概覽

　　NI LabVIEW 2009延續了直觀(guān)的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境以及數據采集硬件與PC總線(xiàn)的無(wú)縫集成。面對多種總線(xiàn)上超過(guò)200種的不同硬件設備，如何選擇一款總線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足您的應用需求？該白皮書(shū)討論了可供選擇的總線(xiàn)，并概述了您在為測量應用選擇最佳總線(xiàn)時(shí)需要考慮的各種因素。

　　在選擇最佳總線(xiàn)時(shí)您需要回答的五個(gè)問(wèn)題

　　我將通過(guò)該總線(xiàn)傳輸的數據有多少？

　　所有的PC總線(xiàn)均對于在某個(gè)時(shí)間段內可以傳輸的數據量有一定的限制。這被稱(chēng)為總線(xiàn)帶寬，通常以每秒兆字節（MB/s）為 表述單位。如果動(dòng)態(tài)波形測量在您的應用中很重要，請必須考慮一種具有足夠帶寬的總線(xiàn)。

　　總帶寬可以為多臺設備間共享或為某臺設備專(zhuān)用，這取決于您所選用的總線(xiàn)，例如，PCI總線(xiàn)為計算機上所有PCI設備提供了共享132 MB/s的理論帶寬。提供專(zhuān)用帶寬的總線(xiàn)，如PCI Epresss和快速PXI Express，實(shí)現了每臺設備的最大數據吞吐量。

　　在進(jìn)行波形測量時(shí)，您需要一定的采樣率和精度，這基于您的信號頻率而確定。您可以通過(guò)將每個(gè)采樣點(diǎn)的字節數（如不滿(mǎn)一個(gè)字節則進(jìn)位到一字節）分別與采樣率、通道數相乘，計算所要求的最低帶寬。

　　例如，一臺16-bit的設備（兩個(gè)字節），其四路通道的采樣率為4 MS/s，有：

　　您的總線(xiàn)帶寬需要能夠滿(mǎn)足正在被采集的信號的速率，而且，重要的是，注意到實(shí)際系統的帶寬將會(huì )低于總線(xiàn)的理論帶寬。實(shí)際帶寬取決于系統中設備的數目和開(kāi)銷(xiāo)帶來(lái)的任何額外總線(xiàn)流量。若您需要在眾多的通道上傳輸大量的數據，帶寬可能是在選擇您數據采集總線(xiàn)時(shí)最為重要的考慮因素。 

　　我的單點(diǎn)I/O需求是什么？

　　要求單點(diǎn)讀寫(xiě)的應用常常要求I/O數值的一致性與及時(shí)性。如果基于總線(xiàn)架構如何在軟硬件中實(shí)現，單點(diǎn)I/O需求可能會(huì )成為您選擇總線(xiàn)的決定性因素。

　　總線(xiàn)時(shí)延是I/O的響應特性。它是指驅動(dòng)程序軟件函數被調用時(shí)刻與該I/O的實(shí)際硬件數值被更新時(shí)刻之間的時(shí)間延滯。取決于您所選擇的總線(xiàn)，該時(shí)延范圍可能從少于1微妙到數毫秒。

　　例如，在一個(gè)PID控制系統中，該總線(xiàn)時(shí)延可能會(huì )直接影響控制循環(huán)的最大速率。

　　單點(diǎn)I/O應用中另一個(gè)重要因素便是確定性，它用于度量I/O如何一致地執行。與響應特性會(huì )發(fā)生改變的總線(xiàn)相比，那些在與I/O通信時(shí)總是具有相同時(shí)延的總線(xiàn)擁有更高的確定性。確定性對于控制應用很重要，因為它直接影響了控制循環(huán)的可靠性，而許多控制算法是基于該控制循環(huán)將總是以恒定速率執行為前提設計的。任何相對期望速率的偏離都將使得整個(gè)控制系統降低效率。

