最新总线技术在仪器控制与连接方面应用

　　过去二十多年间﹐科学家与工程师已在自动化仪器系统中广泛使用IEEE 488和通用接口总线GPIB。当大众化电脑技术进入测试与测量领域﹐并在连接仪器时应用USB﹑以太网路﹑与IEEE 1394等总线技术时﹐GPIB接口是否能够在将来成为仪器控制总线接口的首选就成了问题。由于GPIB拥有强大功能与广大的使用者基础﹐GPIB在未来的许多年仍会继续存在。但是﹐仪器控制工业很可能将开始进入全球范围内的混合I/O系统的领域。本论文探讨的是GPIB与其他总线组合使用时仪器系统的未来发展﹐以及在仪器控制中软件”向上兼容”的重要性。

　　GPIB基础

　　GPIB是专为仪器控制应用而设计的。在七十年代﹐IEEE 488标准的诞生致使1975年产生了GPIB在电气﹑机械与功能规格方面的标准﹔在1987年ANSI/IEEE标准488.2更明确地定义了控制器与仪器通过GPIB通讯的方法﹐使先前的规格更加完备。 GPIB是一数字的8位平行通讯界面﹐传输速率达8Mbyte/s。总线提供的一个控制器在20米的排线长度内最多可连结14个仪器。但使用者若使用GPIB扩增器与延长器便可以突破这两个限制﹐而GPIB排线与连接器是一种多方面适用并符合工业标准的产品﹐可在任何环境内使用。

　　新总线技术的优势

　　过去的电脑仅提供包括串口（RS-232）与并口﹐近年来,电脑配备均提供以太网络﹑USB（通用序列总线）﹑有时甚至提供IEEE 1394（FireWire）接口。这些新的总线具有许多吸引人的特性 – 易于使用 （USB） ﹑易于连结 （以太网络） 以及高速 （IEEE 1394）。

　　USB

　　USB的设计主要是用来连结外围设备如键盘﹑扫瞄仪﹑与磁盘机之类的电脑。苹果电脑率先于1998年使用USB做为其唯一的串口﹐在过去数年中电脑工业使用USB连结的装置数目已大大的增加。

　　以目前的USB1.1规格而言﹐资料传输速率已高达1.5 Mbyte/s﹐而下一代的USB产品会使用USB2.0规格﹐更将总线资料传输速率提升至60 Mbyte/s。USB2.0规格能与USB1.1装置兼容﹐甚至可使用相同的连接器。由于通用串口总线是一种即插即用技术﹐每当加入一新装置时﹐USB主机会自动测试并辨识其身分﹐然后适当地调整其配置﹐且一个接口能同时控制127个装置。对于Windows操作系统而言﹐USB连结目前只能在Windows 2000/XP/98执行。

　　USB具有价格低廉及容易连结仪器与电脑的优点。此外﹐USB提供更方便的串口功能如﹕热插拔﹑内置操作系统微调功能﹑高弹性等﹐来改善传统串口的技术。

　　虽然USB有许多吸引人的优点﹐在仪器控制方面亦有一些缺点。首先﹐USB排线没有工业标准规格﹐在嘈杂的环境下﹐可能造成资料的遗失﹔另外﹐USB排线没有闭锁机制 — 排线可能很容易的从电脑或仪器中拔除。排线长度（包括使用线上中继器） 最大可至30米﹔最后﹐在仪器控制方面USB没有工业传输标准的规定﹐需由仪器制造商自行设计。

　　尽管USB有一些缺点﹐但由于目前电脑上的广泛使用和USB2.0的高速﹐使其成为未来仪器控制的领导先趋。虽然目前很少仪器提供USB的控制选项﹐但使用者可以通过桥接器与USB连结他们仪器控制的应用.桥接器 提供了使用者一个连结USB与GPIB之间的桥梁。桥接器将于本论文稍后再讨论。

　　以太网（Ethernet）

　　最近﹐仪器厂商已经开始将以太网络做为单独仪器的另一个通讯界面选择。虽然以太网络在仪器控制中仍属新的应用技术﹐但它已作为一种成熟的技术被广泛的应用在测量系统的其他方面。世界上有超过一亿台电脑具有以太网络功能﹐使得以太网络做为仪器控制已是必然的趋势。

　　基于以太网的仪器控制的应用可以利用总线技术的特性，包括仪器远程控制，企业内的资源共享和方便的报告生成等。另外﹐使用者还可以充分利用现有的以太网络。但是﹐此优势亦可能对一些公司产生困扰﹐因为这会迫使网络管理员涉入传统的工程应用。

　　以太网络要用于仪器控制方面﹐尚需考虑以下因素: 传输速率﹑决定性﹑与安全性。最常见的以太网络传输速率为10BaseT或100BaseTX﹐分别达到传输速率10Mb/s与100Mb/s。但是﹐这些传输速率因为其他网络的流量﹑固定用途﹑与不足的资料流量而很少达到。传输速率的不确定性决定了以太网络上的通讯无法确认。最后﹐面对敏感数据使用者﹐必须有更进一步的安全措施﹐以确保数据的完整性与私密性。

　　IEEE 1394 （FireWire）

　　IEEE 1394-1995标准﹐亦称作FireWire （苹果电脑的注册商标） ﹐ 是苹果电脑在1980年代发展的高效的串口总线﹐目前IEEE 1394的资料吞吐速率最高可以达到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394贸易协会正在修订其规格﹐拟将资料传输速率增加至400Mbyte/s。由于根据1394规范，设备的总线连接必须在4.5米之内，那么16个仪器设备的连接也将在72米范围之内。在Windows操作系统中﹐目前只有微软的Windows 2000/XP/98与1394兼容。

　　IEEE 1394总线为高速传输应用提供很大的潜能﹐许多数码相机及其他消费性电子产品均已包含IEEE 1394接口﹐供传输资料使用。IEEE 1394的高带宽为复杂的多媒体应用提供可行的解决方案。IEEE 1394比USB更具优越性﹐其在总线技术上有一专为控制仪器而定义的传输协定。但是﹐目前仅有少数的仪器具有1394接口。

　　虽然IEEE 1394在仪器控制方面有许多优势﹐如高带宽等﹐但仍有一些因素阻碍其现行的发展。IEEE 1394的主要缺点是1394接口并未内置于英特尔的PC集成芯片的周边（所有Macintosh电脑均内建有1394接口）。因此﹐英特尔的PC使用者必须外接1394控制器﹐尤其对PCI板卡而言。虽然FireWire排线既轻巧又具弹性﹐但没有达到工业标准规格﹐因此在一些测试与测量应用中可能会导致数据丢失。