为您的测量应用选择合适的总线

NI LabVIEW 2009延续了直观的图形化开发环境以及数据采集硬件与PC总线的无缝集成。面对多种总线上超过200种的不同硬件设备，如何选择一款总线来满足您的应用需求？该白皮书讨论了可供选择的总线，并概述了您在为测量应用选择最佳总线时需要考虑的各种因素。

目录

在选择最佳总线时您需要回答的五个问题

1.      我将通过该总线传输的数据有多少？

2.      我的单点I/O需求是什么？

3.      我需要实现多台设备的同步么？

4.      该系统应当具有怎样的便携性？

5.      我的测量结果距离我的计算机有多远？

 

我将通过该总线传输的数据有多少？

所有的PC总线均对于在某个时间段内可以传输的数据量有一定的限制。这被称为总线带宽，通常以每秒兆字节（MB/s）为 表述单位。如果动态波形测量在您的应用中很重要，请必须考虑一种具有足够带宽的总线。

总带宽可以为多台设备间共享或为某台设备专用，这取决于您所选用的总线，例如，PCI总线为计算机上所有PCI设备提供了共享132 MB/s的理论带宽。提供专用带宽的总线，如PCI Epresss和快速PXI Express，实现了每台设备的最大数据吞吐量。

在进行波形测量时，您需要一定的采样率和精度，这基于您的信号频率而确定。您可以通过将每个采样点的字节数（如不满一个字节则进位到一字节）分别与采样率、通道数相乘，计算所要求的最低带宽。

例如，一台16-bit的设备（两个字节），其四路通道的采样率为4 MS/s，有：

 

您的总线带宽需要能够满足正在被采集的信号的速率，而且，重要的是，注意到实际系统的带宽将会低于总线的理论带宽。实际带宽取决于系统中设备的数目和开销带来的任何额外总线流量。若您需要在众多的通道上传输大量的数据，带宽可能是在选择您数据采集总线时最为重要的考虑因素。

 

我的单点I/O需求是什么？

要求单点读写的应用常常要求I/O数值的一致性与及时性。如果基于总线架构如何在软硬件中实现，单点I/O需求可能会成为您选择总线的决定性因素。

总线时延是I/O的响应特性。它是指驱动程序软件函数被调用时刻与该I/O的实际硬件数值被更新时刻之间的时间延滞。取决于您所选择的总线，该时延范围可能从少于1微妙到数毫秒。

例如，在一个PID控制系统中，该总线时延可能会直接影响控制循环的最大速率。

单点I/O应用中另一个重要因素便是确定性，它用于度量I/O如何一致地执行。与响应特性会发生改变的总线相比，那些在与I/O通信时总是具有相同时延的总线拥有更高的确定性。确定性对于控制应用很重要，因为它直接影响了控制循环的可靠性，而许多控制算法是基于该控制循环将总是以恒定速率执行为前提设计的。任何相对期望速率的偏离都将使得整个控制系统降低效率。

从软件层面来讨论通信总线如何被实现，对于总线时延和确定性有着重要的作用。支持实时操作系统的总线与软件驱动程序将提供最佳的确定性，进而为您提供最高的性能。一般情况下，内部总线，如PCI Epress和PXI Epresss，比外部总线（如USB或无线）更适合低时延的单点I/O应用。

 

我需要实现多台设备的同步么？

许多测量系统存在复杂的同步需求，无论它是实现数百个通道的同步还是实现多种类型仪器的同步。例如，一个激励响应系统可能会要求输出通道共用同一个采样时钟，使用触发作为输入通道以实现I/O的相关操作，并更好地分析其结果。NI不同总线上的数据采集设备都提供了这一功能。几乎所有的NI数据采集（DAQ）设备都提供对可编程多功能输入（PFI）端的访问（PFI可用于实现时钟与触发信号在不同设备间的路由），以及在NI-DAQmx中通过软件方便地配置这些PFI端口。然而，某些总线拥有额外的、内置的定时与触发线路，以使得多设备的同步尽可能地方便。PCI与PCI Express设备提供了实时系统集成（RTSI）总线，通过此总线，一个台式系统的多只板卡可以在机箱内部直接用导线连接。这样免除了从前面连接端子额外接线，并简化了I/O的连接。

