儀器匯流排效能:解析用於儀器控制的各種競爭匯流排技術

現在,USB、PCI Express 與乙太網路/LAN 都是儀器控制的熱門通訊選項。有些測試與量測廠商與業界專家聲稱,其中一種匯流排本身可滿足所有儀器需求。事實上,由於每個匯流排都有其優勢,因此,未來可能會有兩種以上的匯流排技術在測試與量測系統中持續共存。現今的測試工程師所面臨的挑戰,並非要選擇單一匯流排或平台以將每個應用標準化,而是要選擇適合特定應用或甚至特定應用部分的匯流排或平台。

此篇技術文件為最常見的儀器匯流排提供頭對頭比較,讓測試工程師在根據特定用途需求選擇匯流排與平台技術時,都能做出明智的決定。以下所討論的特定匯流排技術包括 GPIB、USB、PCI、PCI Express 與乙太網路/LAN/LXI。

首先,必須概述儀器控制匯流排的相關效能標準,才能設定評估與比較的基準。

頻寬

考量替代匯流排的技術優勢時,頻寬與潛時是最重要的兩項匯流排特性。頻寬可量測透過匯流排傳送資料的速率,單位通常是 MB/s (106 位元/秒)。相較於低頻寬的匯流排,高頻寬的匯流排在特定期間內可傳輸更多資料。大多數使用者都知道頻寬的重要性,因為頻寬會影響其資料是否能透過匯流排傳送至共用主機處理器或從其傳送至共用主機處理器的速度,以及儀器所需的內建記憶體數量。就複雜的波形產生與取得、RF 與通訊等應用而言,頻寬相當重要。高速資料傳輸對虛擬與合成儀器架構特別重要。虛擬儀器或合成儀器的功能和特性取決於軟體;在大多數情況下,必須將資料移至主機電腦進行處理與分析。圖 1 列舉本文件所探討的所有儀器匯流排的頻寬 (與潛時)。

潛時

潛時可量測透過匯流排傳輸資料的延遲時間。就類比而言,若將儀器匯流排與高速公路進行比較,頻寬會對應至通道數與行駛速度,而潛時則會對應至開/離斜線的延遲。若匯流排具有低 (意指良好) 潛時,則在傳輸資料的一端與處理資料另一端之間的延遲時間較短。潛時比頻寬較不易觀察,但會直接影響透過匯流排傳送一連串快速的短命令,例如多功能數位電錶 (DMM) 與切換器之間的交握,以及儀器設定。

訊息與暫存器架構通訊

使用訊息架構通訊的匯流排通常較慢,因為這種通訊模式會增加指令解讀與資料繞線的負擔。在暫存器架構通訊中,透過直接寫入與讀取二進位資料,來回裝置上的硬體暫存器進行資料傳輸,進而加快傳輸速度。內部 PC 匯流排最常見的暫存器架構通訊協定,因為內部 PC 匯流排的實際互連時間較短,而且需要最高傳輸率。訊息架構通訊協定非常適合用於長距離的資料傳輸,且可接受更高的作業成本。請注意,潛時與頻寬指標的部分取決於匯流排使用訊息或暫存器架構通訊,因此,這項參數會在這些指標中部分收集。

長距離效能

就遠端監控應用而言,以及涉及大量地理區域量測的系統而言,範圍也變得格外重要。這個類別的效能可以視為延遲取捨,因為為克服透過較長的連接線傳送資料時所面臨的物理限制,新增的錯誤檢查與訊息墊片,可能會延後傳送與接收資料的時間。

儀器設定與軟體效能

在儀器設定與軟體效能方面,易用性為最主觀的條件。不過,仍需討論。儀器設定說明「立即可用的」體驗與設定時間。軟體效能與使用者可輕鬆找到互動式公用程式或 VISA 等標準程式設計 API,以便與儀器通訊與控制。

連接器的健全度

匯流排的實體接頭會影響匯流排是否適用於工業應用,以及是否需要額外心力來「強化」儀器與系統控制器之間的連接。圖 2 顯示數個儀器匯流排接頭的照片。

GPIB

第一個匯流排就是 IEEE 488 匯流排,又稱為 GPIB (通用介面匯流排)。GPIB 是備受肯定的匯流排,專為儀器控制應用所設計。GPIB 30 年來一直是穩定可靠的通訊匯流排,因為其潛時低且頻寬可接受,因此仍是儀器控制中最受歡迎的選擇。此系統目前是業界最廣泛的儀器,有超過 10,000 種儀器型號與 GPIB 連線功能。

