NI GPIB的优势

二十多年来,仪器控制一直有两条主要的总线 — — RS232串行总线和IEEE 488 GPIB，前者主要用于控制科学仪器和分析仪器，后者主要用于控制传统的测试测量设备。

虽然RS232端口在台式机和笔记本电脑上均可使用，但通过GPIB控制仪器需要使用特殊的控制器硬件。在考虑选择仪器控制硬件时，许多科学家和工程师通常只根据价格进行选择，错误地认为GPIB接口是一种商品，所有控制器都是平等的。

本白皮书探讨了GPIB控制器硬件的三个关键优异点，并介绍了可在测试测量系统所有领域实现显著改进的硬件和软件功能，包括更高效、更高效的应用程序开发、更快、更可靠的应用程序执行以及无忧的调试和维护。

为仪器控制系统购买GPIB控制器时，请记住，NI GPIB控制器在从开发到生产和维护的整个系统生命周期中具有三大优势，可帮助您节省时间和金钱。这三个领域是:

• 性能 - 凭借无可比拟的硬件吞吐量和高度优化的驱动程序软件,您可以在更短的时间内运行更多测试,从而提高整体效率并帮助您创建更多产品并获得更多收入
• 可靠性 - 硬件和软件的可靠性可让您高枕无忧,因为系统可长时间无错误地连续运行。这种可靠性可减少停机时间，节省时间和金钱
• 生产力 - 配置、疑难解答和调试工具、世界级的技术支持、事实上的工业标准应用程序编程接口(API ) , 在性能和效率上有所提高,但用户体验却持续了20多年,以及最广泛的操作系统支持,这些功能为您提供了最具生产力的开发环境,确保您可以用最少的时间和精力创建应用程序,从而再次节省宝贵的时间并帮助您更快地引入产品

在本白皮书的其余部分中，我们将重点介绍GPIB控制器硬件的这三个关键领域，并分析NI GPIB硬件和软件的具体功能。此外，我们还提供了与其他非NI GPIB硬件产品的比较，并探讨了NI解决方案在时间和金钱上的优势。

在继续讨论之前,必须指出,虽然这三个领域是分开讨论的,但不可能完全分开。例如，为了使驱动程序提供高可靠性和鲁棒性，可能会产生额外的内部开销，从而对性能产生负面影响。拥有最佳的GPIB Software和硬件组合就是在性能、可靠性和工作效率方面实现微妙的平衡。

判断GPIB硬件的整体性能时，最明显的规范是板卡的额定吞吐率。例如，板卡的最大吞吐率为700 kB/s、1.5 MB/s或8 MB/s？然而,除了这一评级之外,现在还要更详细地探讨其他一些重要因素。这些因素可组合为两个方面：1) 硬件速度和2) 驱动程序速度。

硬件速度

板卡上的最大吞吐率非常重要，因为它表示板卡通过GPIB传输数据的最快吞吐率。传输速度越快，在更短的时间内传输的数据就越多。这在生产测试环境中非常重要，因为将产品测试时间减少几毫秒可显著节省成本。查看GPIB板卡在不同传输大小下传输数据的速度也很重要。例如，使用小数据块和大数据块时，板卡的性能是否相同？板卡在数据传输块大小范围内的一致性如何？图1显示了NI PCI-GPIB在各种数据块大小下的性能。

图1.PCI-GPIB板卡的性能

如图表所示，最大NI PCI-GPIB传输速率大于1.5 MB/s，传输块大小为500 B时可达到大于1 MB/s的传输速率。此外，即使传输块大小小于500 B，板卡的性能仍然非常好。

NI通过自定义设计的GPIB ASIC实现上述性能提升。1997年以来设计的所有NI硬件均使用NI TNT GPIB ASIC。除了执行IEEE 488.2控制器/通话器/侦听器功能所需的自定义NAT4882电路之外，NI TNT ASIC还集成了Turbo488性能增强核心以及所需的GPIB收发器。此外，NI TNT ASIC包含一个板载FIFO，并能够进行DMA传输，这节省了CPU时间，因为当GPIB传输正在进行时，PC可以专注于其他任务。

