最新總線技術(shù)在儀器控制與連接應(yīng)用上的發(fā)展遠景

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。目前新總線技術(shù)的使用現(xiàn)今僅有數(shù)個儀器制造廠商﹐在所制造的儀器中內(nèi)建USB﹑以太網(wǎng)絡(luò)﹑或IEEE 1394選擇界面。制造廠商對于總線的集成速度緩慢﹐是因為沒有一種總線技術(shù)能夠在儀器控制工業(yè)中位居于主導(dǎo)地位。USB的普遍性﹐或大型以太網(wǎng)絡(luò)的存在﹐或許可以提供設(shè)計者﹐在儀器控制中加入不同的通訊總線。當(dāng)儀器制造商討論各總線技術(shù)的生存能力時﹐使用者如欲在其現(xiàn)有測試系統(tǒng)使用最新的總線技術(shù)﹐則可以選擇連結(jié)不同的通訊總線的橋接器。

利用橋接器(bridge products)以節(jié)省投資
由于新總線技術(shù)的的接受和應(yīng)用減緩﹐與工業(yè)上對主導(dǎo)總線要求的不確定因素﹐橋接器等產(chǎn)品應(yīng)運而生﹐成為儀器控制與產(chǎn)品連結(jié)的有效解決方案。使用橋接器, 使用者可以輕易的從一種總線轉(zhuǎn)換到不同型號的總線﹐同時利用最新的技術(shù)﹐保持下下的兼容性。例如﹐橋接器的一端可以插入您的電腦或系統(tǒng)上的以太網(wǎng)絡(luò)﹑USB﹑或1394接口﹐而另一端則通過GPIB或串口連接至傳統(tǒng)的儀器。使用者可以享有這些新總線在電腦上即插即用﹑簡易操作與應(yīng)用廣泛的好處。此外﹐通過可以維持儀器控制軟件的兼容性﹐用戶可以減少軟件的投資并縮短研發(fā)時間。橋接器是為了解決使用者在應(yīng)用上產(chǎn)生的困擾而設(shè)計的。例如﹐當(dāng)更改控制器并利用以太網(wǎng)絡(luò)至GPIB橋接器時﹐使用者可以將GPIB插入式控制器的軟件重新使用﹐而不需任何修改。以下討論儀器控制系統(tǒng)軟件的重要性。National Instruments提供了應(yīng)用廣泛的GPIB外接控制器﹐使用戶快速運行并提供降低成本﹑高效的解決方案。使用NI的GPIB-ENET/100﹐與 Ethernet-to -GPIB控制器﹐用戶可以通過TCP/IP網(wǎng)路﹐控制與共享位于世界各地的儀器。另外﹐使用者可不必修改他們?yōu)镚PIB通信所編寫的程序代碼﹐就可應(yīng)用于他們的GPIB-ENET/100。輕便型NI GPIB-USB-A能將任何具有USB接口的電腦﹐轉(zhuǎn)換成全功能﹑即插即用﹑IEEE-488.2的控制器﹐其可控制達14個可編程GPIB儀器。GPIB-USB-A的體積小﹐重量輕﹐是使用不具內(nèi)建I/O插槽的手提式電腦或桌上型電腦等便攜式應(yīng)用的最理想的選擇。GPIB-1394能將任何帶有IEEE 1394接口的電腦轉(zhuǎn)換成一全功能的IEEE 488.2控制器﹐并可控制14個可編程的GPIB儀器。以太網(wǎng)絡(luò)﹑USB與1394在作為測試與測量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)總線界面上﹐有很大的潛能。隨著PC技術(shù)的發(fā)展﹐這些與其他未來的總線可以應(yīng)用于儀器控制。但是﹐考慮到PC技術(shù)的迅猛發(fā)展﹐而測試測量儀器的生命周期相對較長，現(xiàn)在的一些甚至于將來的總線技術(shù)應(yīng)該慎重考慮其在儀器控制方面的應(yīng)用和使用周期。GPIB在儀器控制與連結(jié)方面﹐能成為被廣泛使用的總線﹐主要的原因是經(jīng)過了時間的成功考驗。與現(xiàn)今的總線技術(shù)不同﹐GPIB是特別為儀器控制而設(shè)計﹐并且在未來仍會持續(xù)應(yīng)用于測試和測量的應(yīng)用。

