最新总线技术在仪器控制与连接方面应用

　　GPIB基础

　　GPIB是专为仪器控制应用而设计的。在七十年代﹐IEEE 488标准的诞生致使1975年产生了GPIB在电气﹑机械与功能规格方面的标准﹔在1987年ANSI/IEEE标准488.2更明确地定义了控制器与仪器通过GPIB通讯的方法﹐使先前的规格更加完备。 GPIB是一数字的8位平行通讯界面﹐传输速率达8Mbyte/s。总线提供的一个控制器在20米的排线长度内最多可连结14个仪器。但使用者若使用GPIB扩增器与延长器便可以突破这两个限制﹐而GPIB排线与连接器是一种多方面适用并符合工业标准的产品﹐可在任何环境内使用。

　　新总线技术的优势

　　过去的电脑仅提供包括串口（RS-232）与并口﹐近年来,电脑配备均提供以太网络﹑USB（通用序列总线）﹑有时甚至提供IEEE 1394（FireWire）接口。这些新的总线具有许多吸引人的特性 – 易于使用 （USB） ﹑易于连结 （以太网络） 以及高速 （IEEE 1394）。

　　USB

　　USB的设计主要是用来连结外围设备如键盘﹑扫瞄仪﹑与磁盘机之类的电脑。苹果电脑率先于1998年使用USB做为其唯一的串口﹐在过去数年中电脑工业使用USB连结的装置数目已大大的增加。

　　以目前的USB1.1规格而言﹐资料传输速率已高达1.5 Mbyte/s﹐而下一代的USB产品会使用USB2.0规格﹐更将总线资料传输速率提升至60 Mbyte/s。USB2.0规格能与USB1.1装置兼容﹐甚至可使用相同的连接器。由于通用串口总线是一种即插即用技术﹐每当加入一新装置时﹐USB主机会自动测试并辨识其身分﹐然后适当地调整其配置﹐且一个接口能同时控制127个装置。对于Windows操作系统而言﹐USB连结目前只能在Windows 2000/XP/98执行。

　　USB具有价格低廉及容易连结仪器与电脑的优点。此外﹐USB提供更方便的串口功能如﹕热插拔﹑内置操作系统微调功能﹑高弹性等﹐来改善传统串口的技术。

　　虽然USB有许多吸引人的优点﹐在仪器控制方面亦有一些缺点。首先﹐USB排线没有工业标准规格﹐在嘈杂的环境下﹐可能造成资料的遗失﹔另外﹐USB排线没有闭锁机制 — 排线可能很容易的从电脑或仪器中拔除。排线长度（包括使用线上中继器） 最大可至30米﹔最后﹐在仪器控制方面USB没有工业传输标准的规定﹐需由仪器制造商自行设计。

　　尽管USB有一些缺点﹐但由于目前电脑上的广泛使用和USB2.0的高速﹐使其成为未来仪器控制的领导先趋。虽然目前很少仪器提供USB的控制选项﹐但使用者可以通过桥接器与USB连结他们仪器控制的应用.桥接器 提供了使用者一个连结USB与GPIB之间的桥梁。桥接器将于本论文稍后再讨论。

　　以太网（Ethernet）

　　最近﹐仪器厂商已经开始将以太网络做为单独仪器的另一个通讯界面选择。虽然以太网络在仪器控制中仍属新的应用技术﹐但它已作为一种成熟的技术被广泛的应用在测量系统的其他方面。世界上有超过一亿台电脑具有以太网络功能﹐使得以太网络做为仪器控制已是必然的趋势。

　　基于以太网的仪器控制的应用可以利用总线技术的特性，包括仪器远程控制，企业内的资源共享和方便的报告生成等。另外﹐使用者还可以充分利用现有的以太网络。但是﹐此优势亦可能对一些公司产生困扰﹐因为这会迫使网络管理员涉入传统的工程应用。

　　以太网络要用于仪器控制方面﹐尚需考虑以下因素: 传输速率﹑决定性﹑与安全性。最常见的以太网络传输速率为10BaseT或100BaseTX﹐分别达到传输速率10Mb/s与100Mb/s。但是﹐这些传输速率因为其他网络的流量﹑固定用途﹑与不足的资料流量而很少达到。传输速率的不确定性决定了以太网络上的通讯无法确认。最后﹐面对敏感数据使用者﹐必须有更进一步的安全措施﹐以确保数据的完整性与私密性。