对于多台设备的同步，最佳的总线选择便是PXI平台，包括PXI和PXI Express。该开放性标准特别适合高性能的同步与触发，并对于同一块底板内的I/O模块的同步以及多块底板的同步，具有大量不同的可选方案。

 

该系统应当具有怎样的便携性？

引入便携式计算为工程师和科学家们提供了新的利用基于PC的数据采集进行创新的方式。便携性对于许多应用都是一项重要的因素，而且可能会轻易地成为选择一种总线而不是另一种总线的主要理由。例如，车载数据采集应用获益于紧凑且方便运输的硬件。外部总线，如USB和以太网，特别适合于便携式数据采集系统，因为其快速的硬件安装和与便携式电脑的兼容性。总线供电的USB设备提供了额外的便利，因为它们不需要提供一个分立的电源供应。采用无线数据传输总线是实现便携性的另一个较好的选择，因为该测量硬件自身变为便携式的，而该计算机仍可放在原有位置。

 

测量结果距离我的计算机有多远？

您需要进行测量的位置和计算机所处的位置之间的距离，可能会因应用而异。为实现最佳的信号完整性和测量精度，您应当将您的数据采集硬件放置在尽可能靠近信号源的地方。这对于大规模分布式测量（如那些面向结构健康监测或环境监测的应用）可能会成为一项挑战。跨越大桥或工厂地面布置很长的线缆，不仅成本高昂，而且会引入噪声。解决该问题的方法便是利用便携式计算平台将采集系统移至更接近信号源的地方。利用无线技术，计算机与测量硬件之间的有线连接被去除，您可以进行分布式测量并将该数据回传至中央位置。

 

最常见总线的选择指南

基于前面概述的这五个问题，表1展示了一份面向现可用最常见数据采集总线的选择指南。

表1。该表展示了一份基于应用需求的总线选择指南以及NI范例产品

 

¹最大理论数据速率基于下列总线规范：PCI、快速PCI 1.0、PXI、快速PXI 1.0、USB 2.0、100Mbps以太网与Wi-Fi 802.11g。

 

数据采集总线概览

虽然存在很多种不同的总线以及外形尺寸以供选择，但是，该部分聚焦于七种最为常见的总线，其中包括：

• PCI
• PCI Express
• USB
• PXI
• PXI Express
• 以太网
• 无线

图1将这些总线按由NI数据采集产品组成的PC-总线体系架构的方式组织展示，从内插式到可热插拔的外部总线。

 

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图1。多种总线可用于满足您的数据采集需求。

 

 

 

PCI

图2。PCI M系列多功能DAQ

外设部件互连（PCI）总线是现今最常用的内部计算机在线之一。凭借132 MB/s的共享带宽，PCI提供了高速数据传输和面向单点控制应用的确定性的数据传输性能。PCI有许多种不同的数据采集硬件选择，包括高达10 MS/秒和高达18-位精度的多功能I/O板卡。

 

 

PCI Express

图3。PCI Epress的X系列多功能DAQ

PCI Express是PCI的一项演进技术，它完成了PC行业的一个新层次的创新。快速PCI架构的最大一项优势便是由独立的数据传输线路提供的专用总线带宽。与132 MB/s带宽为所有设备共享的PCI不同，快速PCI采用了独立的数据通路，每条数据通路能够以高达250 MB/s的速率传输数据。

该PCI Express总线还能够从单个x1（念作“乘1”）数据通路扩展至x16数据通路，以实现4 GB/s的最大吞吐量，足以在不足一分钟的时间内填满一只200 GB的硬盘。对于测量应用，这意味着更高的、持续的采样率和数据吞吐速率，故而，多台设备不必抢占总线。

