以太网与GPIB测量系统的对比和进展

摘要： 在测量系统中GPIB已使用30多年，对以太网只有几年的经验。两种总线的特性对比结果非常相近，只是以太网的延迟要比GPIB 差得多。为克服此瓶颈，对以太网 引入IEEE1588协议，取得满意的结果。LXI将综合GPIB 、以太网和IEEE1588 的优点成为新一代测量仪器接口标准。

关键词： GPIB 以太网IEEE1588LXI

Measurement system and improvement ethernet vs GPIB

Abstract： GPIB has been accepted more than 30 years and Ethernet is a new comer in measurement system. The comparison of these two interfaces indicates that their main  characters are near. But GPIB latency of 30 us is much better than Ethernet latency of 1000 us. To overcome the bottle neck of Ethernet, the IEEE 1588  protocol has been introduced to improve its latency. The next generation instrument interface LXI will combine all advantages of GPIB and Ethernet and IEEE1588. 

Keywords： GPIB,Ethernet,IEEE1588,LXI.

0、引言

测量仪器从20世纪70年代出现IEEE488总线以来，每隔十年左右就要推出新一代的仪器总线，如上世纪的VXI（80年代）、PXI（90年代）和最近推出的LXI。作为第四代的仪器总线LXI实际上是以太网的扩展，目标在于开发一种比IEEE488更适用的台式仪器接口。国家仪器公司（NI）仪器控制和VXI高级产品销售经理Alex McCorthy最近发表的文章“GPIB和以太网，选择更好的仪器总线”，勾划出两者的比较结果。以下介绍他的文章要点，以及这两种总线近年取得的进展。

 
1、以太网和GPIB各有特点

人们很容易从直观出发，认为以太网具有较高的带宽和广泛的网络应用，顺理成章地代替使用三十多年的IEEE488总线（GPIB），这种结论并不准确。NI公司既生产图形编程软件labview，同时也生产GPIB和以太网接口的仪器，因此有条件对它们作特性的对比。对比测试的前题是评估哪一种总线的测试时间最短。经过客观的评估，得出的结论是“最佳的总线应根据应用要求的特性而定，因为这两种总线对所有测试作业各有优点和不足”。

为了真正实现对总线特性的评估，尽量减少被测仪器本身引入的影响，将测试作业分成6个较小的作业：设置状态、查询、数据传输（或数据块搬移）、服务请求、触发及中止。根据应用情况的不同，它们的顺序、数目、混合使用是不尽相同的。总测试时间等于多种小作业时间的总和。在测试过程中，所用的PC主机、仪器硬件和软件完全相同，只有总线不相同，这样足以反映被测总线的真实特征，突出数据传输和每秒作业数目等主要指标。

对比测试用的PC主机的配置：双奔腾4 CPU，时钟频率3GHz，4GB内存，两个Gb级以太网端口，显然这种高配置不会影响仪器总线的运行速度。被测仪器是带有嵌入式系统和数字I/O的A/D转换器，两种总线的接口芯片都采用最好的产品。硬件条件非常适合总线对比总线的测量，对GPIB来说只连接一个器件，对以太网来说只使用一条连接电缆，而且两种总线都没有经过开关、集线器等环节，后端仪器亦完全相同，为对比测试提供宽松的硬件条件。软件因素如嵌入式操作系统、固件、核心软件、输入输出缓存管理、命令分析器、控制逻辑等都会影响仪器总线的特性。对比测试所用的软件完全相同，而且测试运行前的起始状态亦一样，只有总线的电缆和虚拟仪器软件的结构源名称不相同，一个是GPIB电缆和GPIB语句，另一个是以太网电缆和TCP/IP语句。

2、对比测试结果难分胜负

GPIB是1.8Mb/s的并行总线，相当串行传输率1.8×8=14.4Mb/s，100Mb/s的以太网代表当今PC最常用的串行端口，因而，以太网在传输率或带宽方面比GPIB高出100/14.4=7倍。然而，GPIB总线的延时约为30μs，以太网的延时则达到1，000μs左右，即在延时方面GPIB只有以太网的1/33倍，这两个重要参量的差异，将在对比测试结果中反映出来。有关设置状态、查询、数据传输的测试结果如表1和表2所示，表1归纳GPIB和以太网在设置状态和4字节传输时的相应每秒作业数；表2归纳GPIB和以太网在查询和256字节、4K字节、32K字节传输时的相应每秒作业数。

表1GPIB和以太网的作业速度对比（I）GPIB以太网GPIB/以太网设置状态5848次/秒863次/秒6.784字节传输4630次/秒944次/秒4.90

表2GPIB和以太网的作业速度对比（II）GPIB以太网以太网/GPIB256字节传输171次/秒202次/秒1.184K字节传输11.4次/秒15.2次/秒1.3332K字节传输1.62次/秒1.93次/秒1.19查询105次/秒107次/秒1.02