　　IEEE 1394 （FireWire）

　　IEEE 1394-1995标准﹐亦称作FireWire （苹果电脑的注册商标） ﹐ 是苹果电脑在1980年代发展的高效的串口总线﹐目前IEEE 1394的资料吞吐速率最高可以达到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394贸易协会正在修订其规格﹐拟将资料传输速率增加至400Mbyte/s。由于根据1394规范，设备的总线连接必须在4.5米之内，那么16个仪器设备的连接也将在72米范围之内。在Windows操作系统中﹐目前只有微软的Windows 2000/XP/98与1394兼容。

　　IEEE 1394总线为高速传输应用提供很大的潜能﹐许多数码相机及其他消费性电子产品均已包含IEEE 1394接口﹐供传输资料使用。IEEE 1394的高带宽为复杂的多媒体应用提供可行的解决方案。IEEE 1394比USB更具优越性﹐其在总线技术上有一专为控制仪器而定义的传输协定。但是﹐目前仅有少数的仪器具有1394接口。

　　虽然IEEE 1394在仪器控制方面有许多优势﹐如高带宽等﹐但仍有一些因素阻碍其现行的发展。IEEE 1394的主要缺点是1394接口并未内置于英特尔的PC集成芯片的周边（所有Macintosh电脑均内建有1394接口）。因此﹐英特尔的PC使用者必须外接1394控制器﹐尤其对PCI板卡而言。虽然FireWire排线既轻巧又具弹性﹐但没有达到工业标准规格﹐因此在一些测试与测量应用中可能会导致数据丢失。
 

　　目前新总线技术的使用

　　现今仅有数个仪器制造厂商﹐在所制造的仪器中内建USB﹑以太网络﹑或IEEE 1394选择界面。制造厂商对于总线的集成速度缓慢﹐是因为没有一种总线技术能够在仪器控制工业中位居于主导地位。USB的普遍性﹐或大型以太网络的存在﹐或许可以提供设计者﹐在仪器控制中加入不同的通讯总线。当仪器制造商讨论各总线技术的生存能力时﹐使用者如欲在其现有测试系统使用最新的总线技术﹐则可以选择连结不同的通讯总线的桥接器。

　　利用桥接器（bridge products）以节省投资

　　由于新总线技术的的接受和应用减缓﹐与工业上对主导总线要求的不确定因素﹐桥接器等产品应运而生﹐成为仪器控制与产品连结的有效解决方案。使用桥接器, 使用者可以轻易的从一种总线转换到不同型号的总线﹐同时利用最新的技术﹐保持下下的兼容性。例如﹐桥接器的一端可以插入您的电脑或系统上的以太网络﹑USB﹑或1394接口﹐而另一端则通过GPIB或串口连接至传统的仪器。使用者可以享有这些新总线在电脑上即插即用﹑简易操作与应用广泛的好处。此外﹐通过可以维持仪器控制软件的兼容性﹐用户可以减少软件的投资并缩短研发时间。[page]

　　桥接器是为了解决使用者在应用上产生的困扰而设计的。例如﹐当更改控制器并利用以太网络至GPIB桥接器时﹐使用者可以将GPIB插入式控制器的软件重新使用﹐而不需任何修改。以下讨论仪器控制系统软件的重要性。

　　National Instruments提供了应用广泛的GPIB外接控制器﹐使用户快速运行并提供降低成本﹑高效的解决方案。使用NI的GPIB-ENET/100﹐与 Ethernet-to -GPIB控制器﹐用户可以通过TCP/IP网路﹐控制与共享位于世界各地的仪器。另外﹐使用者可不必修改他们为GPIB通信所编写的程序代码﹐就可应用于他们的GPIB-ENET/100。

　　轻便型NI GPIB-USB-A能将任何具有USB接口的电脑﹐转换成全功能﹑即插即用﹑IEEE-488.2的控制器﹐其可控制达14个可编程GPIB仪器。GPIB-USB-A的体积小﹐重量轻﹐是使用不具内建I/O插槽的手提式电脑或桌上型电脑等便携式应用的最理想的选择。

