計測器バスの性能:計測器制御における複数のバステクノロジを理解する

今日、USB、PCI Express、およびイーサネット/LANは、計測器制御のための最適な通信オプションとして注目を集めています。一部のテストおよび測定ベンダや業界専門家は、これらのバスの1つが、それ自体ですべての計測器ニーズに対するソリューションを示すと断言しています。実際には、各バスには独自の長所があるため、将来のテストおよび測定システムでは複数のバス技術が共存し続ける可能性が最も高いでしょう。今日のテストエンジニアの課題は、すべてのアプリケーションを標準化する単一のバスまたはプラットフォームを選択することではなく、特定のアプリケーションまたはアプリケーションの特定の部分に適したバスまたはプラットフォームを選択することです。

このホワイトペーパーでは、最も一般的な計装バスを正面から比較することにより、テストエンジニアはアプリケーション固有のニーズを満たすバスおよびプラットフォーム技術を選択する際に十分な情報に基づいた意思決定を行うことができます。以下に説明する特定のバス技術には、GPIB、USB、PCI、PCI Express、イーサネット/LAN/LXIなどがあります。

まず、評価と比較の基準を設定するために、計測器制御バスに関連する性能基準の概要を示すことが重要です。

帯域幅

さまざまなバスの技術的利点を考慮する上で、帯域幅とレイテンシは2つの最も重要なバス特性です。帯域幅は、データがバス上で送信される速度を、通常、メガバイト/秒で表します。高帯域幅のバスは、低帯域幅のバスよりも多くのデータを同じ時間内に転送することができます。ほとんどのユーザは帯域幅の重要性を認識しています。それは帯域幅が、集録または生成された速度でバスを介して共有ホストプロセッサにデータを送信できるかどうか、および計測器に必要なオンボードメモリの容量がどれほどかに影響するためです。帯域幅は、複雑な波形の生成や集録、RFおよび通信アプリケーションなどのアプリケーションで重要です。また、高速データ転送は、仮想および複合計測アーキテクチャにとって特に重要です。仮想または複合計測の機能と独自の特性はソフトウェアによって定義されます。ほとんどの場合、これは、データの処理および解析するためにデータをホストPCに移動する必要があることを意味します。図1は、このガイドで検討したすべての計測器バスの帯域幅 (およびレイテンシ) を示しています。

レイテンシ

レイテンシはバス上におけるデータ転送の遅延の測定値です。計測器バスを高速道路にたとえると、帯域幅はレーンの数と移動速度にあたり、レイテンシは進入レーンと出口レーンで発生する遅延にあたります。レイテンシが低い（良い）バスは、データが一方で転送されてからもう一方で処理されるまでの間の遅延が少なくて済みます。レイテンシは帯域幅ほど簡単に確認できるわけではありませんが、デジタルマルチメータ（DMM）とスイッチ間のハンドシェイクや計測器構成など、短く細切れのコマンドが素早く連続してバス上に送信されるアプリケーションにおいては直接的な影響を与えます。

メッセージとレジスタベースの通信

メッセージベースの通信を使用するバスでは、この通信モードによってコマンド解釈やデータのパディングなどのオーバーヘッドが追加されるため、通常低速です。レジスタベースの通信では、データ転送は、デバイス上のハードウェアレジスタとの間でバイナリデータを直接読み書きすることで行われます。その結果、データ転送が高速になります。レジスタベースの通信プロトコルは、相互接続が物理的に短く、最高のスループットを必要とする内部PCバスに最もよく使用されます。メッセージベースの通信プロトコルは、より長距離で、オーバーヘッドコストが高い場合にデータを転送する場合に便利です。レイテンシおよび帯域幅メトリックは、バスがメッセージまたはレジスタベースの通信を使用するかどうかに部分的に依存するため、このパラメータはこれらのメトリックで部分的にキャプチャされることに注意してください。

ロングレンジ性能

リモート監視アプリケーションや地理的に広範囲な測定を行うシステムでは、レンジが重要になります。このカテゴリのパフォーマンスは、レイテンシとのトレードオフとみなすことができます。これは、長いケーブルでデータを送信するという物理的な制限を克服するために追加されたエラーチェックとメッセージパディングによって、データの送受信に遅延が追加される可能性があるためです。

