最新總線技術在儀器控制與連接應用上的發展遠景

新總線技術的優勢
過去的電腦僅提供包括串口(RS-232)與并口﹐近年來,電腦配備均提供以太網絡﹑USB(通用序列總線)﹑有時甚至提供IEEE 1394(FireWire)接口。這些新的總線具有許多吸引人的特性– 易于使用 (USB) ﹑易于連結(以太網絡) 以及高速 (IEEE 1394)。USB USB的設計主要是用來連結外圍設備如鍵盤﹑掃瞄儀﹑與磁盤機之類的電腦。蘋果電腦率先于1998年使用USB做為其唯一的串口﹐在過去數年中電腦工業使用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產品會使用USB2.0規格﹐更將總線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。由于通用串口總線是一種即插即用技術﹐每當加入一新裝置時﹐USB主機會自動測試并辨識其身分﹐然后適當地調整其配置﹐且一個接口能同時控制127個裝置。對于Windows操作系統而言﹐USB連結目前只能在Windows 2000/XP/98執行。USB具有價格低廉及容易連結儀器與電腦的優點。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﹐來改善傳統串口的技術。雖然USB有許多吸引人的優點﹐在儀器控制方面亦有一些缺點。首先﹐USB排線沒有工業標準規格﹐在嘈雜的環境下﹐可能造成資料的遺失﹔另外﹐USB排線沒有閉鎖機制— 排線可能很容易的從電腦或儀器中拔除。排線長度(包括使用線上中繼器) 最大可至30米﹔最后﹐在儀器控制方面USB沒有工業傳輸標準的規定﹐需由儀器制造商自行設計。盡管USB有一些缺點﹐但由于目前電腦上的廣泛使用和USB2.0的高速﹐使其成為未來儀器控制的領導先趨。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(Ethernet) 最近﹐儀器廠商已經開始將以太網絡做為單獨儀器的另一個通訊界面選擇。雖然以太網絡在儀器控制中仍屬新的應用技術﹐但它已作為一種成熟的技術被廣泛的應用在測量系統的其他方面。世界上有超過一億臺電腦具有以太網絡功能﹐使得以太網絡做為儀器控制已是必然的趨勢?；谝蕴W的儀器控制的應用可以利用總線技術的特性，包括儀器遠程控制，企業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絡。但是﹐此優勢亦可能對一些公司產生困擾﹐因為這會迫使網絡管理員涉入傳統的工程應用。以太網絡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。最常見的以太網絡傳輸速率為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絡的流量﹑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絡上的通訊無法確認。最后﹐面對敏感數據使用者﹐必須有更進一步的安全措施﹐以確保數據的完整性與私密性。IEEE 1394 (FireWire) IEEE 1394-1995標準﹐亦稱作FireWire (蘋果電腦的注冊商標) ﹐ 是蘋果電腦在1980年代發展的高效的串口總線﹐目前IEEE 1394的資料吞吐速率最高可以達到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394貿易協會正在修訂其規格﹐擬將資料傳輸速率增加至400Mbyte/s。由于根據1394規范，設備的總線連接必須在4.5米之內，那么16個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更具優越性﹐其在總線技術上有一專為控制儀器而定義的傳輸協定。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勢﹐如高帶寬等﹐但仍有一些因素阻礙其現行的發展。IEEE 1394的主要缺點是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排線既輕巧又具彈性﹐但沒有達到工業標準規格﹐因此在一些測試與測量應用中可能會導致數據丟失。目前新總線技術的使用現今僅有數個儀器制造廠商﹐在所制造的儀器中內建USB﹑以太網絡﹑或IEEE 1394選擇界面。制造廠商對于總線的集成速度緩慢﹐是因為沒有一種總線技術能夠在儀器控制工業中位居于主導地位。USB的普遍性﹐或大型以太網絡的存在﹐或許可以提供設計者﹐在儀器控制中加入不同的通訊總線。當儀器制造商討論各總線技術的生存能力時﹐使用者如欲在其現有測試系統使用最新的總線技術﹐則可以選擇連結不同的通訊總線的橋接器。

