仪器总线性能——理解仪器控制中的竞争的总线技术

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。     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。