其最大頻寬約為 1.8 MB/s,最適合用來與獨立儀器通訊與控制。最新的高速修訂版本 HS488 可將頻寬提升至 8 MB/s。傳輸會以訊息為根據,通常會以 ASCII 字元形式進行。可將多組 GPIB 儀器連接至 20 公尺的總距離,且匯流排上的所有儀器皆可共用頻寬。雖然頻寬相對較低,但相較於 USB 與乙太網路 (尤其是乙太網路) 的 GPIB 潛時較低 (較佳)。GPIB 儀器連接系統時不會自動偵測或自動設定,不過 GPIB Software 屬於最佳產品之一,而堅固耐用的連接線與接頭則適用於最嚴苛的物理環境。GPIB 適用於自動化現有設備,或需要高度專業儀器的系統。

USB

近年來,USB (通用序列匯流排) 已成為電腦週邊裝置的常見連接方式。在測試與量測領域,越來越多的儀器廠商在其儀器上加入 USB 裝置控制器功能,因此此一普及性也已逐漸普及。

高速 USB 的最高傳輸率為 60 MB/s,因此,對於儀器連接功能與獨立式儀器控制,以及某些資料傳輸率低於 1 MS/s 的虛擬儀器來說,是相當理想的替代方案。雖然大多數筆記型電腦、桌上型電腦與伺服器都可能具有多個 USB 連接埠,但這些連接埠通常都會連接到同一個主機控制器,因此所有連接埠皆會共用 USB 頻寬。USB 的潛時屬於較佳的範圍 (位於慢端乙太網路與快速端 PCI 與 PCI Express 之間),且連接線長度限制為 5 公尺。USB 裝置可享有自動偵測功能,也就是說,不同於 LAN 或 GPIB 等其他技術,使用者連接 USB 裝置時,PC 會立即識別並設定 USB 裝置。在此例中,USB 接頭是最不穩定、最不安全的匯流排。可能需要外接連接線束才能保持正確無誤。

USB 裝置非常適合應用於可攜式量測、筆記型電腦或桌上型電腦資料記錄,以及車用資料採集。由於匯流排在電腦上無處不在,而且是隨插即用,因此是獨立儀器常見的通訊選擇。USB 測試與量測類別 (USBTMC) 規格可滿足多種測試與量測裝置的通訊需求。

PCI

在此處探討的所有儀器匯流排中,PCI 與 PCI Express 達到最佳的頻寬與潛時規格。PCI 頻寬為 132 MB/s,且匯流排上的所有裝置共用該頻寬。PCI 潛時效能非常出色;相較於乙太網路的 1 ms,其基準是 700 ns。PCI 使用暫存器架構的通訊作業。不同於上述其他匯流排,PCI 並不會連接外接儀器。這是一種內建 PC 匯流排,用於 PC 插入式介面卡與 PXI 等模組化儀器系統,因此不直接適用於距離量測。不過,連接 PXI 系統時,使用 NI 光纖 MXI 介面可以將 PCI 匯流排「延長」高達 200 公尺。由於 PCI 連線是電腦內部的,因此,若將連接器穩定性視為受限於電腦穩定度與堅固耐用度,可能會是合理的做法。PXI 模組化儀器系統是以 PCI 訊號傳輸為基礎所建置而成,可透過高效能背板接頭與多個螺絲端子,讓連線保持在正確位置,進而強化這種連線能力。只要使用正確的 PCI 或 PXI 模組開機,Windows 就會自動偵測並安裝模組的驅動程式。

PCI (和 PCI Express) 與乙太網路和 USB 共用的優勢之一,是 PC 通用。PCI 是 PC 產業歷史上最廣為採用的標準之一。目前每款桌上型電腦都具備 PCI 插槽、PCI Express 插槽或兩者皆有。一般而言,PCI 儀器可以降低成本,因為這些儀器仰賴代管電腦的電源、處理器、顯示器與記憶體,而不是將硬體整合到儀器本身。

PCI Express

PCI Express 與 PCI 類似。這是 PCI 標準的最新發展,就像高速 USB 對 USB 一樣。因此,上述 PCI 評估大多適用於 PCI Express。

PCI 與 PCI Express 效能的主要差別在於 PCI Express 匯流排頻寬較高,並且為每個裝置提供專屬頻寬。本教學課程探討的所有匯流排中,只有 PCI Express 可為匯流排上的每個週邊裝置提供專屬頻寬。GPIB、USB 與 LAN,分配連接週邊裝置的頻寬。資料會透過稱為「通道」的點對點連線,以每秒 250 MB 的速率傳輸。每個 PCI Express 連結都可由多個通道組成,因此 PCI Express 匯流排的頻寬取決於插槽與裝置中的實作方式。x1 (by 1) 連結提供 250 MB/s;x4 連結則提供 1 GB/s;而 x16 連結則提供 4 GB/s 的專用頻寬。請務必注意,PCI Express 的軟體可向下相容,也就是說,轉為 PCI Express 標準的使用者可以保有自己在 PCI 中投資的軟體。PCI Express 也可透過外部接線擴充。

