인스트루먼트 버스 성능: 인스트루먼트 제어를 위한 경쟁 버스 기술 이해하기

오늘날 USB, PCI Express, 이더넷/LAN은 계측기 제어를 위한 매력적인 통신 옵션으로 주목받고 있습니다. 일부 테스트 및 측정 제조업체와 업계 전문가들은 이러한 버스 중 하나가 모든 계측 요구를 충족하는 솔루션이라고 주장했습니다. 실제로, 각 버스마다 강점이 있으므로 향후 테스트 및 측정 시스템에서 두 개 이상의 버스 기술이 계속 공존할 가능성이 높습니다. 오늘날 테스트 엔지니어의 과제는 모든 어플리케이션을 표준화할 단일 버스나 플랫폼을 선택하는 것이 아니라 특정 어플리케이션 또는 어플리케이션의 특정 부분에 적합한 버스나 플랫폼을 선택하는 것입니다.

이 문서는 가장 널리 사용되는 계측 버스에 대한 상호 비교를 제시하여 테스트 엔지니어가 어플리케이션별 요구사항에 맞는 버스 및 플랫폼 기술을 선택할 때 정보에 기반한 결정을 내릴 수 있도록 합니다. 아래에 설명된 특정 버스 기술에는 GPIB, USB, PCI, PCI Express, 이더넷/LAN/LXI가 포함됩니다.

먼저, 평가 및 비교의 기준을 설정하기 위해 계측기 제어 버스의 관련 성능 기준을 요약하는 것이 중요합니다.

대역폭

대체 버스의 기술적 장점을 고려할 때, 대역폭과 지연 시간은 버스의 매우 중요한 특징 중 하나입니다. 대역폭은 일반적으로 MB/s (초당 10⁶ 바이트) 단위로 측정합니다. 대역폭이 높은 버스는 대역폭이 낮은 버스보다 주어진 기간에 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 대부분의 사용자는 대역폭의 중요성을 인식합니다. 이는 데이터가 수집 또는 생성되는 속도만큼 버스를 통해 공유 호스트 프로세서로 또는 그 반대로 전송될 수 있는지 여부와 계측에 필요한 내장 메모리의 용량에 영향을 미치기 때문입니다. 대역폭은 RF 및 통신 어플리케이션뿐만 아니라 복잡한 웨이브폼 생성 및 수집과 같은 어플리케이션에서도 중요합니다. 고속 데이터 전송은 특히 버추얼 및 합성 계측기 아키텍처에서 중요합니다. 버추얼 또는 합성 계측기의 기능과 특성은 소프트웨어에 의해 정의됩니다. 대부분의 경우, 이는 데이터를 처리 및 분석하기 위해 호스트 PC로 이동해야 함을 의미합니다. 그림 1은 이 문서에서 검토한 모든 계측 버스의 대역폭 (및 지연 시간)을 차트로 보여줍니다.

지연 시간

지연 시간은 버스를 통한 데이터 전송의 지연을 측정합니다. 비유하자면, 계측 버스를 고속도로에 비교할 수 있고 대역폭은 차선의 수와 이동 속도에 해당하며, 지연 시간은 진출입로에서 발생하는 지연에 해당합니다. 지연 시간이 낮은 (즉, 우수한) 버스는 한쪽에서 데이터가 전송되어 다른 쪽에서 처리되기까지의 지연이 더 적습니다. 지연 시간은 대역폭보다 덜 뚜렷하게 나타나지만, DMM과 스위치 간의 핸드셰이킹 및 계측기 설정과 같이 버스를 통해 짧고 빠른 명령이 연속적으로 전송되는 어플리케이션에 직접적인 영향을 미칩니다.

