1.​仪器​和​计算​机​上有​哪些​可用​的​总​线？

仪器​通常​会​提供​一个​或​多个​总​线​选项，​您​可以​通过​这些​总​线​来​控制​仪器，​而​PC​通常​会​有​多个​总​线​选项​可以​控制​仪器。​如果​PC​本身​没有​针对​仪器​的​总​线，​则​通常​可以​将​其​作为​插入​板​卡​或​外部​转换​器​添加。​用于​仪器​控制​的​总​线​有​很多​种，​一般​可以​分为​以下​类别：

• 独立​总线——​用于​与​机​架式​仪器​通信，​包括​针对​特定​测试​和​测量​的​总​线​（比如​GPIB​总​线）​以及​PC​标准​总​线​（例如​RS232​串​行​总​线、​以太​网​总​线​和​USB​总​线）。​某些​独立​总​线​可用​作为​其他​独立​总​线​的​中介，​例如​USB​到​GPIB​转换​器。
• 模​块​化​总线——​用于​将​接口​总​线​集成​到​仪器​中，​包括​PCI、​PCI Express、​VXI​和​PXI。​这些​总​线​也可以​用​作为​中介，​将​独立​总​线​添加​到​不​包含​独立​总​线​的​PC​中，​比如​NI PCI-​GPIB​控制器​板。

2.我​需要​什么​样​的​性能？

影响​总​线​性能​的​三​个​主要​因素​是：​带​宽、​延迟​和​仪器​本身。

• 带宽是​指​数据​速率，​通常​以​百万​比​特/​秒​为​单位。
• 延迟是​指​传输​时间，​通常​以​秒​为​单位。​例如，​在​以太​网​传输​中，​大​数据​块​被​分成​众多​小​数据​包​并​发送​出去。​延迟​就是​指​传输​一个​数据​包​所需​的​时间。
• 仪器的​总​线​软件、​固​件​和​硬件​实现​会​影响​仪器​的​性能。​仪器​之间​并不​都是​一样​的，​并且​无论​是​用户​定义​的​虚拟​仪器​还是​供应​商​定义​的​传统​仪器，​仪器​设计​工程​师​在​开发​仪器​时​所作​的​权衡​取舍​都会​对​仪器​性能​产生​影响。​虚拟​仪器​的​主要​优势​在于，​最终​用户​可以​像​仪器​设计​工程​师​那样，​决定​最佳​的​取舍​方案。

  图​1.​比较​多​款​主流​测试​和​测量​总​线​的​理论​带​宽​与​延迟。

3.仪器​将​在​什么​环境​中​使用？

在​创建​仪器​控制​应用​时，​必须​考虑​其​部署​环境。​主要​考虑​因素​包括​仪器​与​PC​的​距离​以及​接口​和​线​缆​的​耐用性​规格。​这​两​个​因素​都是​决定​仪器​控制​系统​应​使用​哪​种​总​线​的​主要​因素。
仪器​与​PC​的​距离
​如果​仪器​位于​靠近​PC​的​地方​（不到​五米），​则​可以​灵活​选择​所有​总​线​类型。​但​如果​仪器​远离​PC，​比如​在​另​一个​房间​或​建筑​物​中，​则​应​考虑​使用​分布​式​仪器​控制​系统​架构。​分布​式​仪器​控制​系统​可能​包括​使用​扩展​器、​转发​器、​LAN/​LXI​或​LAN​转换​器​（比如，​以太​网​到​GPIB​转换​器）。
接口​和​线​缆​的​耐用性​规格
如果​仪器​处于​嘈​杂​的​环境​（例如​工业​环境）​中，​建议​使用​可​消除​环境​因素​影响​的​接口​总​线。​例如，​GPIB​或​USB​更​适合​用于​生产​车间，​因为​这​两​种​线​缆​具有​闩​锁，​非常​牢固​耐用，​而且​具有​屏蔽​功能。