从表1可见，GPIB在设置状态作业时要比以太网快6.78倍，在4字节的短数据传输时要比以太网快4.9倍。从表2可见，以太网在查询作业时比GPIB稍快1.02倍，在常用的256字节和4K字节传输中比GPIB快1.18倍和1.33倍，在32K字节的长数据传输时比GPIB只快1.19倍。为了对比测试更具客观性，设置状态采用对两种总线都通用的〈CLS〉命令，查询作业采用〈IDN〉命令，即通用的没有延迟的查询命令。每种数据传输字节都从仪器的输出缓存取得，重复运算50至1000次再求平均值。大部分查询作业约为4字节的数据长度，属于短数据的传输类型。对比测试的实测结果表明：第一，虽然以太网的数据传输率比GPIB快7倍，但是查询作业速度大体相同（1.02倍），中长数据传输的优势亦不是显著（1.33倍）。第二，已知GPIB的延迟时间比以太网短33倍，非常有利于短数据的传输，但是实际结果具有更大优势（40倍以上）。

如何发挥两种总线的优势，如何选择适用的总线呢？Alex Mc Carthy列举一个实例，他假设有两种测试情况，即评估测试和生产测试。评估测试要求更高分辨率、更多变量、更多置换、更多的原始数据，通常测试时间较长。生产测试要求较低分辨率、较少变量、较少置换，通常运行更多的单个测试，典型的生产测试采用更多的设置状态，使用合格/不合格结果，数据传输量不多，测试时间较短。据此假定评估测试的作业内容和生产测试的作业内容分别是：

·评估测试——设置状态100次，查询1，000次，短数据传输10次，长数据传输1，000次；
·生产测试——设置状态10，000次，查询1，000次，短数据传输100次，长数据传输10次。

根据评估测试和生产测试的相应作业内容，以及表1、表2列出的GPIB和以太网的对应作业的每秒运算速度，求得评估测试和生产测试的总运算时间分别是：

·评估测试——GPIB是629.3秒，以太网是527.3秒，GPIB/以太网之比等于119%；
·生产测试——GPIB是26.3秒，以太网是32.8秒，以太网/GPIB之比等于123%；

结果表明，在评估测试中以太网比GPIB快19%，在生产测试中GPIB比以太网快25%。换句话说，这两种总线在测量系统中难分胜负。

 
3、以太网测试领域中的巨大潜力

Alex Mc Carthy详细介绍了NI公司所进行的GPIB和以太网在仪器控制应用中的对比测试结果，揭示了借助严格条件下获得的重要数据。让我们了解到GPIB作为第一代测量仪器总线的优点，经历三十多年仍然在台式仪器系统中发挥作用的原因，以及以太网作为仪器控制总线应用的不足之处，尽管以太网在中长数据传输略胜一筹，然而，延迟太长是它的不利因素。这种“就线论线”的对比测试存在某些不足，我们不妨多考虑几个问题：

第一，经济性。即使GPIB（IEEE488.1）和以太网（快速100Mb/s）在上述对比测试中不分胜负，但是在组网成本方面，以太网要便宜得多，节省费用一半以上，大众化的以太网产品趋向普及，价位还会下降。

第二，升级性能。GPIB已进入生命周期的稳定阶段，特性不会有较大的提高，NI公司曾完成将GPIB提速至8Mb/s（相当串行64Mb/s的传输率），并且被IEEE488小组接受为“高速IEEE488”，但用户屈指可数，绝大多数台式仪器仍然使用IEEE488.1标准。相对而言，以太网的数据传输率在不断扩展，步进是10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s和10Gb/s，目前最通用的是快速以太网（10/100Mb/s），Gb级以太网（1Gb/s和10Gb/s）的产品已可供使用，10Gb/s以上正在开发中。

第三，网络性能。GPIB属于测量仪器专用网，以太网作为局域网可通过服务器或网关接到企业网和广域网，实现无处不在的连接，在全球范围进行信息交换和远端控制，这是比GPIB优胜得多的特点。

第四，扩展性。目前还未见到有关GPIB升级或扩展应用的报导，以太网的仪器扩展（LXI）接口已经酝酿两年，LXI联合会于9月26日发布1.0版本规范。LXI仪器与以太网的兼容级别将有A、B、C三级，A级实现IEEE1588标准的硬件和软件的定时同步，B级实现IEEE1588标准的软件定时同步，C级只有以太网的定时能力。表明LXI接口拥有比以太网更好的延迟特性，这是通过IEEE1588协议标准来达到的，IEEE1588可实现网络分布系统中各模块的实时时钟同步。

应该承认，NI公司有关GPIB和以太网的对比测试是严谨的，结果可靠。但是，这种只就事论事的“就总线论总线”有不够全面的地方，以太网是面向通信的总线，而GPIB是面向仪器的总线。由于以太网的无处不在特点和经济实惠，在PC机作为标准配置和台式仪器大部分增加以太网接口的条件下，仪器供应商开始借助以太网用于测量和控制，此外，工业自动化、电信系统、电力系统、遥控遥测等领域都广泛利用以太网。这些应用对定时同步有较高要求，以太网的1，000μs延迟时间成为瓶颈，必须设法克服。

