為您的測(cè)量應(yīng)用選擇合適的總線

概覽
NI LabVIEW 2009延續(xù)了直觀的圖形化開發(fā)環(huán)境以及數(shù)據(jù)采集硬件與PC總線的無縫集成。面對(duì)多種總線上超過200種的不同硬件設(shè)備，如何選擇一款總線來滿足您的應(yīng)用需求？該白皮書討論了可供選擇的總線，并概述了您在為測(cè)量應(yīng)用選擇最佳總線時(shí)需要考慮的各種因素。

　　在選擇最佳總線時(shí)您需要回答的五個(gè)問題

　　1. 我將通過該總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有多少?

　　2. 我的單點(diǎn)I/O需求是什么?

　　3. 我需要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的同步么?

　　4. 該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有怎樣的便攜性?

　　5. 我的測(cè)量結(jié)果距離我的計(jì)算機(jī)有多遠(yuǎn)?

我將通過該總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有多少?

　　所有的PC總線均對(duì)于在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有一定的限制。這被稱為總線帶寬，通常以每秒兆字節(jié)（MB/s）為 表述單位。如果動(dòng)態(tài)波形測(cè)量在您的應(yīng)用中很重要，請(qǐng)必須考慮一種具有足夠帶寬的總線。

　　總帶寬可以為多臺(tái)設(shè)備間共享或?yàn)槟撑_(tái)設(shè)備專用，這取決于您所選用的總線，例如，PCI總線為計(jì)算機(jī)上所有PCI設(shè)備提供了共享132 MB/s的理論帶寬。提供專用帶寬的總線，如PCI Epresss和快速PXI Express，實(shí)現(xiàn)了每臺(tái)設(shè)備的最大數(shù)據(jù)吞吐量。

　　在進(jìn)行波形測(cè)量時(shí)，您需要一定的采樣率和精度，這基于您的信號(hào)頻率而確定。您可以通過將每個(gè)采樣點(diǎn)的字節(jié)數(shù)（如不滿一個(gè)字節(jié)則進(jìn)位到一字節(jié)）分別與采樣率、通道數(shù)相乘，計(jì)算所要求的最低帶寬。

　　例如，一臺(tái)16-bit的設(shè)備（兩個(gè)字節(jié)），其四路通道的采樣率為4 MS/s，有：
　　

　　您的總線帶寬需要能夠滿足正在被采集的信號(hào)的速率，而且，重要的是，注意到實(shí)際系統(tǒng)的帶寬將會(huì)低于總線的理論帶寬。實(shí)際帶寬取決于系統(tǒng)中設(shè)備的數(shù)目和開銷帶來的任何額外總線流量。若您需要在眾多的通道上傳輸大量的數(shù)據(jù)，帶寬可能是在選擇您數(shù)據(jù)采集總線時(shí)最為重要的考慮因素。

我的單點(diǎn)I/O需求是什么?

　　要求單點(diǎn)讀寫的應(yīng)用常常要求I/O數(shù)值的一致性與及時(shí)性。如果基于總線架構(gòu)如何在軟硬件中實(shí)現(xiàn)，單點(diǎn)I/O需求可能會(huì)成為您選擇總線的決定性因素。

　　總線時(shí)延是I/O的響應(yīng)特性。它是指驅(qū)動(dòng)程序軟件函數(shù)被調(diào)用時(shí)刻與該I/O的實(shí)際硬件數(shù)值被更新時(shí)刻之間的時(shí)間延滯。取決于您所選擇的總線，該時(shí)延范圍可能從少于1微妙到數(shù)毫秒。

　　例如，在一個(gè)PID控制系統(tǒng)中，該總線時(shí)延可能會(huì)直接影響控制循環(huán)的最大速率。

　　單點(diǎn)I/O應(yīng)用中另一個(gè)重要因素便是確定性，它用于度量I/O如何一致地執(zhí)行。與響應(yīng)特性會(huì)發(fā)生改變的總線相比，那些在與I/O通信時(shí)總是具有相同時(shí)延的總線擁有更高的確定性。確定性對(duì)于控制應(yīng)用很重要，因?yàn)樗苯佑绊懥丝刂蒲h(huán)的可靠性，而許多控制算法是基于該控制循環(huán)將總是以恒定速率執(zhí)行為前提設(shè)計(jì)的。任何相對(duì)期望速率的偏離都將使得整個(gè)控制系統(tǒng)降低效率。