　　從軟件層面來(lái)討論通信總線(xiàn)如何被實(shí)現，對于總線(xiàn)時(shí)延和確定性有著(zhù)重要的作用。支持實(shí)時(shí)操作系統的總線(xiàn)與軟件驅動(dòng)程序將提供最佳的確定性，進(jìn)而為您提供最高的性能。一般情況下，內部總線(xiàn)，如PCI Epress和PXI Epresss，比外部總線(xiàn)（如USB或無(wú)線(xiàn)）更適合低時(shí)延的單點(diǎn)I/O應用。 

　　我需要實(shí)現多臺設備的同步么？

　　許多測量系統存在復雜的同步需求，無(wú)論它是實(shí)現數百個(gè)通道的同步還是實(shí)現多種類(lèi)型儀器的同步。例如，一個(gè)激勵響應系統可能會(huì )要求輸出通道共用同一個(gè)采樣時(shí)鐘，使用觸發(fā)作為輸入通道以實(shí)現I/O的相關(guān)操作，并更好地分析其結果。NI不同總線(xiàn)上的數據采集設備都提供了這一功能。幾乎所有的NI數據采集（DAQ）設備都提供對可編程多功能輸入（PFI）端的訪(fǎng)問(wèn)（PFI可用于實(shí)現時(shí)鐘與觸發(fā)信號在不同設備間的路由），以及在NI-DAQmx中通過(guò)軟件方便地配置這些PFI端口。然而，某些總線(xiàn)擁有額外的、內置的定時(shí)與觸發(fā)線(xiàn)路，以使得多設備的同步盡可能地方便。PCI與PCI Express設備提供了實(shí)時(shí)系統集成（RTSI）總線(xiàn)，通過(guò)此總線(xiàn)，一個(gè)臺式系統的多只板卡可以在機箱內部直接用導線(xiàn)連接。這樣免除了從前面連接端子額外接線(xiàn)，并簡(jiǎn)化了I/O的連接。

　　對于多臺設備的同步，最佳的總線(xiàn)選擇便是PXI平臺，包括PXI和PXI Express。該開(kāi)放性標準特別適合高性能的同步與觸發(fā)，并對于同一塊底板內的I/O模塊的同步以及多塊底板的同步，具有大量不同的可選方案。 

　　該系統應當具有怎樣的便攜性？

　　引入便攜式計算為工程師和科學(xué)家們提供了新的利用基于PC的數據采集進(jìn)行創(chuàng )新的方式。便攜性對于許多應用都是一項重要的因素，而且可能會(huì )輕易地成為選擇一種總線(xiàn)而不是另一種總線(xiàn)的主要理由。例如，車(chē)載數據采集應用獲益于緊湊且方便運輸的硬件。外部總線(xiàn)，如USB和以太網(wǎng)，特別適合于便攜式數據采集系統，因為其快速的硬件安裝和與便攜式電腦的兼容性?？偩€(xiàn)供電的USB設備提供了額外的便利，因為它們不需要提供一個(gè)分立的電源供應。采用無(wú)線(xiàn)數據傳輸總線(xiàn)是實(shí)現便攜性的另一個(gè)較好的選擇，因為該測量硬件自身變?yōu)楸銛y式的，而該計算機仍可放在原有位置。 

　　測量結果距離我的計算機有多遠？

　　您需要進(jìn)行測量的位置和計算機所處的位置之間的距離，可能會(huì )因應用而異。為實(shí)現最佳的信號完整性和測量精度，您應當將您的數據采集硬件放置在盡可能靠近信號源的地方。這對于大規模分布式測量（如那些面向結構健康監測或環(huán)境監測的應用）可能會(huì )成為一項挑戰?？缭酱髽蚧蚬S(chǎng)地面布置很長(cháng)的線(xiàn)纜，不僅成本高昂，而且會(huì )引入噪聲。解決該問(wèn)題的方法便是利用便攜式計算平臺將采集系統移至更接近信號源的地方。利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)，計算機與測量硬件之間的有線(xiàn)連接被去除，您可以進(jìn)行分布式測量并將該數據回傳至中央位置。 