相反，许多其他GPIB供应商在FPGA中使用GPIB功能。但是，FPGA不包含NI TNT ASIC提供的任何性能增强功能。此外，许多低成本板卡的硬件速度较差，因为它们不支持DMA且不包含板载FIFO。

NI TNT ASIC还提供其他功能以提高性能。NI TNT ASIC完全符合IEEE 488.1 T1延迟时间，确保仪器不会丢失数据，传输尽可能高效。此外，NI TNT ASIC对握手信号的响应时间非常快。最后，NI TNT ASIC提供IEEE标准488.1-2003定义的高速握手协议HS488。HS488协议定义了高达8 MB/s的数据吞吐率。如将NI GPIB控制器连接至支持HS488的仪器，用户可利用HS488的优势。

将NI PCI-GPIB与其他供应商的基于PCI的GPIB控制器的硬件性能进行比较，可以明显看出NI的优势。除了制造商评定的性能之外，还设立了一个测试，在该测试中，装有可编程电子负载的被测单元及其响应由示波器读取。这些仪器由非常简单的软件应用程序控制。该应用程序十分灵活，可在小数据块、大数据块或两者的混合中发送和接收数据。将NI GPIB硬件和低成本GPIB板卡的性能进行比较后发现，根据所用的板卡，性能可提高5～30%。这是一个显著的优势。例如，每班10小时，每台设备的测试时间为20秒，性能提高5～30%，即额外测试110～820台设备。在每周5天的工作时间内，该优势意味着测试了570至4120台设备。

驱动速度

虽然硬件速度可能是决定GPIB板卡整体性能的最重要因素，但驱动速度是板卡整体执行的另一个重要方面。驱动程序架构的设计好坏决定了其处理各种类型的GPIB调用的效率，包括GPIB数据传输以及GPIB总线管理调用和错误处理。

驱动程序处理的一项重要任务是串行轮询。GPIB标准要求控制器能够执行串行轮询，即轮询GPIB总线上的每个设备并确定哪个设备已请求服务。应用程序必须将一定的执行时间用于串行轮询，以确定总线上的哪些设备需要服务。此外，NI-488.2驱动程序还提供了一种自动轮询机制，利用应用程序和处理器的空闲时间在后台进行串行轮询。自动轮询不仅提高了PC资源的使用效率，而且通过执行自动轮询，驱动程序能够比原来更快地检测和响应服务请求。

除了轮询之外，驱动必须能够同步和异步传输。通过异步传输数据，仪器控制应用程序可将PC处理器的时间用于其他任务。例如，应用程序可以有两个同步循环，一个负责GPIB传输，另一个可执行其他分析或用户界面任务。

最后,由于NI GPIB驱动程序API是实际上的工业标准，成本较低的GPIB提供商通常会提供使用包装器的驱动程序，以响应对NI驱动程序的调用。由于这些驱动程序开发人员不了解NI驱动程序的内部架构和复杂性，因此无法优化驱动程序的性能。结果是这些封装的驱动程序性能较差。此外，驱动程序开发人员很少为NI驱动程序中的每个函数提供包装，这使得某些应用程序具有不可用的函数。

选择GPIB解决方案的第二个重要因素是可靠性，它不仅限于硬件可靠性，还包括软件可靠性和供应商可靠性。

硬件可靠性

使用高度可靠的硬件至关重要，因为它通常直接转化为成本节约。如硬件可靠且运行正常，可避免停机成本以及更换硬件和重新验证系统的成本。NI竭尽全力确保GPIB硬件的可靠性。有助于确保这一点的因素包括：

• 自定义ASIC - NI使用自定义TNT ASIC，其中包含近30年的GPIB工程技术。
• 高效设计 - 通过使用自定义ASIC，NI能够减少每个设计中的组件总数，从而降低失败的可能性。例如，某产品的平均故障间隔时间(MTBF)通常基于单个组件的MTBF计算。产品中组件的数量越少，MTBF就越好。
• 环境规范 - 大多数NI GPIB硬件在0～55 *C的温度下都能以相同的精度和可靠性运行（个别产品可能有所不同）。许多第三方GPIB板卡的额定值为0～40 *C，其功能与该范围的边沿越接近。
• 行业规范 - NI GPIB硬件符合最新的行业规范，包括IEEE 488.1-2003和PCI规范v 2.1。
• 制造效率 - GPIB供应商必须拥有可靠的制造流程,以获得高质量的产品。NI 生产 GPIB 产品已有 30 多年历史,通过优化工艺可提高产量并确保最高质量的产品。因此，GPIB产品的退货率极低。
• 硬件保修 - NI GPIB硬件提供三年保修，以确保在极少数情况下产品发生故障时无需承担维修费用。

