Performances du bus d'instrument : Donner du sens aux technologies de bus concurrentes pour la commande d'instrument

Aujourd’hui, l’USB, le PCI Express et Ethernet/LAN sont devenus des options de communication attrayantes pour le contrôle d’instruments. Certains fournisseurs de test et de mesure et experts de l’industrie ont affirmé que l’un de ces bus, en soi, représente une solution pour tous les besoins d’instrumentation. En réalité, il est fort probable que deux technologies de bus ou plus continueront à coexister dans les systèmes de test et de mesure futurs car chaque bus a ses propres forces. Le défi pour l’ingénieur de test actuel n’est pas de choisir un bus ou une plate-forme unique sur lequel standardiser chaque application, mais de choisir un bus ou une plate-forme approprié pour une application spécifique ou même une partie spécifique d’une application.

Cet article présente une comparaison directe des bus d’instrumentation les plus populaires, afin que les ingénieurs de test puissent prendre des décisions éclairées lors du choix des technologies de bus et de plate-forme pour répondre aux besoins spécifiques de leurs applications. Les technologies de bus spécifiques abordées ci-dessous incluent GPIB, USB, PCI, PCI Express et Ethernet/LAN/LXI.

Tout d’abord, il est important de définir les critères de performance pertinents pour les bus de contrôle d’instruments, afin de définir une référence pour l’évaluation et la comparaison.

Bande passante

Lorsque l’on considère les mérites techniques des bus alternatifs, la bande passante et la latence sont deux des caractéristiques de bus les plus importantes. La bande passante mesure la vitesse à laquelle les données sont envoyées sur le bus, généralement en Mo/s (106 octets par seconde). Un bus à large bande passante est capable de transmettre plus de données dans une période donnée qu'un bus à faible bande passante. La plupart des utilisateurs reconnaissent l'importance de la bande passante car elle affecte si leurs données peuvent être envoyées via le bus vers ou depuis un processeur hôte partagé aussi vite qu'elles sont acquises ou générées et combien de mémoire embarquée leurs instruments auront besoin. La bande passante est importante dans des applications telles que la génération et l'acquisition de signaux complexes ainsi que dans les applications RF et de communications. Le transfert de données haute vitesse est particulièrement important pour les architectures d’instrumentation virtuelle et synthétique. La fonctionnalité et la personnalité d’un instrument virtuel ou synthétique sont définies par logiciel ; dans la plupart des cas, cela signifie que les données doivent être déplacées vers un PC hôte pour être traitées et analysées. La figure 1 montre la bande passante (et la latence) de tous les bus d'instrumentation examinés dans cet article.

Latence

La latence mesure le délai de transmission des données sur le bus. Par analogie, si nous comparions un bus d’instrumentation à une autoroute, la bande passante correspondrait au nombre de voies et à la vitesse de déplacement, tandis que la latence correspondrait au délai introduit aux bretelles d’accès et de sortie. Un bus avec une faible latence (ce qui signifie une bonne) introduirait moins de délai entre le moment où les données ont été transmises d'un côté et celui où elles ont été traitées de l'autre. La latence, bien que moins observable que la bande passante, a un impact direct sur les applications où une succession rapide de commandes courtes et hachées est envoyée sur le bus, comme dans le handshake entre un multimètre numérique (DMM) et un commutateur, et dans la configuration de l’instrument.

Communication basée sur messages ou registres

Les bus qui utilisent une communication par messages sont généralement plus lents car ce mode de communication ajoute du temps système sous forme d'interprétation des commandes et de remplissage des données. Avec la communication basée sur registres, le transfert de données se produit en écrivant et en lisant directement des données binaires vers et depuis les registres matériels du périphérique, ce qui permet un transfert plus rapide. Les protocoles de communication basés registres sont les plus courants pour les bus PC internes, où les interconnexions sont physiquement plus courtes et le débit le plus élevé est requis. Les protocoles de communication par messages sont utiles pour transmettre des données sur de plus longues distances et là où des frais généraux plus élevés sont acceptables. Il convient de noter que les statistiques de latence et de bande passante dépendent partiellement du fait que le bus utilise une communication basée sur des messages ou des registres et que ce paramètre est donc partiellement capturé dans ces statistiques.

Performances à longue portée

Pour les applications de surveillance à distance et pour les systèmes qui impliquent des mesures sur une grande zone géographique, la portée devient importante. Les performances de cette catégorie peuvent être considérées comme un compromis avec la latence, car la détection des erreurs et le remplissage des messages ajoutés pour surmonter les limitations physiques de l’envoi de données sur des câbles plus longs peuvent ajouter des délais à l’envoi et à la réception des données.

