仪器总线性能：了解用于仪器控制的竞争总线技术

今天，USB、PCI Express和以太网/LAN作为仪器控制的有效通信选项而备受关注。有些测试和测量供应商和行业权威人士称,这些总线中的某一种,其本身就代表了所有仪器需求的解决方案。实际上,未来的测试和测量系统很可能仍然会同时采用多种总线技术,因为每种总线都有独特的优势。当今测试工程师面临的挑战不是选择单个总线或平台来标准化每个应用程序，而是选择适合特定应用程序甚至应用程序特定部分的总线或平台。

本文从头到尾比较了最常用的仪器总线，以帮助测试工程师在选择总线和平台技术以满足特定应用需求时做出明智的决策。下文讨论的具体总线技术包括GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太网/LAN/LXI。

首先,必须概述仪器控制总线的相关性能标准,以便为评估和比较设置基线。

带宽

在考虑其他总线的技术优点时，带宽和延迟是需要考虑的两个最重要的总线特性。带宽衡量的是通过总线发送数据的速率，通常以MB/s（106字节每秒）为单位。高带宽总线在给定周期内传输的数据比低带宽总线更多。大多数用户都认识到了带宽的重要性，因为带宽会影响能否以采集和生成速率在总线与共享主机处理器之间传输数据，同时还决定着仪器所需的板载内存。带宽对于复杂波形生成和采集等应用以及RF和通信应用十分重要。高速数据传输对于虚拟和合成仪器架构尤其重要。虚拟或合成仪器的功能和特性由软件定义；在大多数情况下，这意味着数据必须移至主机PC进行处理和分析。图1显示了本指南中介绍的所有仪器总线的带宽（和延迟）。

延迟

延迟衡量的是通过总线传输数据产生的延迟。打个比方，如果将仪器总线比作高速公路，带宽则对应于车道数量和行驶速度，而延迟则对应于入口匝道和驶出匝道引入的延迟。低（越低越好）延迟总线在一端发送数据与另一端处理数据之间产生的延迟较短。延迟虽然比带宽更难以观测，但是会直接影响需要通过总线快速连续地发送间断性短命令的应用，例如DMM和开关之间的握手以及仪器配置等。

消息与基于寄存器的通信

使用基于消息的通信的总线通常较慢，因为这种通信模式以命令解释和数据填充的形式增加了开销。在基于寄存器的通信中，数据传输是通过直接写入和读取设备硬件寄存器的二进制数据实现的，传输速度更快。基于寄存器的通信协议在内部PC总线上最为常见，这些总线的物理互连较短，需要最高的吞吐率。基于消息的通信协议可用于在较长距离上传输数据，且开销较高。应注意的是，总线使用消息通信还是基于寄存器的通信，延迟和带宽指标部分取决于这些指标，因此该参数部分包含在这些指标中。

长期性能

对于远程监控应用和涉及大范围测量的系统，量程变得非常重要。由于错误检查和消息填充可克服通过较长线缆发送数据的物理限制，因此此类性能可视为延迟的折衷。

仪器设置和软件性能

仪器设置和软件性能的易用性是最主观的标准。然而,重要的是要进行讨论。仪器设置描述了“开箱即用”的体验和设置时间。软件性能取决于用户查找交互式工具或标准编程API（如VISA）与仪器进行通信和控制的难易程度。

连接器的耐用性

总线的物理连接器会影响其是否适用于工业应用，以及是否需要额外的努力来“加固”仪器和系统控制器之间的连接。图2显示了几种仪器总线连接器的照片。

GPIB

我们将看到的第一条总线是IEEE 488总线，通常称为GPIB（通用接口总线）。GPIB是专为仪器控制应用而设计的成熟总线。作为一种强大可靠的通信总线，GPIB已经应用了30年，由于具有低延迟和可接受的带宽，至今仍然是仪器控制中最常应用的通信总线。GPIB目前在行业中的应用最为广泛,市场上有10,000多种仪器型号采用GPIB连接。