4.​如何​轻松​设置​和​配置​总​线？

选择​总​线​接口​时，​请​务必​考虑​设置​和​安装​的​简易​性。​如果​是​许多​用户​需要​与​仪器​控制​系统​进行​交互​的​场景​（例如​实验​室），​建议​使用​简单​易​用​的​USB​总​线​接口，​获得​一致​的​用户​体验。​对于​可能​存在​安全​隐患​的​仪器​控制​系统，​通常​IT​部门​不太​会​允许​使用​以太​网/​LAN/​LXI​总​线。​如果​您​确定​以太​网/​LAN/​LXI​是​最​适合​仪器​控制​系统​的​总​线​接口，​且​该​系统​将​部署​到​非常​注重​安全​性的​环境​中，​则​应​在​整个​设计​实现​过程​中​与​IT​部门​合作。

仪器​控制​硬件​总​线​概述

GPIB​总线

通用​接口​总​线​（ General Purpose Interface Bus，​GPIB）​是​独立​仪器​最常​使用​的​I/​O​接口​之一。​GPIB​是​一种​8​位​数字​并行​通信​接口，​数据​传输​速率​高达​8 Mb/​s。​该​总​线​最多​可​将​一个​系统​控制器​连接​到​14​个​仪器，​并且​线​缆​长度​限制​在​20 m​以内。​但​可以​使用​GPIB​扩展​器​来​克服​这​两​个​限制。​GPIB​线​缆​和​连接​器​用途​广泛，​并​在​工业​上​经过​了​分级，​适用​于​任何​环境。
由于​GPIB​不​属于​PC​工业​总​线，​因此​很少​用​在​PC​上。​如果​要​在​PC​种​添加​GPIB​仪器​控制​功能，​可以​使用​PCI-​GPIB​等​插入​板​卡​或​NI GPIB-​USB​等​外部​转换​器​来​实现。

串​行​总线

串​行​总​线​是​一种​设备​通信​协议​是​标准，​常用​于​旧式​台式​机​和​笔记​本​电脑​上。​但​请​不要​将​其​与​USB​总​线​混淆。​串​行​总​线​是​许多​设备​中​通用​的​通信​协议，​也​常用​于​许多​具有​EIA232​端​口​的​GPIB​兼容​设备。​EIA232​和​EIA485/​EIA422​也可以​称为​RS232​和​RS485/​RS422。
串​行​通信​的​概念​十分​简单。​串​行​端​口​以​每次​一个​比​特​的​速率​发送​和​接收​字​节。​尽管​这​比​并行​通信​一次​传输​一个​完整​的​字​节​（1​字​节​=8​比​特）​要​慢，​但​它​更​简单，​更​适用​于​长​距离​传输。
工程​师​通常​使用​串​行​协议​来​传输​ASCII​数据。​这​需要​使用​三条​传输​线​来​完成​通信，​即​接地线、​发送​线​和​接收​线。​串​行​通信​属于​异步​通信，​端​口​能够​通过​一根​线​发送​数据​的​同时​通过​另一​根​线​接收​数据。​其他​线​用于​握手，​但​不是​必须​的。​串​口​通信​最​重要​的​参数​是​波特​率、​数据​位、​停止​位​和​奇偶​校​验​位。​对于​双​端​口​通信，​这些​参数​必须​相互​匹配。

USB​总线

通用​串​行​总​线​(USB)​主要​用于​将​PC​外围​设备​（例如​键盘、​鼠​标、​扫描​仪​和​磁盘​驱动​器）​连接​到​PC。​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，​USB​主机​会​在​添加​新​设备​时​自动​进行​检测，​向​设备​查询​其​标识，​并​配置​相应​的​设备​驱动​程序。
USB 2.0​可向​后​兼容，​支持​低速​和​全速​设备。​其​高速​模式​能够​提供​高达​480 Mbit/​s（60 MB/​s）​的​数据​传输​速率。​最新​的​USB​规范​USB 3.0​具有SuperSpeed模式，​其​理论​数据​传输​速率​高达​5.0 Gbit/​s。
尽管​USB​最初​被​设计​为​PC​外围​总​线，​但​其​速度、​广泛​的​可用性​和​易​用​性​使​其​备受​仪器​控制​应用​的​青睐。​但是，​USB​用于​仪器​控制​存在​一些​缺点。​首先，​USB​数据​线​并非​工业​级​线​缆，​这​可能​会​在​嘈​杂​的​环境​中​造成​数据​丢失。​此外，​由于​USB​线​缆​没有​闩​锁​装置，​因此​可以​线​缆​较​为​容易​从​PC​或​仪器​上​脱落。​另外，​USB​系统​可​允许​的​最大​线​缆​长度​仅​为​30 m，​该​长度​包括​内​联​中继​器​的​长度。