메시지와 레지스터 기반 통신의 비교

메시지 기반 통신을 사용하는 버스는 일반적으로 더 느립니다. 이 통신 방식은 명령 해석과 데이터 주변의 패딩 형태로 오버헤드가 추가되기 때문입니다. 레지스터 기반 통신의 경우, 디바이스의 하드웨어 레지스터에 2진 데이터를 직접 쓰고 읽어서 데이터 전송이 이루어지므로 전송 속도가 빨라집니다. 레지스터 기반 통신 프로토콜은 상호연결이 물리적으로 더 짧고 가장 높은 처리량이 필요한 내부 PC 버스에서 가장 일반적입니다. 메시지 기반 통신 프로토콜은 오버헤드 비용이 더 높을 수 있는 거리에서 데이터를 전송하는 데 유용합니다. 지연 시간과 대역폭 메트릭스는 버스가 메시지 또는 레지스터 기반 통신을 사용하는지 여부에 부분적으로 의존하므로 이 파라미터는 해당 메트릭스에서 부분적으로 반영됩니다.

장거리 성능

원격 모니터링 어플리케이션 및 광범위한 지리적 영역을 측정하는 시스템의 경우, 범위는 매우 중요합니다. 이 범주의 성능은 지연 시간과의 트레이드오프로 볼 수 있습니다. 더 긴 케이블로 데이터를 전송할 때의 물리적 한계를 극복하기 위해 추가되는 에러 검사 및 메시지 패딩이 데이터 송수신에 지연을 초래할 수 있기 때문입니다.

인스트루먼트 설정 및 소프트웨어 성능

인스트루먼트 설정 및 소프트웨어 성능 측면에서의 사용 편의성은 여기에서 검토된 기준 중 가장 주관적인 항목입니다. 그러나 이 문제는 논의해야 할 필요가 있습니다. 인스트루먼트 설정은 "박스에서 꺼내 바로 사용하는" 경험과 설정 시간을 나타냅니다. 소프트웨어 성능은 사용자가 대화형 유틸리티나 VISA와 같은 표준 프로그래밍 API를 쉽게 찾아 인스트루먼트와 통신하고 제어할 수 있는 정도와 관련됩니다.

커넥터의 견고성

버스의 물리적 커넥터는 해당 버스가 산업용 어플리케이션에 적합한지, 그리고 인스트루먼트와 시스템 컨트롤러 간의 연결을 "견고하게" 하기 위한 추가적인 노력이 필요한지 여부에 영향을 미칩니다. 그림 2는 여러 계측 버스 커넥터의 사진을 보여줍니다.

GPIB

가장 먼저 살펴볼 버스는 흔히 GPIB (범용 인터페이스 버스)로 알려진 IEEE 488 버스입니다. GPIB는 계측기 제어 어플리케이션을 위해 특별히 설계된 검증된 버스입니다. GPIB는 30년 동안 견고하고 안정적인 통신 버스로 사용되었으며, 지연 시간이 적고 대역폭이 양호하여 여전히 계측기 제어를 위해 가장 널리 사용되고 있습니다. 현재는 1만 개 이상의 계측기 모델이 GPIB 연결을 지원하여 업계에서 가장 널리 사용되고 있습니다.

약 1.8 MB/s의 최대 대역폭을 가진 이 버스는 독립형 인스트루먼트와의 통신 및 제어에 가장 적합합니다. 보다 최근의 고속 리비전인 HS488은 대역폭을 최대 8 MB/s로 향상시켰습니다. 전송은 메시지 기반으로, 종종 ASCII 문자 형식으로 이루어집니다. 여러 개의 GPIB 계측기를 케이블로 연결하여 최대 총 20m의 거리까지 사용할 수 있으며, 대역폭은 버스에 연결된 모든 계측기들 간에 공유됩니다. 상대적으로 낮은 대역폭에도 불구하고, GPIB의 지연 시간은 USB, 및 특히 이더넷보다 훨씬 낮습니다(더 좋습니다). GPIB 계측기는 시스템에 연결될 때 자동 감지 또는 자동 설정을 하지는 않지만, GPIB 소프트웨어는 사용할 수 있는 소프트웨어 중 가장 뛰어나며, 견고한 케이블과 커넥터는 가장 까다로운 물리적 환경에도 적합합니다. GPIB는 기존 장비를 자동화하거나 고도로 특수화된 계측기가 필요한 시스템에 적합합니다.

USB

USB는 최근 몇 년간 컴퓨터 주변 장치를 연결하는 데 널리 사용되고 있습니다. 이러한 인기는 테스트 및 측정 분야로 확장되어, 점점 더 많은 계측기 제조업체가 USB 디바이스 컨트롤러 기능을 추가하고 있습니다.