創(chuàng)造靈活的軟件架構(gòu)
不論未來何種總線會與GPIB共同使用﹐軟件的向上兼容性與集成將是任何使用者在混合式I/O系統(tǒng)取得成功的關(guān)鍵。在應(yīng)用新的總線標(biāo)準(zhǔn)的進行無縫連接的同時，如果軟件不存在的兼容性，則會存在花費3小時連接新儀器，還需花費三個月編寫新的應(yīng)用程序的問題。由于多供應(yīng)商﹑多界面系統(tǒng)的現(xiàn)象逐漸流行﹐您需要一個軟件結(jié)構(gòu)，能夠以最少精力與最強大的軟件再利用性方式處理這些系統(tǒng)。例如使用可交換虛擬儀器(IVI) 與虛擬儀器軟件架構(gòu) (VISA) 的工業(yè)軟件標(biāo)準(zhǔn)﹐使用者在轉(zhuǎn)移至新總線時﹐可以維持其軟件與之前撰寫的程序相兼容﹐并符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)定的方式﹐維持其軟件投資。以VISA維持軟件投資為使工業(yè)軟件兼容性更進一步﹐VXI即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟開發(fā)了一個I/O軟件的規(guī)格 — VISA。聯(lián)盟于1993年成立時﹐許多VXI﹑GPIB與串口界面的非標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)存在。對于這些總線﹐VISA為高層多供應(yīng)商系統(tǒng)軟件提供研發(fā)﹑傳送與交互使用的共用基礎(chǔ)﹐如儀器驅(qū)動程序﹑軟件面板﹑應(yīng)用軟件等。雖然此聯(lián)盟定義了VISA﹐然而一些個別的供應(yīng)商也有不同的VISA軟件。由于VISA能為儀器通訊定義應(yīng)用程序界面(API)﹐當(dāng)您移至新的總線接口或混合式I/O系統(tǒng)時﹐仍可以確保您的軟件投資。但使用上述模式有一個問題﹐就是各供應(yīng)商設(shè)計的VISA軟件﹐是用于供應(yīng)商自己的控制器﹐而不能使用于其他供應(yīng)商的產(chǎn)品。另外﹐欲在新的總線上工作﹐您必須安裝一個完整的VISA庫。有時這是由不同的供應(yīng)商提供﹐而且這也不保證能維持現(xiàn)存的界面。為解決此問題﹐National Instruments早已使用一個”Passport”插入式模塊重新設(shè)計我們的VISA產(chǎn)品﹐此模塊為各個不同的總線定義不同的通訊接口﹐或稱作passport。此NI Passport模塊將特定的連結(jié)總線的通訊機制與核心VISA庫分開﹐此函式庫含有常用的高階VISA API。使用此模塊﹐各個不同的總線需要一個passport以連接至核心VISA引擎﹐因此﹐可以很容易的與新總線相容﹐而不需牽動現(xiàn)有的界面。通過這一模塊﹐您可以真正的擁有多重供應(yīng)商﹑多重界面的系統(tǒng)。與其他依賴如 COM技術(shù)的解決方案不同﹐多平臺的ANSI C技術(shù)仍舊是Passport模型的基礎(chǔ)。National Instruments承諾將使VISA與任何會在測試與測量應(yīng)用中受歡迎的總線介面兼容。以IVI尋找多變性IVI基金會正在定義儀器驅(qū)動程序的標(biāo)準(zhǔn)——一個能夠克服低階通訊的軟件模塊﹐ 這是一個建立在VISA之上的標(biāo)準(zhǔn)﹐提供強健高效能﹑容易使用的儀器傳輸協(xié)議。這些儀器驅(qū)動程序是根據(jù)基本標(biāo)準(zhǔn)而制作﹐包含如測量或讀取波形的高階功能﹐而其內(nèi)部包含低階VISA讀寫功能。與VISA合并﹐IVI可提供給多重供應(yīng)商﹑多重平臺﹑與混合I/O測試系統(tǒng)一個強大的功能機制。

結(jié)論
雖然以太網(wǎng)絡(luò)和USB技術(shù)在儀器控制﹑系統(tǒng)的未來并不明朗﹐借助橋接式產(chǎn)品﹐使用者可以很快且很容易的應(yīng)用新的電腦總線技術(shù)。不論這些總線的未來如何﹐使用者在任何新技術(shù)普及前﹐會要求其與現(xiàn)有軟件與研發(fā)的應(yīng)用軟件相兼容。測試系統(tǒng)的未來會由硬件儀器與混合I/O連結(jié)組成。在系統(tǒng)整個生命期內(nèi)維持軟硬件架構(gòu)的最好方式﹐是使用一個穩(wěn)定而能與多供應(yīng)商﹑多界面﹑與多平臺系統(tǒng)工作的軟件架構(gòu)。