如何選擇適合您的儀器控制系統的硬體匯流排

儀器通常會配備一種以上的匯流排選項，好讓使用者控制儀器，而 PC 通常會配備多種匯流排選項以控制儀器。如果 PC 本身未配備儀器可用的匯流排，使用者可藉由插卡式機板或外接轉換器的方式新增匯流排。儀器控制適用的匯流排琳瑯滿目，可分為以下幾種常見類型：

• 獨立匯流排可用來銜接機架堆疊式儀器。其中包含測試與量測專用的匯流排，例如 GPIB 與 PC 標準匯流排，像是序列 (RS232)、乙太網路與 USB。有些獨立匯流排可做為其他獨立匯流排的媒介，例如 USB 轉 GPIB 轉換器。
• 模組化匯流排會將介面匯流排整合至儀器本身。其中包含 PCI、PCI Express、VXI 以及 PXI。使用者也可透過這些匯流排將獨立匯流排新增至沒有匯流排的 PC，例如 NI PCI-GPIB 控制器介面卡。

影響匯流排效能的 3 大因素：頻寬、潛時以及儀器實作方式。

• 頻寬就是資料傳輸率，單位通常是每秒所能傳送的百萬位元數 (Mbps)。
• 潛時則是傳輸時間，單位通常是秒。就乙太網路傳輸而言，大型資料區塊通常會分成較小的區段，並且以多個封包傳送出去。潛時就是傳送一個封包的時間長短。
• 匯流排軟硬體與韌體的儀器實作方式都會影響其效能。每種儀器都各有千秋，而儀器設計人員必須取捨不同的功能，無論是使用者定義的虛擬儀器，還是廠商定義的傳統儀器，勢必都會影響儀器效能。虛擬儀器的主要優點就是使用者可以像儀器設計人員一樣，自行決定最好的折衷實作方式。

圖 1.主要測試/量測匯流排的理論頻寬與潛時比較。

建立儀器控制應用時，必須考慮到部署環境。主要考量包含儀器與 PC 之間的距離，以及介面與接線的耐用度規格。針對儀器控制系統選用匯流排時，這兩項都是主要的決策考量。

儀器與 PC 之間的距離

如果儀器距離 PC 很近 (不到 5 公尺)，就可以選擇各種類型的匯流排。如果儀器距離 PC 很遠，例如位於另一個房間或建築物內，即可考慮分散式的儀器控制系統架構。分散式儀器控制系統架構可能會採用延長線、中繼器、LAN/LXI 或 LAN 轉換器 (例如乙太網路轉 GPIB 轉換器)。

介面與接線的耐用度規格

如果儀器位於工業環境這類吵雜的環境中，即可考慮使用不受環境因素影響的介面匯流排。以製造部門而言，GPIB 或 USB 便是不錯的選擇，因為這兩者擁有接線鎖存功能與強化抗雜訊特性。

選擇匯流排介面時請注意設定與安裝事項。如果儀器控制部署在許多使用者會操作系統的地點 (例如實驗室)，可考慮使用 USB 匯流排介面，以便提供輕鬆一致的使用體驗。如果儀器控制系統位於安全性可能有隱憂的地點，貴公司的 IT 部門可能不會允許使用乙太網路/LAN/LXI。如果最終確定乙太網路/LAN/LXI 是最適合儀器控制系統的匯流排介面，而且可部署於注重安全性的環境之中，請在設計實作階段中全程與 IT 部門合作。

表 1.以下簡要介紹最常見的儀器硬體匯流排。

GPIB

通用介面匯流排 (GPIB) 為獨立儀器最常見的 I/O 介面之一。GPIB 屬於數位 8 位元平行通訊介面，資料傳輸率高達 8 Mb/s。這種匯流排最多可針對 14 種儀器提供單一系統控制器，接線長度不得超過 20 公尺。使用 GPIB 擴充器與延伸器即可克服這兩項限制。GPIB 接線與接頭提供豐富的功能，並具備工業等級，可用於各種環境。

但因為 GPIB 不屬於 PC 工業級匯流排，因此很難在 PC 中發現這種匯流排規格。使用者可以改用 PCI-GPIB 等插卡式機板或 NI GPIB-USB 等外接轉換器，進一步將 GPIB 儀器控制功能加入 PC。

序列

序列匯流排是一種裝置通訊協定，主要用於舊式的桌上型與筆記型電腦。請不要與 USB 匯流排搞混。序列匯流排為常見的通訊協定，適用於多種裝置的儀控，而且許多與 GPIB 相容的裝置都搭載 EIA232 連接埠。EIA232 與 EIA485/EIA422 也稱為 RS232 與 RS485/RS422。

序列通訊的概念十分簡單。序列埠一次可傳送與接收 1 個位元的資訊位元組，雖然這樣的速度比不上平行通訊 (一次傳送一整個位元組)，但操作方式比較簡單，也適合遠距離使用。