Configuration des instruments et performances logicielles

La facilité d'utilisation en termes de configuration de l'instrument et de performances logicielles est le critère le plus subjectif examiné ici. Néanmoins, il est important de discuter. La configuration de l’instrument décrit l’expérience « prête à l’emploi » et le temps de configuration. Les performances logicielles concernent la facilité avec laquelle les utilisateurs peuvent trouver des utilitaires interactifs ou des API de programmation standard telles que VISA pour communiquer avec l’instrument et le contrôler.

Robustesse du connecteur

Le connecteur physique du bus détermine s’il convient aux applications industrielles et si des efforts supplémentaires seront nécessaires pour « durcir » la connexion entre l’instrument et le contrôleur du système. La figure 2 présente des photos de plusieurs connecteurs de bus d’instrumentation.

GPIB

Le premier bus que nous examinerons est le bus IEEE 488, communément appelé GPIB (bus d’interface polyvalent). GPIB est un bus éprouvé conçu spécifiquement pour les applications de contrôle d’instruments. Le GPIB est un bus de communication robuste et fiable depuis 30 ans et est toujours le choix le plus populaire pour le contrôle d’instruments en raison de sa faible latence et de sa bande passante acceptable. Il bénéficie actuellement de la plus large adoption de l’industrie, avec une base de plus de 10 000 modèles d’instruments avec connectivité GPIB.

Avec une bande passante maximale d'environ 1,8 Mo/s, il convient le mieux pour communiquer avec des instruments autonomes et les contrôler. La révision haute vitesse la plus récente, HS488, a augmenté la bande passante jusqu’à 8 Mo/s. Les transferts sont basés sur des messages, souvent sous forme de caractères ASCII. Plusieurs instruments GPIB peuvent être câblés ensemble à une distance totale de 20 m, et la bande passante est partagée entre tous les instruments du bus. Malgré une bande passante relativement faible, la latence GPIB est nettement inférieure (meilleure) que celle de l'USB et surtout Ethernet. Les instruments GPIB ne détectent ni ne configurent automatiquement lorsqu'ils sont connectés au système, bien que GPIB Software soit parmi les meilleurs disponibles, et que le câble et le connecteur robustes soient adaptés aux environnements physiques les plus exigeants. Le GPIB est idéal pour automatiser des équipements existants ou pour des systèmes nécessitant des instruments hautement spécialisés.

USB

L'USB (bus série universel) est devenu populaire ces dernières années pour connecter des périphériques informatiques. Cette popularité s’est répercutée sur le test et la mesure, avec un nombre croissant de fournisseurs d’instruments ajoutant des capacités de contrôleur de périphérique USB à leurs instruments.

L’USB haute vitesse a une vitesse de transfert maximale de 60 Mo/s, ce qui en fait une alternative intéressante pour la connectivité des instruments et le contrôle des instruments autonomes et de certains instruments virtuels avec des débits de données inférieurs à 1 Méch./s. Bien que la plupart des ordinateurs portables, des ordinateurs de bureau et des serveurs puissent avoir plusieurs ports USB, ces ports se connectent généralement tous au même contrôleur hôte, de sorte que la bande passante USB est partagée entre tous les ports. La latence pour USB entre dans la meilleure catégorie (entre Ethernet à l’extrémité lente et PCI et PCI Express à l’extrémité rapide), et la longueur de câble est limitée à 5 m. Les périphériques USB bénéficient de l'autodétection, ce qui signifie que contrairement à d'autres technologies telles que LAN ou GPIB, les périphériques USB sont immédiatement reconnus et configurés par le PC lorsqu'un utilisateur les connecte. Les connecteurs USB sont les moins robustes et les moins sécurisés des bus examinés ici. Des serre-câbles externes peuvent être nécessaires pour les maintenir en place.

Les périphériques USB sont bien adaptés aux applications avec des mesures portables, l'enregistrement des données d'ordinateur portable ou de bureau et l'acquisition de données à bord du véhicule. Le bus est devenu un choix de communication populaire pour les instruments autonomes en raison de son omniprésence sur les PC et surtout en raison de sa facilité d'utilisation Plug and Play. La spécification USB Test and Measurement Class (USBTMC) répond aux exigences de communication d’un large éventail de périphériques de test et de mesure.