了解新款面向快速PCI的X系列DAQ设备

 

 

USB

图4。带有直接BNC连接的USB总线供电M系列

通用串行总线（USB）最初是为了实现外周设备（如键盘与鼠标）与PC的连接而设计。然而，在包括测量与自动化的许多其他应用中，它已被证明非常有用。USB提供了数据采集设备与PC之间的一种成本低廉的、易于使用的连接方式。高速USB 2.0具有最高的理论带宽60 MB/s，该带宽为连接在单个USB控制器上的所有设备所共享。USB设备本质上是有时延的且非确定性的。这意味着单点数据传输不会严格如所预期的发生，因而，USB并不适合高性能控制应用。

在另一方面，该USB总线拥有几项使其相比一些传统的内部PC总线更易于使用的特性。USB设备是可热插拔的，因此，它们免除了关闭PC以添加或删除设备这一繁琐步骤。该总线还具有自动的设备检测，这意味着用户在插入其设备后不必手动对其进行配置。一旦完成了软件驱动程序的安装，操作系统自身会检测和安装该设备。

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PXI平台

图5。PXI平台由底板、控制器和I/O模块组成。

 

面向仪器系统的PCI扩展（PXI）是为了连接台式机PC系统与高端VXI和GPIB系统之间的间隙而开发的。PXI系统联盟拥有超过200家成员，维护该开放标准，并在2006年，通过了PXI Express规范，以便在PXI平台上实现PCI Express数据传输技术。

基于CompactPCI，PXI吸纳了仪器系统拓展和更严格的系统层次规范，以确保面向测量与自动化的开放性和更高的性能。PXI的数据采集系统的技术优势包含通过坚固的封装可以承受在工业应用中常有的恶劣环境。PXI系统还提供了模块化架构，这意味着您可以将多台设备装配在同一个机箱，作为单个独立的仪器使用，而且您能够扩展您的系统，使其功能远超出具有PCI总线的PC机。PXI所提供的另一个最重要的技术优势在于其集成的定时与触发功能。无需任何外部连接，可以利用集成在PXI底板的背板上的内部总线，实现多台设备的同步。

 

以太网

图6。 面向C系列模块的NI以太网DAQ

以太网几乎是世界上每个公司网络的主干网，故而广泛可用。作为一种用于数据采集的总线，以太网非常适合在距离超过USB线缆的5米长度范围情况下，进行便携式测量或分布式测量。单个以太网线缆在需要采用集线器、交换机或中继器之前，可以拓展至100米。这样的距离，结合在实验室、办公室和制造设施内大量安装的网络基础，使得以太网成为远距离分布式测量的理想选择。虽然可用的网络带宽取决于联网设备的数量，100BASE-T（100 MB/s）以太网可以容纳以太网数据采集设备。此外，千兆位以太网（1000BASE-T）可以容纳更多来自100BASE-T网络的数据，以支持更大型的系统。

 

无线技术

图7。面向C系列模块的NI Wi-Fi DAQ

无线技术将基于PC的数据采集的灵活性和便携性，拓展至以往难以布线的测量应用，如风力发电站或民用设施。无线技术通过免除了布线和安装显著地降低了成本。尽管如此，无线技术比其他任何数据采集总线的时延都要高，因此，不推荐要求高速控制或确定性的应用。现有许多不同的无线技术可供使用，其中，最为普及的是IEEE 802.11（Wi-Fi）。

Wi-Fi属于最方便设置的无线技术。连接至Wi-Fi“热点”与插入USB线缆非常相似。经过在IT部门的10年使用，Wi-Fi也变得很安全。IEEE 802.11i（WPA2）是现今商业上可用的最严格的无线安全标准，具有128-位AES加密和IEEE 802.1X身份认证。对于动态波形信号的数据流传输，Wi-Fi比其他无线技术提供更高的带宽，这使其成为机器状况监测和其他高速应用的理想选择。