計測器のセットアップとソフトウェアのパフォーマンス

計測器のセットアップとソフトウェア性能の使いやすさは、ここで検証された最も主観的な基準です。それでも、議論することは重要です。計測器のセットアップは、「すぐに使用できる」状態とセットアップ時間を示します。ソフトウェアのパフォーマンスは、ユーザが計測器との通信や制御を行う対話式ユーティリティやVISAなどの標準プログラミングAPIを簡単に見つけられるかどうかに関係します。

コネクタの堅牢性

バス用の物理コネクタは、工業用アプリケーションに適しているかどうか、また計測器とシステムコントローラ間の接続の「耐久性」を高めるために追加作業が必要かどうかに影響します。図2は、複数の計装バスコネクタの写真を示しています。

GPIB

最初に紹介するバスは、GPIB（General-purpose Interface Bus）として知られるIEEE 488バスです。GPIBは計測器制御アプリケーション専用に設計された実績のあるバスです。GPIBは、堅牢で信頼性の高い通信バスとして30年もの間知られており、レイテンシが低く許容可能な帯域幅が広いため、今でも計測器制御で最も一般的に選択されています。現在、業界で最も広く採用されており、GPIB接続を備えた計測器のモデルは10,000を超えます。

約1.8 MB/sの最大帯域幅は、スタンドアロン計測器との通信と制御に最適です。最近の高速リビジョンであるHS488では、帯域幅が最大8 MB/sに拡大されました。転送はメッセージベースで、多くの場合ASCII文字の形式です。複数のGPIB計測器を合計20 m離れた場所までケーブル接続でき、帯域幅はバス上のすべての計測器間で共有されます。比較的低い帯域幅にもかかわらず、GPIBのレイテンシはUSBおよび特にイーサネットのレイテンシよりも大幅に低くなっています (つまり優れています)。システムに接続されている場合、GPIB計測器は自動検出も自動構成も行いません。ただし、GPIBソフトウェアは使用可能なもののうち最適であり、堅牢なケーブルとコネクタは要求の最も厳しい物理環境に適しています。GPIBは、既存の計測器の自動化や高度に特化された計測器を必要とするシステムに最適です。

USB

USB（ユニバーサルシリアルバス）は、コンピュータ周辺機器を接続するために近年普及しています。その普及はテストと測定の分野にも及び、計測器にUSBデバイスコントローラ機能を追加する計測器ベンダが増えています。

Hi-Speed USBの最大転送レートは60 MB/sで、計測器の接続や、1 MS/s未満のデータレートを持つスタンドアロン計測器や一部の仮想計測器の制御に魅力的な代替手段です。ほとんどのノートパソコン、デスクトップパソコン、およびサーバには複数のUSBポートが装備されている場合がありますが、これらのポートは通常すべて同じホストコントローラに接続するため、USB帯域幅はすべてのポート間で共有されます。USBのレイテンシは (低速側のイーサネットと高速側のPCIとPCI Expressの間として) 適切というカテゴリに分類され、ケーブル長は5 mに制限されています。USBデバイスには自動検出の利点があります。つまり、LANやGPIBなどの他のテクノロジとは異なり、ユーザがデバイスを接続すると、USBデバイスはPCによって即座に認識および構成されます。USBコネクタは、ここで検討したバスの中で堅牢性と安全性が最も低いものです。ケーブルを所定の位置に固定するために外部ケーブルタイが必要になる場合があります。

USBデバイスは、携帯型測定、ラップトップやデスクトップによるデータロギング、車内データ集録を伴うアプリケーションに最適です。USBはほとんどのPCに装備されておりプラグアンドプレイで簡単に使用できるため、スタンドアロン計測器の通信バスとしての使用が普及しました。USB Test and Measurement Class（USBTMC）規格は、さまざまなテストおよび計測デバイスの通信要件を記載しています。