Hi-Speed USB는 최대 전송 속도가 60 MB/s이므로, 데이터 속도가 1 MS/s 미만인 독립형 인스트루먼트 및 일부 버추얼 인스트루먼트의 연결과 컨트롤에 적합한 대안입니다. 대부분의 노트북, 데스크탑, 서버에는 여러 개의 USB 포트가 있지만, 이러한 포트는 일반적으로 모두 같은 호스트 컨트롤러에 연결되므로, USB 대역폭은 모든 포트에서 공유됩니다. USB의 지연 시간은 더 좋은 항목에 해당하며 (느린 엔드의 이더넷과 빠른 엔드의 PCI 및 PCI Express 사이), 케이블 길이는 5m로 제한됩니다. USB 디바이스는 자동 감지 기능을 활용하며, 이 기능은 LAN이나 GPIB와 같은 다른 기술과는 달리 사용자가 USB 디바이스를 연결할 때 PC에서 즉시 인식되어 구성됩니다. USB 커넥터는 여기에 설명된 버스 중에서 가장 약하고 안전하지 않은 커넥터입니다. 외부 케이블 연결이 필요한 때도 있습니다.

USB 디바이스는 휴대용 측정, 노트북 또는 데스크탑 데이터 로깅, 차량 내 데이터 수집과 같은 어플리케이션에 적합합니다. 이 버스는 PC에 널리 보급되어 있고, 특히 플러그 앤 플레이 방식의 사용 편의성 덕분에 독립형 인스트루먼트를 위한 보편적인 통신 옵션으로 자리 잡았습니다. USB 테스트 및 측정 클래스(USBTMC) 스펙은 다양한 테스트 및 측정 디바이스의 통신 요구 사항을 충족합니다.

PCI

PCI 및 PCI Express는 이 문서에서 살펴본 모든 인스트루먼트 버스 중에서 대역폭과 지연 시간 스펙이 가장 우수합니다. PCI 대역폭은 132MB/s이며, 해당 대역폭은 버스의 모든 디바이스에 공유됩니다. PCI 지연 시간 성능이 뛰어납니다. 이더넷의 경우 1ms이지만, PCI의 경우 700ns로 벤치마크됩니다. PCI는 레지스터 기반 통신을 사용합니다. 여기에 언급된 다른 버스와 달리, PCI는 외부 계측기에 케이블을 연결하지 않습니다. 대신 PC 플러그인 카드 및 PXI와 같은 모듈형 계측 시스템에서 사용되는 내부 PC 버스이므로 거리 측정이 직접 적용되지 않습니다. 그러나 PCI 버스는 PXI 시스템에 연결할 때 NI 광섬유 MXI 인터페이스를 사용하여 최대 200m까지 확장할 수 있습니다. PCI 연결은 컴퓨터 내부에서 이루어지므로, 해당 커넥터의 견고성은 커넥터가 있는 PC의 안정성과 견고성에 따라 제한을 받는다고 볼 수 있습니다. PCI 시그널링을 기반으로 하는 PXI 모듈형 인스트루먼트 시스템은 고성능 백플레인 커넥터와 다수의 나사 터미널을 통해 연결을 단단히 고정함으로써 이 연결성을 강화합니다. PCI 또는 PXI 모듈이 있는 상태로 부팅하면, Windows는 자동으로 모듈의 드라이버를 감지하여 설치합니다.

PCI(및 PCI Express)가 이더넷 및 USB와 공유하는 장점은 PC에서 범용으로 사용할 수 있다는 점입니다. PCI는 PC 산업 역사상 가장 널리 사용되는 표준 중 하나입니다. 현재 모든 데스크탑 PC에는 PCI 슬롯, PCI Express 슬롯 또는 양쪽 모두가 있습니다. 일반적으로 PCI 인스트루먼트는 해당 하드웨어를 인스트루먼트 자체에 통합하지 않고, 호스트 PC의 전원, 프로세서, 디스플레이, 메모리를 이용하기 때문에 비용을 절감할 수 있습니다.