软件可靠性

拥有可靠的软件可确保最少的停机时间，以及开发和部署GPIB应用程序所需的更多系统。NI-488.2驱动程序软件功能齐全，经过多年的开发。例如，使用NI-488.2可开发多线程应用程序，也可开发在多处理器或超线程系统上运行的应用程序。驱动程序已在这些类型的系统上进行了全面测试，以确保可靠、不间断的使用。

供应商可靠性

最后，GPIB供应商可在应用程序的整体可靠性方面发挥主要作用。 NI生产GPIB产品已有30多年的历史。我们在制造这些产品方面拥有丰富的专业知识,并且在支持较早的接口和提供相同的兼容API方面有着长期的记录。NI还通过了ISO 9001:2000认证，表明我们的内部流程符合行业标准，并进一步确保了产品的质量和可靠性。

除性能和可靠性外，生产率也是一个非常重要的因素。无论是在开发阶段，还是在系统和应用程序维护方面,都可以最大限度地提高工作效率。通过使用功能齐全、可用性高且架构稳定的驱动程序可实现工作效率。

NI仪器驱动程序网络(IDNet)

仪器驱动程序是控制可编程仪器的软件程序集合。  借助仪器驱动程序，用户无需学习各种仪器的编程命令，从而大幅简化仪器控制，并减少测试程序开发时间。  NI为6500多种仪器和300多家供应商提供了驱动程序。  这些仪器驱动程序适用于LabVIEW、LabWindows/CVI和/或Microsoft Visual Studio。  因为这些驱动程序已经为您创建，而且可以免费下载，因此安装过程中不会影响您的工作效率，而且您可以更快地开始使用应用程序。

开发效率

NI GPIB驱动程序NI-488.2提供了无数功能，可提高开发效率并提高驱动程序的可用性。许多功能是NI-488.2特有的，市场上任何价格较低的GPIB产品都不具备。

• 通用驱动程序 - NI提供通用GPIB驱动程序，用于处理PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、以太网和ISA (PnP)的NI GPIB控制器。用户可轻松将应用程序从一个平台移植到另一个平台，而无需重写软件。
• 驱动程序本地化－NI-488.2已本地化为日语、韩语、简体中文和繁体中文。 ¹ 本地化简化了板卡安装、驱动程序操作和编程，因为安装说明和软件使用的是用户的母语。
• 技术支持 - NI通过广泛的在线支持选项提供免费的世界级支持。确保您的问题能得到及时、准确的解答是保证项目顺利、按时运行的关键。
• 多接口功能－NI-488.2是市场上为数不多的可在同一系统上安装和使用多个接口的驱动程序之一。例如，可在GPIB0上安装PCI-GPIB，在GPIB1上安装GPIB-USB-B，用于控制需要更可预测的仪器响应的多个仪器。由于驱动程序提供此功能，开发此类应用程序非常简单。借助该功能，GPIB控制器可替换为其他类型的GPIB控制器，无需进行任何软件改动。
• 工具 - NI- 488.2提供多种工具，可大大提高开发效率。

NI-488.2通讯器

可使用NI-488.2通信器验证是否可以与GPIB仪器建立简单通信。这是一个交互式工具，可将命令写入仪器并从仪器读取响应。它提供了NI-488.2调用状态的详细信息，可用于打印对GPIB仪器执行简单查询的范例C源代码。

图2：NI-488.2 Communicator快速验证硬件连接

交互控制

交互式控制或ibic可用于与GPIB仪器进行更高级、更快速的交互式通信。  它允许用户交互式地输入和执行GPIB函数或程序，而无需使用开发应用程序或编程语言。  通过交互式控制工具与GPIB仪器成功通信，可快速确认硬件完全能够与编程环境集成。 

