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總線技術(shù)在儀器控制與連接方面的遠(yuǎn)景

[2011/9/28]

　　過去二十多年間，科學(xué)家與工程師已在自動化儀器系統(tǒng)中廣泛使用IEEE 488和通用接口總線GPIB。當(dāng)大眾化電腦技術(shù)進(jìn)入測試與測量領(lǐng)域，并在連接儀器時應(yīng)用USB、以太網(wǎng)路、與IEEE 1394等總線技術(shù)時，GPIB接口是否能夠在將來成為儀器控制總線接口的首選就成了問題。由于GPIB擁有強(qiáng)大功能與廣大的使用者基礎(chǔ)，GPIB在未來的許多年仍會繼續(xù)存在。但是，儀器控制工業(yè)很可能將開始進(jìn)入全球范圍內(nèi)的混合I/O系統(tǒng)的領(lǐng)域。本論文探討的是GPIB與其他總線組合使用時儀器系統(tǒng)的未來發(fā)展，以及在儀器控制中軟件”向上兼容”的重要性。

　　GPIB基礎(chǔ)

　　GPIB是專為儀器控制應(yīng)用而設(shè)計的。在七十年代，IEEE 488標(biāo)準(zhǔn)的誕生致使1975年產(chǎn)生了GPIB在電氣、機(jī)械與功能規(guī)格方面的標(biāo)準(zhǔn);在1987年ANSI/IEEE標(biāo)準(zhǔn)488.2更明確地定義了控制器與儀器通過GPIB通訊的方法，使先前的規(guī)格更加完備。 GPIB是一數(shù)字的8位平行通訊界面，傳輸速率達(dá)8Mbyte/s？偩提供的一個控制器在20米的排線長度內(nèi)最多可連結(jié)14個儀器。但使用者若使用GPIB擴(kuò)增器與延長器便可以突破這兩個限制，而GPIB排線與連接器是一種多方面適用并符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，可在任何環(huán)境內(nèi)使用。

　　新總線技術(shù)的優(yōu)勢

　　過去的電腦僅提供包括串口(RS-232)與并口，近年來，電腦配備均提供以太網(wǎng)絡(luò)、USB(通用序列總線)、有時甚至提供IEEE 1394(FireWire)接口。這些新的總線具有許多吸引人的特性 – 易于使用 (USB) 、易于連結(jié) (以太網(wǎng)絡(luò)) 以及高速 (IEEE 1394)。

　　USB

　　USB的設(shè)計主要是用來連結(jié)外圍設(shè)備如鍵盤、掃瞄儀、與磁盤機(jī)之類的電腦。蘋果電腦率先于1998年使用USB做為其唯一的串口，在過去數(shù)年中電腦工業(yè)使用USB連結(jié)的裝置數(shù)目已大大的增加。

　　以目前的USB1.1規(guī)格而言，資料傳輸速率已高達(dá)1.5 Mbyte/s，而下一代的USB產(chǎn)品會使用USB2.0規(guī)格，更將總線資料傳輸速率提升至60 Mbyte/s。USB2.0規(guī)格能與USB1.1裝置兼容，甚至可使用相同的連接器。由于通用串口總線是一種即插即用技術(shù)，每當(dāng)加入一新裝置時，USB主機(jī)會自動測試并辨識其身分，然后適當(dāng)?shù)卣{(diào)整其配置，且一個接口能同時控制127個裝置。對于Windows操作系統(tǒng)而言，USB連結(jié)目前只能在Windows 2000/XP/98執(zhí)行。

　　USB具有價格低廉及容易連結(jié)儀器與電腦的優(yōu)點。此外，USB提供更方便的串口功能如﹕熱插拔、內(nèi)置操作系統(tǒng)微調(diào)功能、高彈性等，來改善傳統(tǒng)串口的技術(shù)。

　　雖然USB有許多吸引人的優(yōu)點，在儀器控制方面亦有一些缺點。首先，USB排線沒有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，在嘈雜的環(huán)境下，可能造成資料的遺失﹔另外，USB排線沒有閉鎖機(jī)制 — 排線可能很容易的從電腦或儀器中拔除。排線長度(包括使用線上中繼器) 最大可至30米﹔最后，在儀器控制方面USB沒有工業(yè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，需由儀器制造商自行設(shè)計。