PCI Express

PCI Express는 PCI와 유사합니다. 이는 PCI 표준의 최신 진화 형태로, 마치 Hi-Speed USB가 USB에 대해 그러하듯이 말입니다. 따라서 PCI에 대한 기존의 평가가 대부분 PCI Express에도 적용됩니다.

PCI 및 PCI Express 성능의 주된 차이점은 PCI Express가 더 높은 대역폭 버스이며 각 디바이스에 전용 대역폭을 제공한다는 점입니다. 이 문서에서 다룬 모든 버스 중 PCI Express만이 버스의 각 주변 장치에 전용 대역폭을 제공합니다. GPIB, USB, LAN은 연결된 주변 장치에 대역폭을 나누어 할당합니다. 데이터는 레인이라고 하는 포인트 투 포인트 연결을 통해 방향마다 250 MB/s의 속도로 전송됩니다. 각 PCI Express 링크는 여러 레인으로 구성될 수 있으므로, PCI Express 버스의 대역폭은 슬롯과 디바이스에서 레인이 구현되는 방식에 따라 달라집니다. x1(1레인) 링크는 250 MB/s, x4 링크는 1 GB/s, x16 링크는 4 GB/s의 전용 대역폭을 제공합니다. PCI Express는 소프트웨어 하위 호환성을 달성하므로, PCI Express 표준으로 전환하는 사용자는 기존 PCI 소프트웨어 투자를 그대로 보존할 수 있다는 점이 중요합니다. PCI Express는 외부 케이블 연결을 통해 확장할 수 있습니다.

고속 내부 PC 버스는 빠른 통신을 위해 설계되었습니다. 따라서 PCI 및 PCI Express는 큰 대역폭이 요구되는 고성능 데이터 집약형 시스템과 여러 종류의 인스트루먼트를 통합하고 동기화하는 데 이상적인 버스 선택지입니다.

이더넷/LAN/LXI

이더넷은 오래 전부터 계측기 제어 옵션으로 선택되어 왔습니다. 이는 성숙한 버스 기술로, 테스트 및 측정 외의 많은 어플리케이션에서 널리 사용되었습니다. 100BASE-T 이더넷의 이론적 최대 대역폭은 12.5MB/s입니다. 기가비트 이더넷 또는 1000BASE-T는 최대 대역폭을 125 MB/s로 증가시킵니다. 이더넷 대역폭은 언제나 네트워크를 통해 공유됩니다. 125MB/s에서 기가비트 이더넷은 이론적으로 고속 USB보다 빠르지만, 여러 계측기와 기타 디바이스가 네트워크 대역폭을 공유할 때 이러한 성능이 빠르게 저하됩니다. 버스를 통한 통신은 메시지 기반이며, 통신 패킷은 데이터 전송에 상당한 오버헤드를 더합니다. 이러한 이유로 이더넷은 이 튜토리얼에서 다룬 버스 기술 중 지연 시간이 가장 깁니다.

그러나 이더넷은 여전히 분산 시스템 네트워크를 구축하는 강력한 옵션입니다. 이더넷은 리피터 없이 최대 85~100 m 거리에서 작동할 수 있으며, 리피터를 사용하면 거리 제한 없이 작동 가능합니다. 이더넷만큼 제어하는 PC 또는 플랫폼에서 멀리 떨어져 사용할 수 있는 버스는 없습니다. GPIB와 마찬가지로 이더넷/LAN에서는 자동 설정 기능을 사용할 수 없습니다. 사용자는 수동으로 IP 주소와 서브넷 설정을 계측기에 할당해야 합니다. USB 및 PCI와 마찬가지로 이더넷/LAN 연결은 현대 PC에서 흔히 사용됩니다. 따라서 이더넷은 분산 시스템 및 원격 모니터링에 이상적인 선택입니다. 이더넷은 측정 시스템 노드를 연결하기 위해 다른 버스 및 플랫폼 기술과 함께 사용되는 경우가 많습니다. 이러한 로컬 노드는 GPIB, USB, PCI를 사용하는 측정 시스템에 연결될 수 있습니다. 물리적 이더넷 연결은 USB 연결보다 견고하지만 GPIB 또는 PXI 연결보다는 약합니다.

LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)는 새로운 LAN 기반 표준입니다. LXI 표준은 이더넷 연결을 갖춘 독립형 인스트루먼트에 트리거 및 동기화 기능을 추가하는 스펙을 정의합니다.

단일 버스 또는 통신 표준을 "최고" 또는 "이상적" 기술로 지정하는 것이 개념적으로는 편리하지만, 역사적으로 각 버스 기술이 가진 고유한 장단점 때문에 여러 대체 표준이 계속 공존할 가능성이 높습니다. 표 1에는 이전 섹션의 성능 기준이 정리되어 있습니다. 분명한 사실은 모든 성능 측정에서 하나의 버스만이 우수하다고 단정 지을 수 없다는 점입니다.

	대역폭(MB/초)	지연 시간(µs)	범위 (m)(확장기가 없는 경우)	설정 및 설치	커넥터 견고성
GPIB	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	좋음	가장 좋음
USB	60(Hi-Speed)	1000(USB) 125(Hi-Speed)	5	가장 좋음	좋음
PCI	132	0.7	내부 PC 버스	더 뛰어난	더 나음 최상(PXI용)
PCI Express	250 (x1) 4000 (x16)	0.7 (x1) 0.7 (x4)	내부 PC 버스	더 뛰어난	더 나음 최상(PXI용)
이더넷/LAN/LXI	12.5 (빠름) 125(기가비트)	1000 (빠름) 1000 (기가비트)	100m	좋음	좋음

테스트 시스템 개발자는 하이브리드 시스템을 생성하여 여러 버스와 플랫폼의 장점을 활용할 수 있습니다. 하이브리드 테스트 및 측정 시스템은 PXI, VXI와 같은 모듈형 인스트루먼트 플랫폼의 구성 요소와 GPIB, USB, 이더넷/LAN을 통해 연결되는 독립형 인스트루먼트를 결합합니다. 하이브리드 시스템을 생성하고 유지하는 핵심은 여러 버스 기술을 분명하게 파악하고 PXI와 같은 개방형 멀티벤더 컴퓨팅 플랫폼을 활용하여 I/O 연결을 달성하는 시스템 아키텍처를 구현하는 것입니다.

하이브리드 시스템을 성공적으로 개발하는 또 다른 핵심은 드라이버, 어플리케이션, 테스트 시스템 관리 수준에서 모듈화된 소프트웨어를 선택하는 것입니다. 일부 제조업체는 특정 계측기에 대해 수직 소프트웨어 솔루션을 제공할 수도 있지만, 가장 유용한 시스템 아키텍처는 소프트웨어 기능을 교환 가능한 모듈형 계층으로 분리하여 시스템이 특정 하드웨어와 특정 제조업체에 의존하지 않도록 하는 것입니다. 이러한 계층화된 접근 방식을 사용하면 코드 재사용, 모듈화, 수명 연장이 가능합니다. 예를 들어 VISA (Virtual Instrument Software Architecture)는 GPIB, VXI, 시리얼 (RS232/485), 이더넷, USB, IEEE 1394 인터페이스로 구성된 인스트루먼트 시스템을 설정, 프로그래밍 및 문제 해결하기 위한 제조업체 중립적인 소프트웨어 표준입니다. 이는 VISA 함수를 프로그래밍하는 API가 다양한 통신 인터페이스에서 유사하기 때문에 유용한 도구로 사용됩니다.

하이브리드 시스템을 사용하면 레거시 장비와 특수 디바이스를 포함한 여러 타입의 계측기가 가진 장점을 결합할 수 있습니다. 인스트루먼트를 위한 올인원 솔루션을 찾고 싶지만, 현실적으로 테스트 엔지니어는 인스트루먼트와 관련 버스 기술을 특정 어플리케이션 요구 사항에 맞춰야 합니다.

자동화 테스트 분야의 선두 기업인 NI는 차세대 테스트 시스템을 구축하기 위해 엔지니어가 필요로 하는 하드웨어 및 소프트웨어 제품을 제공하기 위해 노력하고 있습니다.

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