接口总线包括PCI、PCI Express、VXI、和PXI.您也可以使用这些总线作为一个媒介，为不具备独立总线的PC添加独立总线，例如：使用 NI PCI-GPIB控制器板卡。

　　2. 我需要什么样的总线性能？

　　影响总线的性能的三个主要因素包括：带宽、延迟和仪器实现方式。

　　带宽是数据传输的速率，它通常以百万比特每秒为单位测量。

　　延迟是数据传输的时间，通常以秒为单位。例如，通过以太网传输时，大的数据块被分解为小片段，然后以多个数据包的方式发送。延迟就是其中一个数据包的传输时间。

　　总线软件、固件和硬件的仪器实现方式将影响总线性能。并不是所有的仪器都是生来一致的，无论是用户定义的虚拟仪器还是厂商设计的传统仪器，在仪器具体实现过程中所采用的折中措施，都将影响仪器性能。虚拟仪器的一个好处就是：最终用户作为仪器的设计者，在仪器实现的过程中，自己就可以作出最优的折中决定。

　　3. 该仪器将要用在什么环境中？

　　在开发一个仪器控制应用时，充分考虑其部署环境是很重要的。您需要考虑的主要因素包括：仪器到PC之间的距离，以及接口和电缆的坚固性。这两个因素在为仪器控制系统选择总线时至关重要。

　　仪器到PC之间的距离

　　如果您的仪器离PC很近（小于5米），您就可以灵活地选择任意一种总线类型。如果您的仪器远离PC,例如，在另一个房间内或另一幢大楼里，那么您应该考虑分布式仪器控制系统的体系架构。分布式仪器控制系统中可能包括扩展器、中继器、LAN/LXI, 或者LAN转换器（例如，以太网至GPIB转换器）。

　　接口和电缆的坚固性

　　如果您的仪器处在充满噪声干扰的环境中，例如工业环境，那么您可以考虑使用提供保护的接口总线，隔离环境干扰。例如，在一个生产车间里，GPIB或者USB将是一个更加合适的选择，因为它的电缆锁定牢靠，具有坚固耐用的屏蔽指标。

　　4. 设置和配置总线的难易程度如何？

　　当您在选择总线接口时，请注意其设置和安装方式。某些仪器部署在有许多用户交互的地方，例如实验室中，这是就应该考虑选择SUB总线接口，使用起来非常方便，且与用户习惯一致。对于需要考虑安全性的仪器控制系统，您应该意识到信息技术部门可能会禁止使用以太网/LAN/LXI等总线。如果您确定以太网/LAN/LXI对于您的仪器控制系统来说是最佳总线接口，那么当您将其部署在一个需要考虑安全性的环境中时，应该在整个设计实施过程中与信息技术部门协同工作。

　　5. 常见总线的选择指南

6. 仪器控制硬件总线概述

　　GPIB

　　通用接口总线（GPIB）在独立仪器中是一种最常见的I/O接口。GPIB是8位并行数字通信接口，数据传输速率高达8 Mb/s.一个GPIB控制器总线可以最多连接14个仪器，并且其布线距离小于20米。但是，您可以通过使用GPIB扩展器和延长器克服这些限制。GPIB电缆和连接器种类丰富，并且是工业等级的，可以用于任何环境中。

　　GPIB不是一个PC工业总线，很少用于PC上。但是，您可以使用一个插件板，如PCI-GPIB,或者外部转换器，如NI GPIB-USB,将GPIB仪器控制功能添加到PC上。

　　串行总线

　　串行总线是主要用于老式台式机和笔记本电脑上的设备通信协议，请不要将其与USB混淆。在很多设备中，串行总线是最常见的仪器通信协议，而且很多与GPIB兼容的设备还具有EIA232端口。EIA232 和EIA485/EIA422也可以被称作RS232和RS485/RS422.

　　串行通信的概念很简单。串行端口每次发送和接收一个比特的信息。虽然它比每次传输整个字节的并行通信慢，但是串行总线更简单，而且使用距离更长。

　　通常情况下，工程师们使用串行接口来传输ASCII数据。他们使用三个传输线路来完成通信：地线、发送线和接收线。因为串行通信是异步的，端口可以在一条线路上传输数据，而在另一条线路上接收数据。其它线路可用于信号握手，但并不是必须的。串行通信的关键指标是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位。两个串行端口若要进行通信，这些参数必须匹配。

　　USB

　　通用串行总线（USB）主要是用于与PC连接的外围设备，例如键盘、鼠标、扫描仪和磁盘驱动器等。在过去的几年中，支持USB连接的设备数量急剧增加。USB是一种即插即用技术，当添加一个新设备时，USB主机自动检测该设备，发出询问以识别该设备，并为其配置合适的设备驱动。

　　USB 2.0对于低速和全速设备是完全兼容的。其高速模式的数据传输速率能够高达480 Mbit/s （60 MB/s）。最新的USB3.0规范具有超高速模式，其理论数据传输速率可高达5.0Gbit/s.

　　虽然USB总线的设计初衷是针对PC外设，但是它的速度、广泛的适用性以易用性，令其在仪器控制应用中具有很大的吸引力。而USB总线在仪器控制中也存在一些不足：首先，USB线缆不是工业级标准的，可能在充满噪声的环境中导致数据丢失；另外，USB线缆没有锁紧装置，线缆可以很轻易地被拔出PC;而且，即便使用了中继器，USB线缆的最长传输距离只有30m.

　　以太网