PCI

PCIとPCI Expressは、ここで検討したすべての計測器バスのうち、帯域幅とレイテンシについて最高の仕様を実現しています。PCIの帯域幅は132 MB/sで、その帯域幅はバス上のすべてのデバイスで共有されます。ベンチマークでは、イーサネットの1 msと比較して、PCIのレイテンシパフォーマンスは700 nsと卓越しています。PCIはレジスタベースの通信を使用します。ここで説明している他のバスとは異なり、PCIは外部計測器との接続にケーブルを使用しません。代わりに、PCプラグインカードや、PXIなどのモジュール式計測システムで使用される内部PCバスであるため、離れた場所での測定は直接適用されません。ただし、PXIシステムに接続する場合、NI光ファイバMXIインタフェースを使用すれば、PCIバスの接続を最大200 mまで延長できます。PCI接続はコンピュータの内部にあるため、コネクタの堅牢性は、それが取り付けられているPCの安定性と堅牢性によって制限されると考えることが妥当です。PCI信号を中心に構築されたPXIモジュール式計測器システムは、高性能バックプレーンコネクタと複数のネジ留め式端子を使用してこの接続を改善し、接続を所定の位置に固定します。PCIまたはPXIモジュールを配置して起動すると、Windowsはモジュールのドライバを自動的に検出してインストールします。

PCI (およびPCI Express) がイーサネットおよびUSBと共通する利点は、PCで共通に使用できることです。PCIは、PC業界史上最も広く採用されている規格の1つです。現在、すべてのデスクトップPCにはPCIスロット、PCI Expressスロット、またはその両方が装備されています。一般に、PCI計測器は、ハードウェアを計測器自体に組み込んでおらず、計測器のホストとなっているPCの電源、プロセッサ、ディスプレイ、およびメモリに依存するため、低コストを実現できます。

PCI Express

PCI ExpressはPCIに類似しています。これは、Hi-Speed USBがUSBに変わるのと同様に、PCI規格の最新の進化です。したがって、上記のPCIの評価の多くは、PCI Expressにもあてはまります。

PCIとPCI Expressのパフォーマンスの主な違いは、PCI Expressは帯域幅の広いバスであり、各デバイスに専用の帯域幅を提供することです。このチュートリアルで取り上げているすべてのバスのうち、バス上の各周辺機器に専用の帯域幅を提供するのはPCI Expressのみです。GPIB、USB、およびLANでは、接続された周辺機器間で帯域幅が分割されます。データは、レーンと呼ばれるポイントツーポイント接続を介して、方向ごとに250 MB/sで送信されます。各PCI Expressリンクは複数のレーンで構成できるため、PCI Expressバスの帯域幅は、スロットとデバイスでの実装方法によって異なります。x1 (1倍) リンクは250 MB/s、x4リンクは1 GB/s、x16リンクは4 GB/sの専用帯域幅を提供します。PCI Expressはソフトウェアの下位互換性を実現します。つまり、ユーザはPCI Express規格に移行しても、PCIへのソフトウェア投資を維持できます。PCI Expressは外部ケーブルで延長することもできます。

高速内部PCバスは高速通信用に設計されています。そのため、PCIおよびPCI Expressは、広い帯域幅が必要な高性能でデータ集約型のシステムや、複数のタイプの計測器を統合および同期するための理想的なバスとして選択できます。

イーサネット/LAN/LXI

イーサネットは長い間、計測器制御オプションとして存在してきました。これは成熟したバス技術であり、テストおよび計測以外の多くのアプリケーション領域で幅広く使用されています。100BaseTイーサネットの理論上の最大帯域幅は12.5 MB/sです。ギガビットイーサネット (1000BaseT) では最大帯域幅が125 MB/sに向上します。いずれの場合でも、イーサネットの帯域幅はネットワーク全体で共有されます。125 MB/sのギガビットイーサネットは理論的にはHi-Speed USBより高速ですが、複数の計測器や他のデバイスがネットワーク帯域幅を共有している場合、このパフォーマンスは急速に低下します。バスに沿った通信はメッセージベースであり、通信パケットではデータ送信に大きなオーバーヘッドが発生します。このため、イーサネットは、このチュートリアルで取り上げているバス技術のうち、レイテンシが最も悪いものです。