以太​网​总线

以太​网​是​一项​成熟​的​技术，​已​广泛​用于​其他​用途​的​测量​系统，​包括​一般​联​网​和​远程​数据​存储。​鉴于​全球​具有​以太​网​功能​的​计算​机​已经​超过​1​亿​台，​以太​网​总​线​也​成为​仪器​控制​应用​的​热门​之​选。​以太​网​遵循​IEEE​标准​802.3，​并​提供​支持​理论​数据​传输​速率​10 Mbit/ s（10BASE-​T）、​100 Mbit/ s（100BASE-​T）​和​1 Gbit/​s（1000BASE-​T）​的​网络​配置。​最​常见​的​网络​是​100BASE-​T。
基于​以太​网​的​仪器​控制​应用​可以​充分​以太​网​的​一些​独特​特性，​比如​远程​控制​仪器、​简化​的​仪器​共享​和​轻松​发布​数据​结果。​此外，​由于​以太​网​网络​的​应用​非常​广泛，​因此​无论​是​公司，​还是​实验​室，​用户​都可以​很​容易​地​获取​该​网络。​但是，​这种​优势​在​某些​公司​可能​会​引起​问题，​因为​它​可能​需要​传统​工程​应用​的​网络​管理​员​参与​其中。
以太​网​作为​仪器​控制​总​线​的​其他​缺点​是​其​传输​速率、​确定​性​和​安全​性​无法​满足​仪器​控制​应用​需求。​尽管​以太​网​理论​上​可以​达到​1 Gbit/​s​的​传输​速率，​但是​由于​其他​网络​流量​开销​大，​数据​传输​效率​低，​因此​很少​能够​真正​在​网络​上​实现​该​速率。​此外，​由于​以太​网​的​传输​具有​不​确定​性，​在​通过​以太​网​进行​通信​时​不能​确保​确定​性。​最后，​如果​敏感​数据，​用户​需要​采取​其他​安全​措施​来​确保​数据​完整性​和​隐私​性。

PCI​总线

PCI​总​线​通常​不​直接​用于​仪器​控制，​而是​用作​外围​总​线​连接​GPIB​或​串​行​设备，​以​进行​仪器​控制。​另外，​由于​PCI​带​宽​高，​可用​作​模​块​化​仪器​的​载波​总​线，​其中​I/​O​总​线​内​置​在​测量​设备​中。
 

PXI

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation，​PCI​仪器​扩展) 是​一​款​坚固​性​高​且​基于​PC​的​测量​和​自动​化​平台。​PXI​结合​了​PCI​的​电气​总​线​特性​以及​CompactPCI​的​坚固​性、​模​块​化​及​Eurocard​机电​封​装​等​特性，​并​增加​了​专用​同步​总​线​和​主要​软件​特性。​这​使得​PXI​成为​应用​于​测量​和​自动​化​系统​的​一​款​高性能、​低成本​部署​平台，​适用​于​制造​测试、​军事​和​航空、​机器​监测、​汽车​和​工业​测试​等​诸​多​领域。​PXI​于​1997​年​开发​并​于​1998​年​作为​一种​开放​的​行业​标准​推出，​以​满足​复杂​仪器​系统​不断​增长​的​需求。​现在，​PXI​由​PXI​系统​联盟​(PXISA)​进行​管理。​该​联盟​由​超过​65​家​公司​组成，​致力​于​共同​推广​PXI​标准，​确保​PXI​的​互​操作性，​并​维护​PXI​的​相关​规范。​PXI​广泛​用​作为​模​块​化​仪器​的​平台，​它​提供​了​紧凑​的​高性能​测量​硬件​设备，​并​具有​集成​定​时​和​同步​资源，​为​传统​的​独立​仪器​提供​了​理想​的​替代​方案。
 

PCI Express​总线

与​PCI​总​线​一样，​PCI​总​线​通常​不​直接​用于​仪器​控制，​而是​用作​外围​总​线​连接​GPIB​或​串​行​设备，​以​进行​仪器​控制。​但是，​由于​PCI Express​的​超高​速度，​它​可以​用作​模​块​化​仪器​的​载波​总​线。