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NI:仪器总线技术的回顾与展望

从上世纪60年代推出的专用于仪器控制的GPIB总线,到现在被广泛使用的 USB、VXI、PXI和最新推出的LXI、PXI Express,不断涌现的新型总线技术在帮助我们的工程师更快捷高效的完成测量任务的同时,也引起了行业内专家们的广泛争论,究竟哪一种总线将会主宰未 来的测试测量领域呢?
关键词: USB VXI PXI LabVIEW
时间:2012-05-30 17:23 来源:物联网在线 作者:物联网在线 点击:

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概览

在测试测量领域,仪器总线技术的发展历来是工程师和科学家们最为关心的部分。从上世纪60年代推出的专用于仪器控制的GPIB总线,到现在被广泛使用的 USB、VXI、PXI和最新推出的LXI、PXI Express,不断涌现的新型总线技术在帮助我们的工程师更快捷高效的完成测量任务的同时,也引起了行业内专家们的广泛争论,究竟哪一种总线将会主宰未 来的测试测量领域呢?

未来的趋势 —— 混合总线的测试系统

先让我们回顾一下历史,无论是GPIB还是串口,都已经在测试行业应用超过了数十年,但至今仍有很多的工程师在继续使用 或购买相应的仪器。再来看看几乎已经退出PC历史舞台的ISA总线,在现在的一些工控机里我们仍旧可以看到ISA插槽的身影,甚至有不少厂商还在生产基于 ISA总线的数据采集卡和GPIB控制卡,满足一部分客户的需求。可以说,任何一种总线都有其在行业内独特的优势,没有一种总线会完美到可以取代其它任何 的总线。

所谓混合总线的测试系统,就是在一个系统中集成多个自动化测试平台的不同部件,包括PXI, PCI, GPIB, VXI, USB, LAN和LXI等不同的总线。从工程师的角度来看,当设计一个测试系统时,往往需要平衡多方面的因素。现在的产品变的越来越复杂,对混合信号测试的要求也 就越来越高,这样就需要利用不同总线测试平台的优势,搭建一个混合的测试系统来满足测试的需求。例如您的系统可能需要像PXI和PCI Express等模块化仪器总线所提供的高吞吐量和优良的集成性,同时也可能需要基于USB或者LAN(包括LXI)的分立式仪器,完成一些特定的测试功 能。此外,使用混合的系统,工程师们可以很容易的在现有的系统上进行升级或是添加新的部件,而无需重新设计整个系统。同时,这样的混合系统对软件的架构提 出了更高的要求,希望无论是在驱动服务层还是在应用软件层都能对不同的总线平台进行无缝的支持,也就是说,一个统一的软件架构将成为整个混合测试系统的核心。(如图1)


图1:典型的混合总线测试系统的软硬件架构

因此我们看到的是这些总线将会长期的共存,未来测试系统的趋势也将是基于混合总线的测试系统。而同时,软件会在这样多厂商、多总线的混合系统中体现其核心的地位。

外部总线 —— GPIB, Serial, IEEE 1394(FireWire), USB, LAN以及LXI

在测试测量行业,外部总线主要提供传统分立式仪器与PC之间的互连性,因此我们又通常将这一类总线称之为分立仪器总线。 每一种总线针对不同的应用都有其独特的优势,譬如说GPIB作为最成熟的总线技术,拥有最广泛的可供选择的仪器种类;使用USB,用户可以充分利用其即插 即用的特性;而使用LAN/LXI,可以满足用户分布式应用和远距离仪器通讯的需求。根据对测量功能、带宽、传输延迟、性能和易连接性等的不同需求,用户 可以自由的选择适合自己应用的总线连接技术。

GPIB,Serial和Firewire都已经是广大工程师所熟知的总线技术,我们就不一一赘述了。这里要和大家一起讨论的是几种较新的分立仪器总线技术。

USB

Universal Serial Bus (USB) 因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB 2.0高达480Mbits/s的传输速率,也逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。现在计算机上的USB口越来越多,也使得工程师可以很方便的将基于 USB的测量仪器连接到整个系统中。

但是USB在仪器控制方面亦有一些缺点。比如说USB的排线没有工业标准的规格,在恶劣的环境下,可能造成数据的丢失;此外,USB对排线的距离也有一定的限制。

LAN和LXI

LAN作为一种成熟的技术,在数年前就已经被广泛的应用于各种测试系统,如远程的网络分析仪和数据记录仪等,并特别适用 于分布式的系统和远程监控,填补了传统仪器原来在这方面的空白。作为VXIbus规范的一部分,当时的VXI-11规范就定义了网络仪器通过TCP/IP 进行控制器和设备之间通讯的一系列标准。

LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)总线规范源于美国军方应用的需求,它重新定义了一系列基于LAN的仪器类,其中包含基于现成的IEEE 1588技术的定时指标和可选的LXI触发总线。但归根结底,LXI的仪器还是一种基于LAN的分立式仪器,只是将多种现有的技术(如LAN,IEEE 1588等)重新整合成一种新的标准,并没有太多技术上的革新。此外,LXI目前主要还是针对美国军方的一些高端测量应用,还没有在工业界得到普及,市场 上真正可供选择的LXI仪器也很有限。

无论是LAN还是LXI,因为都是基于以太网的通讯方式,以太网本身的一些缺陷还是会存在,如需要人工配置IP地址,如何解决IP地址的冲突问题等;此外,数据传递的实时性、数据的完整性和安全性等都是需要进一步探讨的问题。

在这里我们还要简单介绍一下被LXI所采用的新型时间同步协议:IEEE 1588,它提供了标准的方法用于在网络上实现亚微秒级的设备同步。协议将从设备的时钟和主设备的时钟进行同步,保证了所有设备中的任何事件和时间标记都 使用同一个时间基准。使用IEEE 1588进行设备同步需要分两步:(1)根据最佳主时钟算法确定哪个设备将提供主时钟;(2)测量和修正由于时钟的偏移量(offset)和网络延迟 (network delay)造成的时间误差。

在现实的应用中,IEEE 1588时钟同步的精度还取决于许多的因素。如主从时钟的时钟频率、时钟的稳定性、网络的拓扑结构等。此外,网络通讯中许多的变数都会或多或少的影响到同步的精度。

当我们打开现代PC的机箱,我们会发现显卡往往是基于高带宽的PCI、AGP或是最新的PCI Express x16总线,很少能见到基于USB,Ethernet等外部总线的显卡;同样,一台分立式仪器虽然在外部提供了USB,Ethernet/LAN以及 RS-232等接口用于和PC的通讯,但仪器内部还是使用了PCI总线用于内部数据的传输。上面的两个例子都使用了内部总线用于海量数据的传输,因为像 PCI这样的内部总线,相比于外部总线,能够提供更高的总线带宽和更低的传输延迟(见图2)。接下来就让我们来讨论一下一些常见的内部总线。


图2:相比于外部总线,内部总线具有较高的总线带宽和较低的传输延迟 (责任编辑:zxh007)



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