GPIB的最大带宽约为1.8 MB/s，非常适合用于独立仪器的通信和控制。最新的高速版本HS488将带宽提高至8 MB/s。数据传输基于消息实现，这些消息通常采用ASCII字符的形式。多台GPIB仪器可以通过电缆连接，总距离可长达20 m，并且带宽由总线上的所有仪器共享。虽然带宽相对较低，但GPIB延迟显著低于（优于）USB，尤其低于以太网。GPIB仪器在连接到系统后不会自动检测或自动配置；但是GPIB Software仍是最佳选择之一，而且坚固耐用的电缆和连接器也适用于恶劣的物理环境。无论是实现现有设备自动化的应用，还是需要高度专业化仪器的系统，GPIB都是它们的理想选择。

USB

USB（通用串行总线）近年来已广泛用于连接计算机外设。这种趋势已经扩展到测试和测量领域,越来越多的仪器供应商在仪器中添加了USB设备控制器功能。

高速USB的最大传输速率为60 MB/s，因此对于数据速率低于1 MS/s的独立仪器和一些虚拟仪器的仪器连接和控制而言，是一种极具吸引力的替代方案。虽然大多数笔记本电脑、台式机和服务器可能配有多个USB端口，但这些端口通常都连接到同一个主机控制器，因此USB带宽要由所有端口共享。USB的延迟相对较短（介于延迟最长的以太网和延迟最短的PCI和PCI Express之间），并且电缆长度最长为5m。USB设备可自动检测，这意味着与LAN或GPIB等其他技术不同，当用户将USB设备连接至PC时会立即被PC识别和配置。在本文所介绍的所有总线中，USB连接器的可靠性和安全性最低。可能需要使用外部电缆扎带将其固定到位。

USB设备非常适合于需要采用便携式测量、笔记本电脑或台式数据记录以及车载数据采集的应用。由于总线在PC上无所不在，尤其是其即插即用的易用性，总线已成为独立仪器的普遍通信选择。USB测试和测量类(USBTMC)产品规范可满足各种测试和测量设备的通信要求。

PCI

在本文介绍的所有仪器总线中，PCI和PCI Express的带宽和延迟性能最为出色。PCI带宽为132 MB/s，由总线上的所有设备共享。PCI延迟性能非常出色，以700 ns为基准，而以太网延迟为1 ms。PCI总线基于寄存器进行通信。与本文提到的其他总线不同，PCI不能连接外部仪器。它是一种用于PC插入卡和模块化仪器系统（如PXI）的内部PC总线，因此无法直接测量距离。尽管如此，当连接到PXI系统时，使用NI光纤MXI接口，PCI总线可以延长至200 m。因为PCI连接位于计算机内部，我们可以认为，连接器的可靠性受其所在PC的稳定性和耐用性限制。PXI模块化仪器系统基于PCI信号构建，通过高性能背板连接器和多个螺栓端子增强了连接性，保持连接到位。在插入PCI或PXI模块后启动，Windows就会自动检测并安装模块的驱动程序。

PCI（和PCI Express）与以太网和USB共享的一个优点是它们可在PC上通用。PCI是PC行业历史上应用最广泛的标准之一。如今，每台台式机都有PCI插槽或PCI Express插槽，或两者兼而有之。通常，PCI仪器的成本较低，因为它们依赖于托管它们的PC的电源、处理器、显示器和存储器运行,而不是将以上硬件并入仪器本身中。

PCI Express

PCI Express和PCI类似，与高速USB至USB类似，它是PCI标准的最新发展。因此，前文对PCI的大部分评价也适用于PCI Express。

PCI和PCI Express性能的主要区别在于PCI Express具有更高的带宽，并为每个设备提供专用带宽。在本指南涵盖的所有总线中，只有PCI Express为总线上的每个外设提供专用带宽。对于GPIB、USB和LAN，带宽均由所连接的外设共享。数据通过点对点连接传输，这些连接称为通道，第1代链路每个方向的传输速率为250 MB/s。每个PCI Express链路可以由多个通道组成，因此PCI Express总线的带宽取决于其在插槽和设备中的实现方式。x1链路（单个通道）、x4链路和x16链路分别提供250 MB/s、1 GB/s和4 GB/s的专用带宽。请注意，PCI Express实现了软件向后兼容性，意味着迁移到PCI Express标准的用户可以保留其采用PCI时进行的软件投资。PCI Express也可通过外部电缆进行扩展。