　　最常見(jiàn)總線(xiàn)的選擇指南

　　基于前面概述的這五個(gè)問(wèn)題，表1展示了一份面向現可用最常見(jiàn)數據采集總線(xiàn)的選擇指南。

表1。該表展示了一份基于應用需求的總線(xiàn)選擇指南以及NI范例產(chǎn)品

　　最大理論數據速率基于下列總線(xiàn)規范：PCI、快速PCI 1.0、PXI、快速PXI 1.0、USB 2.0、100Mbps以太網(wǎng)與Wi-Fi 802.11g。 

　　數據采集總線(xiàn)概覽

　　雖然存在很多種不同的總線(xiàn)以及外形尺寸以供選擇，但是，該部分聚焦于七種最為常見(jiàn)的總線(xiàn)，其中包括：

　　·PCI

　　·PCI Express

　　·USB

　　·PXI

　　·PXI Express

　　·以太網(wǎng)

　　·無(wú)線(xiàn)

　　圖1將這些總線(xiàn)按由NI數據采集產(chǎn)品組成的PC-總線(xiàn)體系架構的方式組織展示，從內插式到可熱插拔的外部總線(xiàn)。

圖1。多種總線(xiàn)可用于滿(mǎn)足您的數據采集需求。

　　PCI

圖2。PCI M系列多功能DAQ

　　外設部件互連（PCI）總線(xiàn)是現今最常用的內部計算機在線(xiàn)之一。憑借132 MB/s的共享帶寬，PCI提供了高速數據傳輸和面向單點(diǎn)控制應用的確定性的數據傳輸性能。PCI有許多種不同的數據采集硬件選擇，包括高達10 MS/秒和高達18-位精度的多功能I/O板卡。

　　PCI Express

圖3。PCI Epress的X系列多功能DAQ

　　PCI Express是PCI的一項演進(jìn)技術(shù)，它完成了PC行業(yè)的一個(gè)新層次的創(chuàng )新?？焖貾CI架構的最大一項優(yōu)勢便是由獨立的數據傳輸線(xiàn)路提供的專(zhuān)用總線(xiàn)帶寬。與132 MB/s帶寬為所有設備共享的PCI不同，快速PCI采用了獨立的數據通路，每條數據通路能夠以高達250 MB/s的速率傳輸數據。

　　該PCI Express總線(xiàn)還能夠從單個(gè)x1（念作“乘1”）數據通路擴展至x16數據通路，以實(shí)現4 GB/s的最大吞吐量，足以在不足一分鐘的時(shí)間內填滿(mǎn)一只200 GB的硬盤(pán)。對于測量應用，這意味著(zhù)更高的、持續的采樣率和數據吞吐速率，故而，多臺設備不必搶占總線(xiàn)。 

　　USB

圖4。帶有直接BNC連接的USB總線(xiàn)供電M系列

　　通用串行總線(xiàn)（USB）最初是為了實(shí)現外周設備（如鍵盤(pán)與鼠標）與PC的連接而設計。然而，在包括測量與自動(dòng)化的許多其他應用中，它已被證明非常有用。USB提供了數據采集設備與PC之間的一種成本低廉的、易于使用的連接方式。高速USB 2.0具有最高的理論帶寬60 MB/s，該帶寬為連接在單個(gè)USB控制器上的所有設備所共享。USB設備本質(zhì)上是有時(shí)延的且非確定性的。這意味著(zhù)單點(diǎn)數據傳輸不會(huì )嚴格如所預期的發(fā)生，因而，USB并不適合高性能控制應用。

　　在另一方面，該USB總線(xiàn)擁有幾項使其相比一些傳統的內部PC總線(xiàn)更易于使用的特性。USB設備是可熱插拔的，因此，它們免除了關(guān)閉PC以添加或刪除設備這一繁瑣步驟。該總線(xiàn)還具有自動(dòng)的設備檢測，這意味著(zhù)用戶(hù)在插入其設備后不必手動(dòng)對其進(jìn)行配置。一旦完成了軟件驅動(dòng)程序的安裝，操作系統自身會(huì )檢測和安裝該設備。