高速的內部 PC 匯流排是專為快速通訊所設計。因此 PCI 與 PCI Express 是高效能、需要大量頻寬且需要大量資料的系統,以及整合與同步化多種儀器的理想匯流排選擇。

乙太網路/LAN/LXI

久以來,乙太網路一直是儀器控制選項。這是一種成熟的匯流排技術,在測試與量測以外的許多應用領域中廣泛使用。100BaseT 乙太網路的最大頻寬理想值為 12.5 MB/s。Gigabit 乙太網路 (即 1000BaseT) 能將最大頻寬提升至 125 MB/s。在所有情況下,乙太網路頻寬都會跨網路共用。理論上,每秒 125 MB 的 Gigabit 乙太網路速度會比高速 USB 高速更快,但若多組儀器與其他裝置共用網路頻寬,效能就會快速降低。匯流排通訊是以訊息為基礎,而通訊封包會為資料傳輸帶來大量負擔。因此,在本教學課程介紹的匯流排技術中,乙太網路潛時最差。

然而,乙太網路仍是建立分散式系統網路的強大選擇。無須使用中繼器即可在最長 85 到 100 公尺的距離內操作,且不含距離限制。沒有其他匯流排與控制電腦或平台的隔離範圍如此。如同 GPIB,乙太網路/LAN 並不提供自動設定功能。使用者必須手動指派 IP 位址與子網路設定給儀器。如同 USB 與 PCI 一樣,乙太網路/LAN 連線在現代 PC 中無處不在。因此,乙太網路是分散式系統與遠端監控的理想選擇。其用途通常是搭配其他匯流排與平台技術,以連接量測系統節點。這些局部節點可能由採用 GPIB、USB 與 PCI 的量測系統構成。實體乙太網路連線比 USB 連線更穩健,但相較於 GPIB 或 PXI 較低。

LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) 是新興的 LAN 架構標準。LXI 標準定義了具備乙太網路連線功能的獨立儀器規格,其中新增觸發與同步化功能。

雖然將單一匯流排或通訊標準指定為「終極」或「理想」技術的概念方便,但歷史教導我們,由於每項匯流排技術都有獨特的優缺點,因此幾項替代標準很可能會持續共存。表 1 編譯上一節的效能條件。請注意,在所有效能指標上,沒有單一匯流排可勝任。

	頻寬 (MB/s)	潛時 (µS)	範圍 (公尺) (無延長線)	設定與安裝	接頭耐用度
GPIB	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	良好	最佳
USB	60 (高速)	1000 (USB) 125 (高速)	5	最佳	良好
PCI	132	0.7	內接式 PC 匯流排	的效能	出色 最佳 (適合 PXI)
PCI Express	250 (x1) 4000 (x16)	0.7 (x1) 0.7 (x4)	內接式 PC 匯流排	的效能	出色 最佳 (適合 PXI)
乙太網路/LAN/LXI	12.5 (快速) 125 (Gigabit)	1000 (快速) 1000 (Gigabit)	100 公尺	良好	良好

測試系統開發人員可以建立混合式系統,充分發揮數種匯流排與平台的優勢。混合式測試與量測系統結合了 PXI 與 VXI 等模組化儀器平台的元件,以及可透過 GPIB、USB 與乙太網路/LAN 連接的獨立儀器。建立與維護混合系統的關鍵之一,就是實作能透明識別多種匯流排技術的系統架構,並且運用 PXI 等開放式多廠商運算平台實現 I/O 連線。

成功開發混合系統的另一個關鍵,就是確保您在驅動程式、應用程式與測試系統管理層級選擇的軟體是模組化。雖然某些廠商可能會針對特定儀器提供垂直軟體解決方案,但最實用的系統架構是將軟體功能分割成可互換的模組化層,這樣一來,您的系統不會與特定硬體或特定廠商綁定。這種分層方式可提供最佳的程式碼重複使用性、模組化與使用壽命。舉例來說,虛擬儀器軟體架構 (VISA) 為標準的設定、程式設計、與除錯儀控系統,可整合 GPIB、VXI、序列 (RS232/485)、乙太網路、USB、及/或 IEEE 1394 介面。由於 VISA 函式的程式設計 API 適用於多種通訊介面,因此相當實用。

混合式系統能結合多種儀器的優勢,包括舊款設備與特殊裝置。儘管要為儀器尋找一體適合所有需求的解決方案,但實際情況是測試工程師必須根據特定應用需求來調整儀器與相關的匯流排技術。

NI 為自動化測試的領導者,並提供相關硬體與軟體產品,以建立新一代的測試系統。

• 從超過 10,000 款驅動程式庫中下載儀器驅動程式 (NI 與第三方)
• 下載免費試用 NI LabVIEW 以自動化量測作業
• 深入了解 PXI 這款領先業界的自動化測試與量測模組化平台