利用橋接器(bridge products)以節省投資
由于新總線技術的的接受和應用減緩﹐與工業上對主導總線要求的不確定因素﹐橋接器等產品應運而生﹐成為儀器控制與產品連結的有效解決方案。使用橋接器, 使用者可以輕易的從一種總線轉換到不同型號的總線﹐同時利用最新的技術﹐保持下下的兼容性。例如﹐橋接器的一端可以插入您的電腦或系統上的以太網絡﹑USB﹑或1394接口﹐而另一端則通過GPIB或串口連接至傳統的儀器。使用者可以享有這些新總線在電腦上即插即用﹑簡易操作與應用廣泛的好處。此外﹐通過可以維持儀器控制軟件的兼容性﹐用戶可以減少軟件的投資并縮短研發時間。橋接器是為了解決使用者在應用上產生的困擾而設計的。例如﹐當更改控制器并利用以太網絡至GPIB橋接器時﹐使用者可以將GPIB插入式控制器的軟件重新使用﹐而不需任何修改。以下討論儀器控制系統軟件的重要性。National Instruments提供了應用廣泛的GPIB外接控制器﹐使用戶快速運行并提供降低成本﹑高效的解決方案。使用NI的GPIB-ENET/100﹐與 Ethernet-to -GPIB控制器﹐用戶可以通過TCP/IP網路﹐控制與共享位于世界各地的儀器。另外﹐使用者可不必修改他們為GPIB通信所編寫的程序代碼﹐就可應用于他們的GPIB-ENET/100。輕便型NI GPIB-USB-A能將任何具有USB接口的電腦﹐轉換成全功能﹑即插即用﹑IEEE-488.2的控制器﹐其可控制達14個可編程GPIB儀器。GPIB-USB-A的體積小﹐重量輕﹐是使用不具內建I/O插槽的手提式電腦或桌上型電腦等便攜式應用的最理想的選擇。GPIB-1394能將任何帶有IEEE 1394接口的電腦轉換成一全功能的IEEE 488.2控制器﹐并可控制14個可編程的GPIB儀器。以太網絡﹑USB與1394在作為測試與測量應用的標準總線界面上﹐有很大的潛能。隨著PC技術的發展﹐這些與其他未來的總線可以應用于儀器控制。但是﹐考慮到PC技術的迅猛發展﹐而測試測量儀器的生命周期相對較長，現在的一些甚至于將來的總線技術應該慎重考慮其在儀器控制方面的應用和使用周期。GPIB在儀器控制與連結方面﹐能成為被廣泛使用的總線﹐主要的原因是經過了時間的成功考驗。與現今的總線技術不同﹐GPIB是特別為儀器控制而設計﹐并且在未來仍會持續應用于測試和測量的應用。

創造靈活的軟件架構
不論未來何種總線會與GPIB共同使用﹐軟件的向上兼容性與集成將是任何使用者在混合式I/O系統取得成功的關鍵。在應用新的總線標準的進行無縫連接的同時，如果軟件不存在的兼容性，則會存在花費3小時連接新儀器，還需花費三個月編寫新的應用程序的問題。由于多供應商﹑多界面系統的現象逐漸流行﹐您需要一個軟件結構，能夠以最少精力與最強大的軟件再利用性方式處理這些系統。例如使用可交換虛擬儀器(IVI) 與虛擬儀器軟件架構 (VISA) 的工業軟件標準﹐使用者在轉移至新總線時﹐可以維持其軟件與之前撰寫的程序相兼容﹐并符合工業標準通訊協定的方式﹐維持其軟件投資。以VISA維持軟件投資為使工業軟件兼容性更進一步﹐VXI即插即用系統聯盟開發了一個I/O軟件的規格 — VISA。聯盟于1993年成立時﹐許多VXI﹑GPIB與串口界面的非標準商業應用已經存在。對于這些總線﹐VISA為高層多供應商系統軟件提供研發﹑傳送與交互使用的共用基礎﹐如儀器驅動程序﹑軟件面板﹑應用軟件等。雖然此聯盟定義了VISA﹐然而一些個別的供應商也有不同的VISA軟件。由于VISA能為儀器通訊定義應用程序界面(API)﹐當您移至新的總線接口或混合式I/O系統時﹐仍可以確保您的軟件投資。但使用上述模式有一個問題﹐就是各供應商設計的VISA軟件﹐是用于供應商自己的控制器﹐而不能使用于其他供應商的產品。另外﹐欲在新的總線上工作﹐您必須安裝一個完整的VISA庫。有時這是由不同的供應商提供﹐而且這也不保證能維持現存的界面。為解決此問題﹐National Instruments早已使用一個”Passport”插入式模塊重新設計我們的VISA產品﹐此模塊為各個不同的總線定義不同的通訊接口﹐或稱作passport。此NI Passport模塊將特定的連結總線的通訊機制與核心VISA庫分開﹐此函式庫含有常用的高階VISA API。使用此模塊﹐各個不同的總線需要一個passport以連接至核心VISA引擎﹐因此﹐可以很容易的與新總線相容﹐而不需牽動現有的界面。通過這一模塊﹐您可以真正的擁有多重供應商﹑多重界面的系統。與其他依賴如 COM技術的解決方案不同﹐多平臺的ANSI C技術仍舊是Passport模型的基礎。National Instruments承諾將使VISA與任何會在測試與測量應用中受歡迎的總線介面兼容。以IVI尋找多變性IVI基金會正在定義儀器驅動程序的標準——一個能夠克服低階通訊的軟件模塊﹐ 這是一個建立在VISA之上的標準﹐提供強健高效能﹑容易使用的儀器傳輸協議。這些儀器驅動程序是根據基本標準而制作﹐包含如測量或讀取波形的高階功能﹐而其內部包含低階VISA讀寫功能。與VISA合并﹐IVI可提供給多重供應商﹑多重平臺﹑與混合I/O測試系統一個強大的功能機制。

結論
雖然以太網絡和USB技術在儀器控制﹑系統的未來并不明朗﹐借助橋接式產品﹐使用者可以很快且很容易的應用新的電腦總線技術。不論這些總線的未來如何﹐使用者在任何新技術普及前﹐會要求其與現有軟件與研發的應用軟件相兼容。測試系統的未來會由硬件儀器與混合I/O連結組成。在系統整個生命期內維持軟硬件架構的最好方式﹐是使用一個穩定而能與多供應商﹑多界面﹑與多平臺系統工作的軟件架構。