　　從軟件層面來討論通信總線如何被實(shí)現(xiàn)，對(duì)于總線時(shí)延和確定性有著重要的作用。支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的總線與軟件驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑻峁┳罴训拇_定性，進(jìn)而為您提供最高的性能。一般情況下，內(nèi)部總線，如PCI Epress和PXI Epresss，比外部總線（如USB或無線）更適合低時(shí)延的單點(diǎn)I/O應(yīng)用。

我需要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的同步么?

　　許多測(cè)量系統(tǒng)存在復(fù)雜的同步需求，無論它是實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)通道的同步還是實(shí)現(xiàn)多種類型儀器的同步。例如，一個(gè)激勵(lì)響應(yīng)系統(tǒng)可能會(huì)要求輸出通道共用同一個(gè)采樣時(shí)鐘，使用觸發(fā)作為輸入通道以實(shí)現(xiàn)I/O的相關(guān)操作，并更好地分析其結(jié)果。NI不同總線上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備都提供了這一功能。幾乎所有的NI數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備都提供對(duì)可編程多功能輸入（PFI）端的訪問（PFI可用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘與觸發(fā)信號(hào)在不同設(shè)備間的路由），以及在NI-DAQmx中通過軟件方便地配置這些PFI端口。然而，某些總線擁有額外的、內(nèi)置的定時(shí)與觸發(fā)線路，以使得多設(shè)備的同步盡可能地方便。PCI與PCI Express設(shè)備提供了實(shí)時(shí)系統(tǒng)集成（RTSI）總線，通過此總線，一個(gè)臺(tái)式系統(tǒng)的多只板卡可以在機(jī)箱內(nèi)部直接用導(dǎo)線連接。這樣免除了從前面連接端子額外接線，并簡(jiǎn)化了I/O的連接。

　　對(duì)于多臺(tái)設(shè)備的同步，最佳的總線選擇便是PXI平臺(tái)，包括PXI和PXI Express。該開放性標(biāo)準(zhǔn)特別適合高性能的同步與觸發(fā)，并對(duì)于同一塊底板內(nèi)的I/O模塊的同步以及多塊底板的同步，具有大量不同的可選方案。

該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有怎樣的便攜性?

　　引入便攜式計(jì)算為工程師和科學(xué)家們提供了新的利用基于PC的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行創(chuàng)新的方式。便攜性對(duì)于許多應(yīng)用都是一項(xiàng)重要的因素，而且可能會(huì)輕易地成為選擇一種總線而不是另一種總線的主要理由。例如，車載數(shù)據(jù)采集應(yīng)用獲益于緊湊且方便運(yùn)輸?shù)挠布?。外部總線，如USB和以太網(wǎng)，特別適合于便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因?yàn)槠淇焖俚挠布惭b和與便攜式電腦的兼容性?？偩€供電的USB設(shè)備提供了額外的便利，因?yàn)樗鼈儾恍枰峁┮粋€(gè)分立的電源供應(yīng)。采用無線數(shù)據(jù)傳輸總線是實(shí)現(xiàn)便攜性的另一個(gè)較好的選擇，因?yàn)樵摐y(cè)量硬件自身變?yōu)楸銛y式的，而該計(jì)算機(jī)仍可放在原有位置。

測(cè)量結(jié)果距離我的計(jì)算機(jī)有多遠(yuǎn)?