　　GPIB-1394能将任何带有IEEE 1394接口的电脑转换成一全功能的IEEE 488.2控制器﹐并可控制14个可编程的GPIB仪器。

　　以太网络﹑USB与1394在作为测试与测量应用的标准总线界面上﹐有很大的潜能。随着PC技术的发展﹐这些与其他未来的总线可以应用于仪器控制。但是﹐考虑到PC技术的迅猛发展﹐而测试测量仪器的生命周期相对较长，现在的一些甚至于将来的总线技术应该慎重考虑其在仪器控制方面的应用和使用周期。GPIB在仪器控制与连结方面﹐能成为被广泛使用的总线﹐主要的原因是经过了时间的成功考验。与现今的总线技术不同﹐GPIB是特别为仪器控制而设计﹐并且在未来仍会持续应用于测试和测量的应用。

　　创造灵活的软件架构

　　不论未来何种总线会与GPIB共同使用﹐软件的向上兼容性与集成将是任何使用者在混合式I/O系统取得成功的关键。在应用新的总线标准的进行无缝连接的同时，如果软件不存在的兼容性，则会存在花费3小时连接新仪器，还需花费三个月编写新的应用程序的问题。

　　由于多供应商﹑多界面系统的现象逐渐流行﹐您需要一个软件结构，能够以最少精力与最强大的软件再利用性方式处理这些系统。例如使用可交换虚拟仪器（IVI） 与虚拟仪器软件架构 （VISA） 的工业软件标准﹐使用者在转移至新总线时﹐可以维持其软件与之前撰写的程序相兼容﹐并符合工业标准通讯协定的方式﹐维持其软件投资。

　　以VISA维持软件投资

　　为使工业软件兼容性更进一步﹐VXI即插即用系统联盟开发了一个I/O软件的规格 — VISA。联盟于1993年成立时﹐许多VXI﹑GPIB与串口界面的非标准商业应用已经存在。对于这些总线﹐VISA为高层多供应商系统软件提供研发﹑传送与交互使用的共用基础﹐如仪器驱动程序﹑软件面板﹑应用软件等。虽然此联盟定义了VISA﹐然而一些个别的供应商也有不同的VISA软件。

　　由于VISA能为仪器通讯定义应用程序界面（API）﹐当您移至新的总线接口或混合式I/O系统时﹐仍可以确保您的软件投资。

　　但使用上述模式有一个问题﹐就是各供应商设计的VISA软件﹐是用于供应商自己的控制器﹐而不能使用于其他供应商的产品。另外﹐欲在新的总线上工作﹐您必须安装一个完整的VISA库。有时这是由不同的供应商提供﹐而且这也不保证能维持现存的界面。

　　为解决此问题﹐National Instruments早已使用一个”Passport”插入式模块重新设计我们的VISA产品﹐此模块为各个不同的总线定义不同的通讯接口﹐或称作passport。此NI Passport模块将特定的连结总线的通讯机制与核心VISA库分开﹐此函式库含有常用的高阶VISA API。使用此模块﹐各个不同的总线需要一个passport以连接至核心VISA引擎﹐因此﹐可以很容易的与新总线相容﹐而不需牵动现有的界面。

　　通过这一模块﹐您可以真正的拥有多重供应商﹑多重界面的系统。与其他依赖如 COM技术的解决方案不同﹐多平台的ANSI C技术仍旧是Passport模型的基础。National Instruments承诺将使VISA与任何会在测试与测量应用中受欢迎的总线介面兼容。

　　以IVI寻找多变性

　　IVI基金会正在定义仪器驱动程序的标准——一个能够克服低阶通讯的软件模块﹐ 这是一个建立在VISA之上的标准﹐提供强健高效能﹑容易使用的仪器传输协议。这些仪器驱动程序是根据基本标准而制作﹐包含如测量或读取波形的高阶功能﹐而其内部包含低阶VISA读写功能。与VISA合并﹐IVI可提供给多重供应商﹑多重平台﹑与混合I/O测试系统一个强大的功能机制。