仪器总线性能——理解仪器控制中的竞争的总线技术

是否适合工业应用，是否需要额外的工作以"加固"仪器与系统控制器间的连接。

仪器控制总线比较（GPIB、USB、PCI、PCI Express和以太网/LAN/LXI）

GPIB

我们研究的第一个总线是IEEE 488总线，较为熟悉的称谓是GPIB（通用接口总线）。GPIB是一种在业界已经得到证明的专为仪器控制应用设计的总线。GPIB在过去30年来一直是鲁棒的、可靠的通信总线，由于其低时延和可接受的带宽的特点，GPIB目前仍然是仪器控制中最常见的选择。GPIB的优势在于为业界广泛采纳，并有超过10,000种仪器模型带有GPIB接口。

由于其最大带宽为1.8 MB/s，GPIB最为适合与分立仪器通信，并对分立仪器进行控制。最新的高速版HS488将带宽提高到8 MB/s。GPIB中的数据传递采用基于信息的通信模式，并最常使用ASCII字符。多个GPIB仪器可以通过电缆连接，其总距为20米，带宽为总线上的所有仪器共享。虽然GPIB的带宽相对较低，但其时延要比USB尤其比以太网低得多（即性能好）。尽管GPIB有目前最好的软件，而且稳定的线缆和连接器也能适合最恶劣的物理环境，但GPIB仪器在连接到系统时，并不能自动检测或自动配置。对于现有仪器的自动化或要求高度专业化仪器的系统，GPIB是理想的选择。

USB

近年来，USB（通用串行总线）在计算机外设的连接方面日渐普及。这样的普及性已经蔓延到测试与测量领域，越来越多的仪器生产商在其仪器中增加USB设备控制器功能。

高速USB的最大传输速率为60MB/s，这使其成为颇具吸引力的仪器连接和控制的可选方案（这里的仪器包括分立仪器和数据速率低于1 MS/s的虚拟仪器）。虽然绝大多数便携机、台式机和服务器可能有多个USB端口，但那些端口通常都连接到同一个主机控制器，所以USB的带宽是被这些端口共享的。USB的时延属于中间级别（位于延迟最大的以太网与最小的PCI和PCI Express之间）线缆长度的上限是5米。USB设备的优势在于自动检测， USB设备不同于其它LAN或GPIB技术，当USB设备被接入PC时，PC能够即刻识别并配置该USB设备。在这里研究的所有总线中，USB连接器是鲁棒性最差，安全性最低的。需要外部线缆套将其恰当保存。

USB设备非常适合那些包括便携式测量、便携机或台式机的数据录入和车载数据采集的应用。由于USB在PC上的普及程度，特别是其即插即用的易用性，该总线已经成为一种分立仪器中较为普遍的一种通信方式。USB测试与测量类（USBTMC）规范描述了广泛的测试与测量设备的通信需求。

PCI

在这里研究的所有总线中，PCI和PCI Express具有最佳的带宽和时延规范。PCI的带宽为132 MB/s，这一带宽为总线上的所有设备共享。PCI的时延性能基准值为700 ns，与时延为1ms的以太网相比，这个指标是非常出色的。PCI采用基于寄存器的通信方式。与这里所提及的其它总线不同的是，PCI并不通过线缆与外部仪器相连。相反的，PCI是一个用于PC插入式板卡和模块化仪器系统（如PXI）的内部PC总线，因此距离量度并不直接适用。然而，当与一个PXI系统连接时，PCI总线可以通过使用NI光纤MXI接口，最远"延展"至200米。由于PCI连接用于计算机内部，所以有理由说：PCI连接器的鲁棒性可能受限于其所在的PC的稳定性和鲁棒性。PXI模块化仪器系统，是围绕PCI信令构建而成的，通过高性能背板连接器和多个螺丝端子固定连接，从而增强连接性。如果PCI或PXI模块安装恰当，系统启动后，Windows将自动检测并为模块安装驱动程序。

PCI（以及PCI Express）与以太网、USB的共同优势在于，它们普遍存在于PC机上。PCI是PC历史上采用的最为广泛的标准之一。如今，每台台式机都能提供PCI插槽或PCI Express插槽。一般来说 ，PCI仪器需要的成本更低，因为这些仪器依赖其所在主机的电源、处理器、显示器和内存，而不再需要在仪器中另外配置这些硬件。

PCI Exrpess

PC IExpress与PCI相似。它是PCI标准的最新演进版本，相当于高速USB与USB的关系。因此，上述关于PCI评价的许多内容也适用于PCI Express。

PCI Express和PCI的主要性能差别在于， PCI Express总线的带宽更高，而且能为每台设备分配专用带宽。在本文所讨论的所有总线中，只有PCI Express能为每个外设总线提供专用带宽。GPIB、USB和LAN都是在所有连接的外设中共享带宽。在PCI Express中，数据在称之为"窄带"的点对点的连接中以单方向250 MB/s的速度传输。每个PCI Express连接可以由多个窄带组成，所以PCI Express总线的带宽取决于其在插槽和设备中的实现方式。一个x1（1条窄带）连接能提供250 MB/s带宽，一个x4（4条窄带）连接就能提供1 GB/s带宽，而一个x16（16