　　PXI平臺

圖5。PXI平臺由底板、控制器和I/O模塊組成。

　　面向儀器系統的PCI擴展（PXI）是為了連接臺式機PC系統與高端VXI和GPIB系統之間的間隙而開(kāi)發(fā)的。PXI系統聯(lián)盟擁有超過(guò)200家成員，維護該開(kāi)放標準，并在2006年，通過(guò)了PXI Express規范，以便在PXI平臺上實(shí)現PCI Express數據傳輸技術(shù)。

　　基于CompactPCI，PXI吸納了儀器系統拓展和更嚴格的系統層次規范，以確保面向測量與自動(dòng)化的開(kāi)放性和更高的性能。PXI的數據采集系統的技術(shù)優(yōu)勢包含通過(guò)堅固的封裝可以承受在工業(yè)應用中常有的惡劣環(huán)境。PXI系統還提供了模塊化架構，這意味著(zhù)您可以將多臺設備裝配在同一個(gè)機箱，作為單個(gè)獨立的儀器使用，而且您能夠擴展您的系統，使其功能遠超出具有PCI總線(xiàn)的PC機。PXI所提供的另一個(gè)最重要的技術(shù)優(yōu)勢在于其集成的定時(shí)與觸發(fā)功能。無(wú)需任何外部連接，可以利用集成在PXI底板的背板上的內部總線(xiàn)，實(shí)現多臺設備的同步。 

　　以太網(wǎng)

圖6。 面向C系列模塊的NI以太網(wǎng)DAQ

　　以太網(wǎng)幾乎是世界上每個(gè)公司網(wǎng)絡(luò )的主干網(wǎng)，故而廣泛可用。作為一種用于數據采集的總線(xiàn)，以太網(wǎng)非常適合在距離超過(guò)USB線(xiàn)纜的5米長(cháng)度范圍情況下，進(jìn)行便攜式測量或分布式測量。單個(gè)以太網(wǎng)線(xiàn)纜在需要采用集線(xiàn)器、交換機或中繼器之前，可以拓展至100米。這樣的距離，結合在實(shí)驗室、辦公室和制造設施內大量安裝的網(wǎng)絡(luò )基礎，使得以太網(wǎng)成為遠距離分布式測量的理想選擇。雖然可用的網(wǎng)絡(luò )帶寬取決于聯(lián)網(wǎng)設備的數量，100BASE-T（100 MB/s）以太網(wǎng)可以容納以太網(wǎng)數據采集設備。此外，千兆位以太網(wǎng)（1000BASE-T）可以容納更多來(lái)自100BASE-T網(wǎng)絡(luò )的數據，以支持更大型的系統。 

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)

圖7。面向C系列模塊的NI Wi-Fi DAQ

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)將基于PC的數據采集的靈活性和便攜性，拓展至以往難以布線(xiàn)的測量應用，如風(fēng)力發(fā)電站或民用設施。無(wú)線(xiàn)技術(shù)通過(guò)免除了布線(xiàn)和安裝顯著(zhù)地降低了成本。盡管如此，無(wú)線(xiàn)技術(shù)比其他任何數據采集總線(xiàn)的時(shí)延都要高，因此，不推薦要求高速控制或確定性的應用?，F有許多不同的無(wú)線(xiàn)技術(shù)可供使用，其中，最為普及的是IEEE 802.11（Wi-Fi）。

　　Wi-Fi屬于最方便設置的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。連接至Wi-Fi“熱點(diǎn)”與插入USB線(xiàn)纜非常相似。經(jīng)過(guò)在IT部門(mén)的10年使用，Wi-Fi也變得很安全。IEEE 802.11i（WPA2）是現今商業(yè)上可用的最嚴格的無(wú)線(xiàn)安全標準，具有128-位AES加密和IEEE 802.1X身份認證。對于動(dòng)態(tài)波形信號的數據流傳輸，Wi-Fi比其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)提供更高的帶寬，這使其成為機器狀況監測和其他高速應用的理想選擇。