　　您需要進(jìn)行測(cè)量的位置和計(jì)算機(jī)所處的位置之間的距離，可能會(huì)因應(yīng)用而異。為實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)完整性和測(cè)量精度，您應(yīng)當(dāng)將您的數(shù)據(jù)采集硬件放置在盡可能靠近信號(hào)源的地方。這對(duì)于大規(guī)模分布式測(cè)量（如那些面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)或環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用）可能會(huì)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)?？缭酱髽蚧蚬S地面布置很長(zhǎng)的線纜，不僅成本高昂，而且會(huì)引入噪聲。解決該問題的方法便是利用便攜式計(jì)算平臺(tái)將采集系統(tǒng)移至更接近信號(hào)源的地方。利用無線技術(shù)，計(jì)算機(jī)與測(cè)量硬件之間的有線連接被去除，您可以進(jìn)行分布式測(cè)量并將該數(shù)據(jù)回傳至中央位置。

最常見總線的選擇指南

　　基于前面概述的這五個(gè)問題，表1展示了一份面向現(xiàn)可用最常見數(shù)據(jù)采集總線的選擇指南。

　　表1。該表展示了一份基于應(yīng)用需求的總線選擇指南以及NI范例產(chǎn)品

　　1最大理論數(shù)據(jù)速率基于下列總線規(guī)范：PCI、快速PCI 1.0、PXI、快速PXI 1.0、USB 2.0、100Mbps以太網(wǎng)與Wi-Fi 802.11g。

數(shù)據(jù)采集總線概覽

　　雖然存在很多種不同的總線以及外形尺寸以供選擇，但是，該部分聚焦于七種最為常見的總線，其中包括：

　　圖1將這些總線按由NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品組成的PC-總線體系架構(gòu)的方式組織展示，從內(nèi)插式到可熱插拔的外部總線。

　　PCI

　　PCI Express

　　USB

　　PXI

　　PXI Express

　　以太網(wǎng)

　　無線

　　外設(shè)部件互連（PCI）總線是現(xiàn)今最常用的內(nèi)部計(jì)算機(jī)在線之一。憑借132 MB/s的共享帶寬，PCI提供了高速數(shù)據(jù)傳輸和面向單點(diǎn)控制應(yīng)用的確定性的數(shù)據(jù)傳輸性能。PCI有許多種不同的數(shù)據(jù)采集硬件選擇，包括高達(dá)10 MS/秒和高達(dá)18-位精度的多功能I/O板卡。

　　PCI Express

　　PCI Express是PCI的一項(xiàng)演進(jìn)技術(shù)，它完成了PC行業(yè)的一個(gè)新層次的創(chuàng)新。快速PCI架構(gòu)的最大一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)便是由獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸線路提供的專用總線帶寬。與132 MB/s帶寬為所有設(shè)備共享的PCI不同，快速PCI采用了獨(dú)立的數(shù)據(jù)通路，每條數(shù)據(jù)通路能夠以高達(dá)250 MB/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。

　　該P(yáng)CI Express總線還能夠從單個(gè)x1（念作“乘1”）數(shù)據(jù)通路擴(kuò)展至x16數(shù)據(jù)通路，以實(shí)現(xiàn)4 GB/s的最大吞吐量，足以在不足一分鐘的時(shí)間內(nèi)填滿一只200 GB的硬盤。對(duì)于測(cè)量應(yīng)用，這意味著更高的、持續(xù)的采樣率和數(shù)據(jù)吞吐速率，故而，多臺(tái)設(shè)備不必?fù)屨伎偩€。

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　　USB

　　通用串行總線（USB）最初是為了實(shí)現(xiàn)外周設(shè)備（如鍵盤與鼠標(biāo)）與PC的連接而設(shè)計(jì)。然而，在包括測(cè)量與自動(dòng)化的許多其他應(yīng)用中，它已被證明非常有用。USB提供了數(shù)據(jù)采集設(shè)備與PC之間的一種成本低廉的、易于使用的連接方式。高速USB 2.0具有最高的理論帶寬60 MB/s，該帶寬為連接在單個(gè)USB控制器上的所有設(shè)備所共享。USB設(shè)備本質(zhì)上是有時(shí)延的且非確定性的。這意味著單點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)嚴(yán)格如所預(yù)期的發(fā)生，因而，USB并不適合高性能控制應(yīng)用。

