如何为仪器控制系统选择合适的硬件总线(2)

6. 仪器控制硬件总线概述

GPIB

通用接口总线(GPIB)在独立仪器中是一种最常见的I/O接口。GPIB是8位并行数字通信接口，数据传输速率高达8 Mb/s。一个GPIB控制器总线可以最多连接14个仪器，并且其布线距离小于20米。但是，您可以通过使用GPIB扩展器和延长器克服这些限制。GPIB电缆和连接器种类丰富，并且是工业等级的，可以用于任何环境中。

GPIB不是一个PC工业总线，很少用于PC上。但是，您可以使用一个插件板，如PCI-GPIB，或者外部转换器，如NI GPIB-USB，将GPIB仪器控制功能添加到PC上。

串行总线

串行总线是主要用于老式台式机和笔记本电脑上的设备通信协议，请不要将其与USB混淆。在很多设备中，串行总线是最常见的仪器通信协议，而且很多与GPIB兼容的设备还具有EIA232端口。EIA232 和EIA485/EIA422也可以被称作RS232和RS485/RS422。

串行通信的概念很简单。串行端口每次发送和接收一个比特的信息。虽然它比每次传输整个字节的并行通信慢，但是串行总线更简单，而且使用距离更长。

通常情况下，工程师们使用串行接口来传输ASCII数据。他们使用三个传输线路来完成通信：地线、发送线和接收线。因为串行通信是异步的，端口可以在一条线路上传输数据，而在另一条线路上接收数据。其它线路可用于信号握手，但并不是必须的。串行通信的关键指标是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位。两个串行端口若要进行通信，这些参数必须匹配。

USB

通用串行总线(USB)主要是用于与PC连接的外围设备，例如键盘、鼠标、扫描仪和磁盘驱动器等。在过去的几年中，支持USB连接的设备数量急剧增加。USB是一种即插即用技术，当添加一个新设备时，USB主机自动检测该设备，发出询问以识别该设备，并为其配置合适的设备驱动。

USB 2.0对于低速和全速设备是完全兼容的。其高速模式的数据传输速率能够高达480 Mbit/s (60 MB/s)。最新的USB3.0规范具有超高速模式，其理论数据传输速率可高达5.0Gbit/s。

虽然USB总线的设计初衷是针对PC外设，但是它的速度、广泛的适用性以易用性，令其在仪器控制应用中具有很大的吸引力。而USB总线在仪器控制中也存在一些不足：首先，USB线缆不是工业级标准的，可能在充满噪声的环境中导致数据丢失;另外，USB线缆没有锁紧装置，线缆可以很轻易地被拔出PC;而且，即便使用了中继器，USB线缆的最长传输距离只有30m。

以太网

以太网是一种成熟的技术，广泛应用于测量系统中，可以进行通用的网络连接以及远程数据存储。目前，全世界拥有超过一亿套配置以外网接口的计算机。而且，以太网还提供了用于仪器控制的功能选项。以太网是基于IEEE 802.3标准定义的，理论上可支持10Mbits/s(10 BASE-T)、100 Mbit/s (100BASE-T)和 1 Gbit/s (1000BASE-T)的数据传输速率。其中，最常见的就是100 Mbit/s (100BASE-T)以太网。

基于以太网的仪器控制应用充分利用了以太网总线的特点，包括远程仪器控制、简便的仪器共享方式、以及易于使用的数据结果的发布功能等。此外，用户还可充分利用公司或者实验室中现有的以太网络。然而，对于某些公司来说，以太网的这种特点还会带来一些麻烦：公司网络管理员可能需要介入到仪器应用的开发之中。

基于以太网总线的仪器控制还有其它缺点，例如可能存在实际传输速率、传输确定性以及安全性方面的问题。虽然以太网总线可以实现高达1 Gbit/s的理论传输速率，但在实际使用中，由于网络同时也被其它应用占用，而且存在数据传输失效等问题，这种理论传输速率很少能够真正实现。此外，由于传输速率不稳定，以太网很难保证数据传输的确定性。最后，对于一些敏感的数据，用户需要采取额外的安全措施，确保数据完整与保密。

PCI

PCI总线通常不直接用于仪器控制，而是作为一种外设总线，通过连接GPIB或者串行通信总线来实现仪器控制。此外，由于其PCI总线带宽较高，常用于模块化仪器的背板总线，此时，其I/O总线内置于测量设备中。