それにもかかわらず、イーサネットは依然として、分散システムのネットワークを作成するための強力なオプションです。リピータがなくても最大85～100 mの距離で動作し、リピータを使用すれば距離制限はありません。他のバスでは、制御元のPCまたはプラットフォームからこの範囲の距離まで離すことはできません。GPIBと同様に、イーサネット/LANでは自動設定は利用できません。計測器にIPアドレスとサブネット構成を手動で割り当てる必要があります。USBやPCIと同様に、イーサネット/LAN接続は最近のPCではごく一般的に利用できます。そのため、イーサネットは分散システムやリモート管理などに適しています。多くの場合、他のバスおよびプラットフォームテクノロジと組み合わせて使用され、測定システムノードを接続します。これらのローカルノード自体は、GPIB、USB、およびPCIに依存する測定システムで構成されている場合があります。物理的なイーサネット接続はUSB接続よりは堅牢ですが、GPIBやPXIほど堅牢ではありません。

LXI (LAN eXtenstions for Instrumentation) は、新しいLANベースの規格です。LXI規格は、トリガ機能と同期機能を追加するイーサネット接続を備えたスタンドアロン計測器の仕様を定義しています。

単一のバスまたは通信規格を「究極の」または「理想的な」技術として指定すると概念的には理解しやすいのですが、バスの各技術には固有の長所と短所があるため、いくつかの代替規格が共存し続ける可能性が高いことが歴史的に示されています。表1は、前のセクションのパフォーマンス基準をまとめたものです。単一のバスがパフォーマンスのすべての基準において優れているとは限らないことが、この表からわかります。

	帯域幅 (MB/s)	レイテンシ (µs)	範囲 (m) (エクステンダーなし)	設定と取り付け	コネクタの堅牢性
GPIB	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	良	最適
USB	60 (Hi-Speed)	1000（USB） 125 (Hi-Speed)	5	最適	良
PCI	132	0.7	内部PCバス	優れた	適 最適 (PXIの場合)
PCI Express	250 (x1) 4000（x16）	0.7 (x1) 0.7 (x4)	内部PCバス	優れた	適 最適 (PXIの場合)
イーサネット/LAN/LXI	12.5 (ファスト) 125 (ギガビット)	1,000 (ファスト) 1,000 (ギガビット)	100 m	良	良

テストシステムの開発者は、ハイブリッドシステムを作成することで、複数のバスとプラットフォームの利点を活用できます。ハイブリッドテスト/測定システムは、PXIやVXIなどのモジュール式計測器プラットフォームからのコンポーネントと、GPIB、USB、イーサネット/LANを介して接続するスタンドアロン計測器を組み合わせたものです。ハイブリッドシステムを作成および維持するための鍵の1つは、複数のバス技術を透過的に認識し、PXIなどのオープンなマルチベンダコンピューティングプラットフォームを利用してI/O接続性を実現するシステムアーキテクチャを実装することです。

ハイブリッドシステムの開発を成功させるためのもう1つの鍵は、ドライバ、アプリケーション、およびテストシステム管理のレベルで選択するソフトウェアが確実にモジュール化されていることです。一部のベンダは特定の計測器に垂直的なソフトウェアソリューションを提供している場合がありますが、最も便利なシステムアーキテクチャは、ソフトウェア機能を交換可能なモジュール式階層に分割して、システムが特定のハードウェアや特定のベンダに縛られないようにするものです。この階層化されたアプローチは、最適なコードの再利用、モジュール性、および長寿命を提供します。たとえば、VISA (Virtual Instrument Software Architecture) は、GPIB、VXI、シリアル (RS232/485)、イーサネット、USB/IEEE 1394インタフェースなどの計測システムにおける構成、プログラミング、およびトラブルシューティングのベンダ非依存規格です。VISA機能をプログラミングするためのAPIは、さまざまな通信インタフェースで類似しているため、これは便利なツールです。

ハイブリッドシステムを使用すると、レガシー機器や特殊化されたデバイスなど、さまざまなタイプの計測器の長所を組み合わせることができます。計測器用に万能なソリューションを見つけるのは魅力的ですが、実際には、計測器とそれに関連するバス技術を特定のアプリケーションのニーズに適合させる必要があります。

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