PCI

PCI et PCI Express atteignent les meilleures spécifications de bande passante et de latence parmi tous les bus d’instrumentation examinés ici. La bande passante PCI est de 132 Mo/s, avec cette bande passante partagée sur tous les périphériques du bus. Les performances de latence PCI sont exceptionnelles ; évaluées à 700 ns, contre 1 ms en Ethernet. PCI utilise une communication basée sur des registres. Contrairement aux autres bus mentionnés ici, PCI ne câble pas aux instruments externes. Au lieu de cela, il s’agit d’un bus PC interne utilisé pour les cartes enfichables PC et dans les systèmes d’instrumentation modulaires tels que PXI, de sorte que les mesures de distance ne s’appliquent pas directement. Néanmoins, le bus PCI peut être « étendu » jusqu’à 200 m en utilisant des interfaces MXI à fibre optique NI lors de la connexion à un système PXI. Étant donné que la connexion PCI est interne à l’ordinateur, il est probablement juste de caractériser la robustesse du connecteur comme étant limitée par la stabilité et la robustesse du PC dans lequel il réside. Les systèmes d’instrumentation modulaires PXI, construits autour de la signalisation PCI, améliorent cette connectivité avec un connecteur de fond de panier hautes performances et plusieurs bornes à vis pour maintenir les connexions en place. Une fois démarré avec les modules PCI ou PXI en place, Windows détecte et installe automatiquement les drivers des modules.

Un avantage que le PCI (et le PCI Express) partagent avec Ethernet et USB est qu'ils sont universellement disponibles dans les PC. PCI est l'une des normes les plus largement adoptées dans l'histoire de l'industrie du PC. Aujourd’hui, chaque ordinateur de bureau dispose d’emplacements PCI, PCI Express ou les deux. En général, les instruments PCI peuvent réduire les coûts, car ces instruments dépendent de la source d’alimentation, du processeur, de l’affichage et de la mémoire du PC qui les héberge, plutôt que d’incorporer ce matériel dans l’instrument lui-même.

PCI Express

PCI Express est similaire à PCI. C'est la dernière évolution de la norme PCI, tout comme l'USB haute vitesse l'est pour l'USB. Par conséquent, une grande partie de l’évaluation ci-dessus du PCI s’applique également au PCI Express.

La principale différence entre les performances PCI et PCI Express est que PCI Express est un bus à bande passante plus élevée et donne une bande passante dédiée à chaque périphérique. De tous les bus traités dans ce tutoriel, seul PCI Express offre une bande passante dédiée à chaque périphérique du bus. GPIB, USB et LAN, répartissent la bande passante entre les périphériques connectés. Les données sont transmises via des connexions point à point appelées lignes à raison de 250 Mo/s par direction. Chaque liaison PCI Express peut être composée de plusieurs voies, de sorte que la bande passante du bus PCI Express dépend de la manière dont elle est implémentée dans l'emplacement et le périphérique. Une liaison x1 (par 1) fournit 250 Mo/s, une liaison x4 fournit 1 Go/s et une liaison x16 fournit 4 Go/s de bande passante dédiée. Il est important de noter que PCI Express atteint la rétrocompatibilité logicielle, ce qui signifie que les utilisateurs passant à la norme PCI Express peuvent préserver leurs investissements logiciels dans PCI. PCI Express également extensible par câblage externe.

Les bus PC internes haute vitesse ont été conçus pour une communication rapide. Par conséquent, PCI et PCI Express sont des choix de bus idéaux pour les systèmes hautes performances à forte intensité de données où une large bande passante est requise, ainsi que pour intégrer et synchroniser plusieurs types d’instruments.

Ethernet/LAN/LXI

Ethernet a longtemps été une option de contrôle d'instruments. C'est une technologie de bus mature et a été largement utilisée dans de nombreux domaines d'application en dehors des tests et des mesures. 100BaseT Ethernet a une bande passante max théorique de 12,5 Mo/s. Gigabit Ethernet, ou 1000BaseT, augmente la bande passante maximale à 125 Mo/s. Dans tous les cas, la bande passante Ethernet est partagée sur le réseau. À 125 Mo/s, Gigabit Ethernet est théoriquement plus rapide que Hi-Speed USB, mais cette performance diminue rapidement lorsque plusieurs instruments et autres périphériques partagent la bande passante réseau. La communication le long du bus est basée sur les messages, les paquets de communication ajoutant un temps système important à la transmission des données. Pour cette raison, Ethernet a la pire latence des technologies de bus présentées dans ce tutoriel.