　　在另一方面，該USB總線擁有幾項(xiàng)使其相比一些傳統(tǒng)的內(nèi)部PC總線更易于使用的特性。USB設(shè)備是可熱插拔的，因此，它們免除了關(guān)閉PC以添加或刪除設(shè)備這一繁瑣步驟。該總線還具有自動(dòng)的設(shè)備檢測(cè)，這意味著用戶在插入其設(shè)備后不必手動(dòng)對(duì)其進(jìn)行配置。一旦完成了軟件驅(qū)動(dòng)程序的安裝，操作系統(tǒng)自身會(huì)檢測(cè)和安裝該設(shè)備。

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　　PXI平臺(tái)

　　面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展（PXI）是為了連接臺(tái)式機(jī)PC系統(tǒng)與高端VXI和GPIB系統(tǒng)之間的間隙而開發(fā)的。PXI系統(tǒng)聯(lián)盟擁有超過200家成員，維護(hù)該開放標(biāo)準(zhǔn)，并在2006年，通過了PXI Express規(guī)范，以便在PXI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)PCI Express數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

　　基于CompactPCI，PXI吸納了儀器系統(tǒng)拓展和更嚴(yán)格的系統(tǒng)層次規(guī)范，以確保面向測(cè)量與自動(dòng)化的開放性和更高的性能。PXI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包含通過堅(jiān)固的封裝可以承受在工業(yè)應(yīng)用中常有的惡劣環(huán)境。PXI系統(tǒng)還提供了模塊化架構(gòu)，這意味著您可以將多臺(tái)設(shè)備裝配在同一個(gè)機(jī)箱，作為單個(gè)獨(dú)立的儀器使用，而且您能夠擴(kuò)展您的系統(tǒng)，使其功能遠(yuǎn)超出具有PCI總線的PC機(jī)。PXI所提供的另一個(gè)最重要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其集成的定時(shí)與觸發(fā)功能。無需任何外部連接，可以利用集成在PXI底板的背板上的內(nèi)部總線，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的同步。

　　以太網(wǎng)

　　以太網(wǎng)幾乎是世界上每個(gè)公司網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，故而廣泛可用。作為一種用于數(shù)據(jù)采集的總線，以太網(wǎng)非常適合在距離超過USB線纜的5米長(zhǎng)度范圍情況下，進(jìn)行便攜式測(cè)量或分布式測(cè)量。單個(gè)以太網(wǎng)線纜在需要采用集線器、交換機(jī)或中繼器之前，可以拓展至100米。這樣的距離，結(jié)合在實(shí)驗(yàn)室、辦公室和制造設(shè)施內(nèi)大量安裝的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，使得以太網(wǎng)成為遠(yuǎn)距離分布式測(cè)量的理想選擇。雖然可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬取決于聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量，100BASE-T（100 MB/s）以太網(wǎng)可以容納以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。此外，千兆位以太網(wǎng)（1000BASE-T）可以容納更多來自100BASE-T網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，以支持更大型的系統(tǒng)。

　　無線技術(shù)

　　無線技術(shù)將基于PC的數(shù)據(jù)采集的靈活性和便攜性，拓展至以往難以布線的測(cè)量應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電站或民用設(shè)施。無線技術(shù)通過免除了布線和安裝顯著地降低了成本。盡管如此，無線技術(shù)比其他任何數(shù)據(jù)采集總線的時(shí)延都要高，因此，不推薦要求高速控制或確定性的應(yīng)用。現(xiàn)有許多不同的無線技術(shù)可供使用，其中，最為普及的是IEEE 802.11（Wi-Fi）。

　　Wi-Fi屬于最方便設(shè)置的無線技術(shù)。連接至Wi-Fi“熱點(diǎn)”與插入U(xiǎn)SB線纜非常相似。經(jīng)過在IT部門的10年使用，Wi-Fi也變得很安全。IEEE 802.11i（WPA2）是現(xiàn)今商業(yè)上可用的最嚴(yán)格的無線安全標(biāo)準(zhǔn)，具有128-位AES加密和IEEE 802.1X身份認(rèn)證。對(duì)于動(dòng)態(tài)波形信號(hào)的數(shù)據(jù)流傳輸，Wi-Fi比其他無線技術(shù)提供更高的帶寬，這使其成為機(jī)器狀況監(jiān)測(cè)和其他高速應(yīng)用的理想選擇。