图3：IBIC支持更高级的GPIB通信

NI I/O Trace

使用NI I/O Trace，用户可以“跟踪”驱动程序调用。该功能对于应用程序调试非常有用。  NI I/O Trace通过时间标识记录所有设备和板卡级别的调用。开发人员可以轻松高效地检测应用程序中的错误和定时问题。  该工具进一步将NI GPIB设备的功能和可用性区别开来。

图4：范例NI-I/O Trace Capture

GPIB分析仪

使用GPIB分析器，可通过观察所有GPIB握手信号、接口管理信号和数据信号来分析物理总线活动。对于仅靠NI I/O Trace无法解决问题的高级调试，此功能非常有用。此外，还可以更详细地分析总线定时问题。GPIB分析仪软件仅适用于NI GPIB分析仪板卡(PCI-GPIB+)。没有其他GPIB供应商提供类似功能。

图5：GPIB分析仪使用PCI-GPIB+进行活动捕捉

集成NI产品 -- -- NI-488.2与LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio for Microsoft Visual Studio和Measurement & Automation Explorer (MAX)等其他NI产品集成得很好。尽管其他一些GPIB供应商为NI-488.2驱动程序提供了驱动程序包装，但这些驱动程序通常不完整，仅可与LabVIEW配合使用，且不提供MAX中可用的任何配置和调试工具。

架构稳定性

NI-488.2驱动程序还具有无与伦比的架构稳定性，有助于提高工作效率。由于驱动程序和驱动程序架构非常稳定，用户无需在将应用程序升级到新的接口或操作系统时浪费时间进行重写和调试。以下是有助于架构稳定性的特定功能：

• API兼容性----NI NI-488.2 API是GPIB通信的实际行业标准。  API在性能和效率上有所改进，但从用户的角度来看已有20多年的历史。在这种稳定性下，最初为DOS上的ISA板卡或Macintosh上的NuBus板卡编写的应用程序可以在Windows XP上与PCI板卡一样运行。
• Broad Bus Coverage - NI为多种总线提供GPIB控制器。除了PCI、PCI Express、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB和以太网等当前流行的总线，NI还提供用于ISA、IEEE 1394、SBus (Sun Solaris)、PMC、PC/104和VME等的控制器。虽然某些接口需要单独版本的NI-488.2驱动程序，但由于API相同，您仍然可以毫不费力地将应用程序从主流接口移植到这些专用接口
• OS Transparency - NI为Windows Vista/XP/2000/NT/Me/9x、Linux、Solaris和Mac等常见操作系统上的大多数接口提供完整的驱动程序。NI还为一些不太常见的操作系统（如HP-UX和Tru64 Digital UNIX）上的接口提供驱动程序。最后，对于NI未提供完整驱动程序的接口和操作系统，我们将提供驱动程序开发套件(DDK)，以便您可以在所选操作系统上实现驱动程序。同样，由于驱动程序API始终相同，用户可轻松在操作系统和接口之间移植应用程序。
• 产品可用性 - NI不仅为各种总线提供GPIB控制器，而且在总线不再流行后的很多年里，这些产品仍然可用。NI仍在销售ISA和SBus接口。该功能可确保您不必因为旧的接口不可用而花费不必要的时间升级应用程序。

本文概述了使用NI GPIB硬件和软件的优势。NI GPIB硬件和软件产品具有更高的性能、更高的可靠性和更高的工作效率。通过最先进的硬件和高度优化的软件可最大化吞吐率，从而提高性能。NI GPIB产品通过稳定的硬件和软件以及30多年的GPIB领先供应商提供高可靠性。使用简单有效的开发和调试工具以及稳定的软件架构可提高工作效率。

NI GPIB产品具有这些优势，可帮助您更快、更高效地设计、开发和测试产品。从这些好处中获取的微小增量优势,随着时间的推移,可大大节省时间和金钱。

• GPIB仪器控制教程
• GPIB消息
• NI硬件与软件操作系统之间的兼容性
  

¹ NI-488.2在Windows 2000/XP 2.3及更高版本中提供韩语、简体中文和繁体中文本地化。日语本地化当前可用。

Linux®是Linus Torvalds在美国和其他国家/地区的注册商标。 

LabWindows标志经Microsoft Corporation授权使用。Windows是Microsoft Corporation在美国和其他国家/地区的注册商标。