　　盡管USB有一些缺點，但由于目前電腦上的廣泛使用和USB2.0的高速，使其成為未來儀器控制的領(lǐng)導(dǎo)先趨。雖然目前很少儀器提供USB的控制選項，但使用者可以通過橋接器與USB連結(jié)他們儀器控制的應(yīng)用.橋接器提供了使用者一個連結(jié)USB與GPIB之間的橋梁。橋接器將于本論文稍后再討論。

　　以太網(wǎng)(Ethernet)

　　最近，儀器廠商已經(jīng)開始將以太網(wǎng)絡(luò)做為單獨儀器的另一個通訊界面選擇。雖然以太網(wǎng)絡(luò)在儀器控制中仍屬新的應(yīng)用技術(shù)，但它已作為一種成熟的技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在測量系統(tǒng)的其他方面。世界上有超過一億臺電腦具有以太網(wǎng)絡(luò)功能，使得以太網(wǎng)絡(luò)做為儀器控制已是必然的趨勢。

　　基于以太網(wǎng)的儀器控制的應(yīng)用可以利用總線技術(shù)的特性，包括儀器遠(yuǎn)程控制，企業(yè)內(nèi)的資源共享和方便的報告生成等。另外，使用者還可以充分利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)。但是，此優(yōu)勢亦可能對一些公司產(chǎn)生困擾，因為這會迫使網(wǎng)絡(luò)管理員涉入傳統(tǒng)的工程應(yīng)用。

　　以太網(wǎng)絡(luò)要用于儀器控制方面，尚需考慮以下因素：傳輸速率、決定性、與安全性。最常見的以太網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為10BaseT或100BaseTX，分別達(dá)到傳輸速率10Mb/s與100Mb/s。但是，這些傳輸速率因為其他網(wǎng)絡(luò)的流量、固定用途、與不足的資料流量而很少達(dá)到。傳輸速率的不確定性決定了以太網(wǎng)絡(luò)上的通訊無法確認(rèn)。最后，面對敏感數(shù)據(jù)使用者，必須有更進(jìn)一步的安全措施，以確保數(shù)據(jù)的完整性與私密性。

　　IEEE 1394 (FireWire)

　　IEEE 1394-1995標(biāo)準(zhǔn)，亦稱作FireWire (蘋果電腦的注冊商標(biāo)) ，是蘋果電腦在1980年代發(fā)展的高效的串口總線，目前IEEE 1394的資料吞吐速率最高可以達(dá)到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394貿(mào)易協(xié)會正在修訂其規(guī)格，擬將資料傳輸速率增加至400Mbyte/s。由于根據(jù)1394規(guī)范，設(shè)備的總線連接必須在4.5米之內(nèi)，那么16個儀器設(shè)備的連接也將在72米范圍之內(nèi)。在Windows操作系統(tǒng)中，目前只有微軟的Windows 2000/XP/98與1394兼容。

　　IEEE 1394總線為高速傳輸應(yīng)用提供很大的潛能，許多數(shù)碼相機(jī)及其他消費性電子產(chǎn)品均已包含IEEE 1394接口，供傳輸資料使用。IEEE 1394的高帶寬為復(fù)雜的多媒體應(yīng)用提供可行的解決方案。IEEE 1394比USB更具優(yōu)越性，其在總線技術(shù)上有一專為控制儀器而定義的傳輸協(xié)定。但是，目前僅有少數(shù)的儀器具有1394接口。

　　雖然IEEE 1394在儀器控制方面有許多優(yōu)勢，如高帶寬等，但仍有一些因素阻礙其現(xiàn)行的發(fā)展。IEEE 1394的主要缺點是1394接口并未內(nèi)置于英特爾的PC集成芯片的周邊(所有Macintosh電腦均內(nèi)建有1394接口)。因此，英特爾的PC使用者必須外接1394控制器，尤其對PCI板卡而言。雖然FireWire排線既輕巧又具彈性，但沒有達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，因此在一些測試與測量應(yīng)用中可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。