Néanmoins, Ethernet reste une option puissante pour créer un réseau de systèmes distribués. Il peut fonctionner à des distances allant jusqu'à 85 à 100 m sans répéteurs et avec des répéteurs n'a pas de limites de distance. Aucun autre bus n'a cette gamme de séparation du PC ou de la plate-forme de contrôle. Comme pour le GPIB, l'autoconfiguration n'est pas disponible sur Ethernet/LAN. Les utilisateurs doivent assigner manuellement une adresse IP et une configuration de sous-réseau à leur instrument. Tout comme USB et PCI, les connexions Ethernet/LAN sont omniprésentes dans les PC modernes. Cela rend Ethernet idéal pour les systèmes distribués et la surveillance à distance. Il est souvent utilisé avec d'autres technologies de bus et de plate-forme pour connecter des nœuds de système de mesure. Ces nœuds locaux peuvent eux-mêmes être composés de systèmes de mesure reposant sur GPIB, USB et PCI. Les connexions Ethernet physiques sont plus robustes que les connexions USB, mais moins que les connexions GPIB ou PXI.

LXI (LAN eXtenstions for Instrumentation) est une norme émergente basée sur LAN. La norme LXI définit une spécification pour les instruments autonomes dotés d’une connectivité Ethernet qui ajoute des fonctionnalités de déclenchement et de synchronisation.

Malgré la commodité conceptuelle de la désignation d’un bus ou d’une norme de communication unique comme technologie « ultime » ou « idéale », l’histoire nous enseigne que plusieurs normes alternatives sont susceptibles de continuer à coexister, car chaque technologie de bus présente des forces et des faiblesses uniques. Le tableau 1 compile les critères de performance de la section précédente. Il doit être clair qu’aucun bus n’est supérieur dans toutes les mesures de performance.

	Bande passante (Mo/s)	Latence (µs)	Gamme (m) (sans extension)	Configuration et installation	Robustesse des connecteurs
GPIB	1,8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	Bon	Le plus performant
USB	60 (haute vitesse)	1000 (USB) 125 (haute vitesse)	5	Le meilleur	Performant
PCI	132	0.7	Bus de PC interne	plus	Meilleur Le meilleur (pour PXI)
PCI Express	250 (x1) 4000 (x16)	0,7 (x1) 0,7 (x4)	Bus de PC interne	plus	Meilleur Le meilleur (pour PXI)
Ethernet/LAN/LXI	12,5 (Rapide) 125 (Gigabits)	1000 (rapide) 1000 (Gigabits)	100 m	Performant	Performant

Les développeurs de systèmes de test peuvent exploiter les forces de plusieurs bus et plates-formes en créant des systèmes hybrides. Les systèmes de test et de mesure hybrides combinent des composants de plates-formes d’instrumentation modulaires telles que PXI et VXI et des instruments autonomes qui se connectent via GPIB, USB et Ethernet/LAN. L’une des clés de la création et de la maintenance d’un système hybride est la mise en œuvre d’une architecture système qui reconnaît de manière transparente plusieurs technologies de bus et tire parti d’une plate-forme informatique ouverte et multifournisseur, telle que PXI, pour atteindre une connectivité d’E/S.

L’autre clé pour développer avec succès un système hybride est de s’assurer que le logiciel que vous choisissez au niveau du driver, de l’application et de la gestion du système de test est modulaire. Bien que certains fournisseurs puissent proposer des solutions logicielles verticales pour des instruments spécifiques, l’architecture système la plus utile est celle qui décompose les fonctions logicielles en couches modulaires interchangeables de sorte que votre système ne soit ni lié à un matériel particulier ni à un fournisseur particulier. Cette approche en couches offre la meilleure réutilisation de code, modularité et longévité. Par exemple, VISA (Virtual Instrument Software Architecture) est une norme logicielle neutre pour la configuration, la programmation et le dépannage de systèmes d’instrumentation comprenant des interfaces GPIB, VXI, série (RS232/485), Ethernet, USB et/ou IEEE 1394. C'est un outil utile car l'API de programmation des fonctions VISA est similaire pour une variété d'interfaces de communication.

Grâce aux systèmes hybrides, vous pouvez combiner les forces de nombreux types d’instruments, y compris les équipements anciens et les dispositifs spécialisés. Malgré l’intérêt de trouver une solution unique pour l’instrumentation, la réalité exige que les ingénieurs de test adaptent les instruments et les technologies de bus associées à leurs besoins d’application spécifiques.

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