 
4、以太网和IEEE1588协议

开发GPIB和LXI总线起最重要作用的安捷伦科技公司，自从与惠普公司分离成为独立的仪器供应商之后，即着手开发新一代的比GPIB更具影响力的LXI总线。1960年惠普开发HPIB是独家承担的，后来向全业界推广作为开放式仪器总线，1972年被业界接受为第一个程控通用仪器总线GPIB，然后批准成为IEEE488标准。1980年代至1990年代末惠普同时是GPIB仪器和VXI仪器的最大供应商，1999年成立的安捷伦科技继承了惠普的仪器业务和惠普传统，2004年将VXI产品线出售给VXI科技公司后，安捷伦科技和VXI科技共同发起LXI总线联合会，制订开放式LXI总线标准。由此可见，在仪器总线开发和实践方面安捷伦都具备足够的经验，选择以太网扩展成LXI接口总线必然是经过慎重考虑的。

这里简单介绍一下安捷伦为解决以太网用于测量和控制时降低延迟瓶颈所作的努力。我们知道，以太网在1985年成为IEEE802.3标准后，在1995年将数据传输速度从10Mb/s提高到100Mb/s的过程中，计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题，开发出一种软件方式的网络时间协议（NTP），提高各网络设备之间的定时同步能力。1992年NTP版本的同步准确度可以达到200μs，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决测量和控制应用的分布网络定时同步的需要，具有共同利益的信息技术、自动控制、人工智能、测试测量的工程技术人员在2000年底倡议成立网络精密时钟同步委员会，2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）的支持，该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过作为IEEE1588标准。

IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，IEEE1588标准的草案基础来自惠普公司的1990至1998年的有关成果，换句语说，安捷伦科技对IEEE1588标准作出重要贡献。安捷伦实验室的资深研究员John Eidson被网络业界视为专家，他的“IEEE1588在测试和测量系统的应用”，以及“IEEE1588：在测控和通信的应用”两篇论文对IEEE1588协议有精辟和全面的介绍。IEEE1588协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE1588协议的以太网延迟时间1，000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。

在这里简要说明IEEE1588的特点：

·早期的网络时间协议（NTP）只有软件，而IEEE1588既使用软件，亦同时使用硬件和软件配合，获得更精确的定时同步；
·GPIB总线没有同步时钟传送，依靠并行电缆和限制电缆长度（每器件距离）不超过5m来保证延迟小于30μs；

·GPIB的数据线与控制线是分开的，VXI和PXI两种总线分别在VME和PCI计算机总线上扩展，都要增加时钟线。IEEE1588无需额外的时钟线，仍然使用原来以太网的数据线传送时钟信号，使组网连接简化和降低成本；
·时钟振荡器随时间产生漂移，需要标准授时系统作校准，校准过程要缩短和安全可靠。目前常用的有GPS（全球定位系统）和IRIGB（国际通用时间格式码），IRIGB每秒发送一个帧脉冲和10MHz基准时钟，实现主控机/客户机的时钟同步。IEEE1588采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单可靠，节约大量时钟电缆；
·IEEE1588推出的时间尚短，还有待完善和修正。例如，对集线器和开关的透明网络可提供很好的定时同步，但还未克服装有路由器的带有不决定性的网络定时。目前正在设计和试产可测量引入延时和自动补偿延时的网络开关芯片。还有，IEEE1588完整芯片还未推出，只有FPGA基的代用芯片，Intel公司已声称尽快生产可支持奔腾处理器的IEEE1588完整芯片。

 
5、以太网进入自控和测量系统

在工业自动化方面更早采用IEEE1588，发表的文章也比较多，特别是在自动控制和数据采集方面有所收获。专门供应网络时间服务器的Symmetricom公司介绍一种涡轮机控制系统，前端的各种传感器连接到数据采集板，板上安装的精确时钟通过IEEE1588协议的以太网与系统主时钟同步，使传感器的同步时间发生在1μs内，每秒钟内要执行200次测量，测量间隔5ms，传感器的轮换时间是1μs。控制系统内的多种测量仪器在时间对准后，按本地时钟捕捉数据和分析数据，清除了触发产生的延迟。这种利用IEEE1588协议的以太网数据采集系统，节省大量分别连接每个传感器的线缆，达到精确定时同步，便于远控测量，成本降低，已引起业界的重视。当前工业自动化使用IRIGB格式时间码，具有每天时间准确度小于1μs。应该看到，IEEE1588具有潜力，再将控制系统的每天时间准确度推进到100ns。原因在于IRIGB时间码要每秒发送1个时钟脉冲至每个测量设备，并且随该脉冲发送每天的时戳，而IEEE1588协议可直接将每天时间信息从主控时钟发送到客户时钟，更具有优势。从发展趋势来看，采用IEEE1588协议的以太网将在工业自动化系统中占有市场。

同样，采用IEEE1588协议 的以太网，解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差的瓶颈，显然在测量仪器系统的应用中将发挥更大作用。事实上，以太网的仪器扩展接口LXI就是以采用IEEE1588协议的以太网作为骨干的仪器应用，再配备测量仪器系统所需的其它条件，组成吸收了GPIB到VXI和PXI的特点而构建的新一代测量仪器接口。