高速的内部PC总线专为快速通信而设计。因此，PCI和PCI Express是需要大带宽的高性能数据密集型系统，以及集成和同步多种类型仪器的理想总线选择。

以太网/LAN/LXI

以太网长期以来一直用于仪器控制。它是一种成熟的总线技术，已广泛用于测试和测量以外的其他许多应用领域。100BaseT以太网理论上的最大带宽为12.5 MB/s。千兆以太网或1000BaseT将最大带宽提高到125 MB/s。在所有情况下，以太网带宽都在网络上共享。125 MB/s千兆以太网的速度在理论上要比高速USB快，但是当多台仪器和其他设备共享网络带宽时，该性能会迅速下降。总线上的通信基于消息，其中通信数据包显著增加了数据传输的开销。因此，以太网的延迟性能在本指南所介绍的总线技术中最差。

尽管如此，以太网仍然是创建分布式系统网络时的上佳之选。在不使用中继器的情况下，以太网的工作距离长达85 m到100 m，在使用中继器时不存在距离限制。它与控制PC或平台的分离距离是其他总线无法比拟的。与GPIB一样，以太网/LAN无法进行自动配置。用户必须以手动方式为仪器分配IP地址和进行子网配置。与USB和PCI一样，以太网/LAN连接也普遍应用于现代PC中。这使得以太网非常适用于分布式系统和远程监测应用。它通常与其他总线和平台技术结合使用，用以连接测量系统节点。这些本地节点本身可以由基于GPIB、USB和PCI的测量系统组成。物理以太网连接的可靠性高于USB连接，但不如GPIB或PXI。

LXI（用于仪器的LAN扩展）是一种基于LAN的新兴标准。LXI标准定义了采用以太网连接的独立仪器的规范，增加了触发和同步特性。

尽管从概念上说,将某个总线或通信标准指定为“最终”或“理想”技术较为方便,但历史经验表明,多种替代标准可能会持续共存,因为每种总线技术都有其独特的优点和缺点。表1汇总了前文所述各种总线的性能标准。我们应该清楚，没有一种总线的所有性能指标都优于其他总线。

	带宽(MB/s)	延迟(µs)	范围(m)（不带延长器）	设置和安装简易性	连接器坚固耐用性
GPIB	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	好	最好
USB	60（高速）	1000 (USB) 125（高速）	5	最好	良好
PCI	132	0.7	内部PC总线	性能	较好 最佳（适用于PXI平台）
PCI Express	250 (x1) 4000 (x16)	0.7 (x1) 0.7 (x4)	内部PC总线	性能	较好 最佳（适用于PXI平台）
以太网/LAN/LXI	12.5（快速） 125（千兆比特）	1000（快速） 1000（千兆位）	100 m	好	良好

测试系统开发人员可以通过创建混合系统来发挥多种总线和平台的优势。混合测试测量系统结合了模块化仪器平台（如PXI和VXI）的组件，以及通过GPIB、USB和以太网/LAN连接的独立仪器。创建和维护混合系统的一个关键是，实现一个能够透明地识别多种总线技术并利用开放的多供应商计算平台（例如PXI）的系统架构，以实现I/O连接。

成功开发混合系统的另一个关键是，确保在驱动程序、应用程序和测试系统管理级别选择的软件具有模块化设计。虽然有些供应商可能为特定仪器提供垂直软件解决方案,但最有用的系统架构是将软件功能分解为可互换的模块化层,从而使系统既不依赖特定硬件,也不依赖特定供应商。这种分层方法有助于最大限度地实现代码复用和模块化，并能延长使用寿命。例如，虚拟仪器软件架构(VISA)是一种不依赖于供应商的软件标准，用于配置和编程基于GPIB、串行(RS232/485)、以太网、USB和/或IEEE 1394接口的仪器系统以及对其进行故障排除。VISA是一款非常有用的工具，因为对于各种通信接口而言，用于编程VISA函数的API都是类似的。

借助混合系统，您可以结合许多类型仪器的优势，包括传统设备和专用设备。虽然找到通用的仪器解决方案非常有吸引力,但在现实中,测试工程师需要采用合适的仪器和相关总线技术来满足特定的应用需求。

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