總線(xiàn)技術(shù)在儀器控制與連接方面的遠景

　　過(guò)去二十多年間，科學(xué)家與工程師已在自動(dòng)化儀器系統中廣泛使用IEEE 488和通用接口總線(xiàn)GPIB。當大眾化電腦技術(shù)進(jìn)入測試與測量領(lǐng)域，并在連接儀器時(shí)應用USB、以太網(wǎng)路、與IEEE 1394等總線(xiàn)技術(shù)時(shí)，GPIB接口是否能夠在將來(lái)成為儀器控制總線(xiàn)接口的首選就成了問(wèn)題。由于GPIB擁有強大功能與廣大的使用者基礎，GPIB在未來(lái)的許多年仍會(huì )繼續存在。但是，儀器控制工業(yè)很可能將開(kāi)始進(jìn)入全球范圍內的混合I/O系統的領(lǐng)域。本論文探討的是GPIB與其他總線(xiàn)組合使用時(shí)儀器系統的未來(lái)發(fā)展，以及在儀器控制中軟件”向上兼容”的重要性。

　　GPIB基礎

　　GPIB是專(zhuān)為儀器控制應用而設計的。在七十年代，IEEE 488標準的誕生致使1975年產(chǎn)生了GPIB在電氣、機械與功能規格方面的標準;在1987年ANSI/IEEE標準488.2更明確地定義了控制器與儀器通過(guò)GPIB通訊的方法，使先前的規格更加完備。 GPIB是一數字的8位平行通訊界面，傳輸速率達8Mbyte/s�？偩�(xiàn)提供的一個(gè)控制器在20米的排線(xiàn)長(cháng)度內最多可連結14個(gè)儀器。但使用者若使用GPIB擴增器與延長(cháng)器便可以突破這兩個(gè)限制，而GPIB排線(xiàn)與連接器是一種多方面適用并符合工業(yè)標準的產(chǎn)品，可在任何環(huán)境內使用。

　　新總線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢

　　過(guò)去的電腦僅提供包括串口(RS-232)與并口，近年來(lái)，電腦配備均提供以太網(wǎng)絡(luò )、USB(通用序列總線(xiàn))、有時(shí)甚至提供IEEE 1394(FireWire)接口。這些新的總線(xiàn)具有許多吸引人的特性 – 易于使用 (USB) 、易于連結 (以太網(wǎng)絡(luò )) 以及高速 (IEEE 1394)。

　　USB

　　USB的設計主要是用來(lái)連結外圍設備如鍵盤(pán)、掃瞄儀、與磁盤(pán)機之類(lèi)的電腦。蘋(píng)果電腦率先于1998年使用USB做為其唯一的串口，在過(guò)去數年中電腦工業(yè)使用USB連結的裝置數目已大大的增加。

　　以目前的USB1.1規格而言，資料傳輸速率已高達1.5 Mbyte/s，而下一代的USB產(chǎn)品會(huì )使用USB2.0規格，更將總線(xiàn)資料傳輸速率提升至60 Mbyte/s。USB2.0規格能與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(xiàn)是一種即插即用技術(shù)，每當加入一新裝置時(shí)，USB主機會(huì )自動(dòng)測試并辨識其身分，然后適當地調整其配置，且一個(gè)接口能同時(shí)控制127個(gè)裝置。對于Windows操作系統而言，USB連結目前只能在Windows 2000/XP/98執行。

　　USB具有價(jià)格低廉及容易連結儀器與電腦的優(yōu)點(diǎn)。此外，USB提供更方便的串口功能如﹕熱插拔、內置操作系統微調功能、高彈性等，來(lái)改善傳統串口的技術(shù)。

　　雖然USB有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)，在儀器控制方面亦有一些缺點(diǎn)。首先，USB排線(xiàn)沒(méi)有工業(yè)標準規格，在嘈雜的環(huán)境下，可能造成資料的遺失﹔另外，USB排線(xiàn)沒(méi)有閉鎖機制 — 排線(xiàn)可能很容易的從電腦或儀器中拔除。排線(xiàn)長(cháng)度(包括使用線(xiàn)上中繼器) 最大可至30米﹔最后，在儀器控制方面USB沒(méi)有工業(yè)傳輸標準的規定，需由儀器制造商自行設計。

　　盡管USB有一些缺點(diǎn)，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(lái)儀器控制的領(lǐng)導先趨。雖然目前很少儀器提供USB的控制選項，但使用者可以通過(guò)橋接器與USB連結他們儀器控制的應用.橋接器提供了使用者一個(gè)連結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(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始將以太網(wǎng)絡(luò )做為單獨儀器的另一個(gè)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用技術(shù)，但它已作為一種成熟的技術(shù)被廣泛的應用在測量系統的其他方面。世界上有超過(guò)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)的儀器控制的應用可以利用總線(xiàn)技術(shù)的特性，包括儀器遠程控制，企業(yè)內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(huì )迫使網(wǎng)絡(luò )管理員涉入傳統的工程應用。

　　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(jiàn)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(wú)法確認。最后，面對敏感數據使用者，必須有更進(jìn)一步的安全措施，以確保數據的完整性與私密性。

　　IEEE 1394 (FireWire)

　　IEEE 1394-1995標準，亦稱(chēng)作FireWire (蘋(píng)果電腦的注冊商標) ，是蘋(píng)果電腦在1980年代發(fā)展的高效的串口總線(xiàn)，目前IEEE 1394的資料吞吐速率最高可以達到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394貿易協(xié)會(huì )正在修訂其規格，擬將資料傳輸速率增加至400Mbyte/s。由于根據1394規范，設備的總線(xiàn)連接必須在4.5米之內，那么16個(gè)儀器設備的連接也將在72米范圍之內。在Windows操作系統中，目前只有微軟的Windows 2000/XP/98與1394兼容。

　　IEEE 1394總線(xiàn)為高速傳輸應用提供很大的潛能，許多數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的高帶寬為復雜的多媒體應用提供可行的解決方案。IEEE 1394比USB更具優(yōu)越性，其在總線(xiàn)技術(shù)上有一專(zhuān)為控制儀器而定義的傳輸協(xié)定。但是，目前僅有少數的儀器具有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行的發(fā)展。IEEE 1394的主要缺點(diǎn)是1394接口并未內置于英特爾的PC集成芯片的周邊(所有Macintosh電腦均內建有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(xiàn)既輕巧又具彈性，但沒(méi)有達到工業(yè)標準規格，因此在一些測試與測量應用中可能會(huì )導致數據丟失。