一般而言，工程師均使用序列來傳輸 ASCII 資料，並透過 3 種傳輸通道完成通訊作業：接地 (ground)、傳輸 (transmit)、接收 (receive)。由於序列屬於非同步化，因此序列埠可於其中 1 個通道傳輸資料，並於另 1 個通道接收資料。其他通道可視情況而進行交握。重要的序列特性為鮑率、資料位元、停止位元與奇偶校驗。如果要讓 2 組連接埠可彼此通訊，就必須符合這些參數。

USB

通用序列匯流排 (USB) 主要是為了連接 PC 週邊裝置而設計，例如鍵盤、滑鼠、掃描器、磁碟等。過去幾年以來，支援 USB 連接功能的裝置越來越多。USB 是一種隨插即用的技術；USB 主機會自動偵測到已新增的裝置、詢問裝置識別，並且適當地設定裝置驅動程式。

USB 2.0 可與低速/全速裝置向下相容。其高速 (High-Speed) 模式可提供高達 480 Mbit/s (60 MB/s) 的資料傳輸率。最新的 USB 規格為 USB 3.0，具有 SuperSpeed 模式，理論上資料傳輸率最高可達 5.0 Gbit/s。

雖然 USB 最初的設計概念是 PC 週邊匯流排，但其出色的速度、多元的用途、便利的使用方式等特色，都非常適合儀器控制應用。不過 USB 用於儀器控制仍然有些缺點。首先，USB 並非工業等級連接線，因此可能會在充滿雜訊的環境中遺失資料。此外，USB 連接線沒有鎖存機制，因此連接線比較容易從 PC 或儀器上鬆脫。最後，USB 系統的連接線長度最大值為 30 公尺，包含使用行內中繼器的長度。

乙太網路

乙太網路是相當成熟的技術，廣泛用於各式各樣的量測系統，例如一般網路連線與遠端資料儲存等。全球有超過 1 億個以上具備乙太網路功能的電腦，因此乙太網路也是儀器控制的熱門選擇。乙太網路定義為 IEEE 標準 802.3，所提供的網路設定可支援 10 Mbit/s (10BASE-T)、100 Mbit/s (100BASE-T)、1 Gbit/s (1000BASE-T) 等理論資料傳輸率。最常見的網路則是 100BASE-T。

採用乙太網路的儀器控制應用可善用匯流排的特有功能，包含遠端控制儀器、簡化儀器共用、輕鬆發佈資料結果。此外，使用者還可享有公司與實驗室內現有擴充乙太網路的優點。不過對某些公司來說，這項優點可能會演變成某種缺點，因為網路管理員必須參與傳統的工程應用。

把乙太網路當成儀器控制匯流排的缺點還包含實際傳輸率、精確度以及安全性。雖然乙太網路理論上可達到 1 Gbit/s 的傳輸率，實際上卻很難達到，原因是其他網路流量負荷以及效率低落的資料傳輸率。此外，由於傳輸率並不穩定，透過乙太網路通訊並無法保證精確度。最後，就機密資料而言，使用者必須採取額外的安全措施，才能保障資料完整性與隱密性。

PCI

通常 PCI 匯流排不會直接用於儀器控制，而是作為週邊匯流排以便連接 GPIB 或序列裝置，間接用於儀器控制。此外，由於 PCI 具有高頻寬，因此可作為載波匯流排，並用於 I/O 匯流排內建於量測裝置的模組化儀器。

PXI

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) 為堅固耐用的 PC 架構平台，適用於量測與自動化系統。PXI 整合了 PCI 電子匯流排功能，搭配 CompactPCI 耐用的模組化 Eurocard 機械封裝，並可新增特定的同步化匯流排與主要軟體功能。因此 PXI 可說是一款平價、高效能的部署平台，適用於量測與自動化系統。這些系統可支援如生產測試、軍事和航太、機器監控、汽車製造以及工業測試的應用。PXI 系統於 1997 年開發，並於 1998 年發表，為符合複雜儀控系統需求的開放式工業標準。時至今日，由超過 65 間公司組成的 PXI 系統聯盟 (PXISA) 所領導，持續推展 PXI 成為標準規格，並能夠有效銜接其他裝置。PXI 是廣為使用的模組化儀控平台，相較於傳統的獨立儀器，提供了高效能的精簡量測硬體裝置，搭配整合式時序與同步化資源，可說是值得考慮的理想選擇。

PCI Express

就像 PCI 一樣，通常 PCI Express 不會直接用於儀器控制，而是作為週邊匯流排以便連接 GPIB 裝置與電腦，間接用於儀器控制。但由於 PCI Express 的速度極快，也可作為模組化儀器的載波匯流排使用。

後續步驟

• 下載打造儀器控制系統的完整指南
• 查看所有 NI GPIB、序列與乙太網路產品