當(dāng)您在上百個(gè)不同的數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備，有各種各樣的總線選擇的時(shí)候，可能很難為您的應(yīng)用需求選擇合適的總線。 每條總線都有不同的優(yōu)點(diǎn)，比如在吞吐量、延遲、便攜性或離主機(jī)的距離等方面具有不同的優(yōu)勢。 本文探討了最常見的PC總線選型，并概述了為測量應(yīng)用選擇合適的總線時(shí)，技術(shù)方面的考慮因素。

1.有多大的數(shù)據(jù)量經(jīng)過該總線？

所有的PC總線在一定的時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量都是有限的。 這就是總線帶寬，往往以兆字節(jié)每秒(MB/s)表示。 如果動(dòng)態(tài)波形測量對(duì)您的應(yīng)用十分重要，一定要考慮使用有足夠帶寬的總線。

根據(jù)您選擇的總線，總帶寬可以在多個(gè)設(shè)備之間共享，或只能專用于某些設(shè)備。 例如，PCI總線的理論帶寬為132 MB/s，計(jì)算機(jī)中的所有PCI板卡共享帶寬。千兆以太網(wǎng)提供125 MB/s的帶寬，子網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備共享帶寬。 提供專用帶寬的總線，如PCI Express和PXI Express，在每臺(tái)設(shè)備上可提供最大數(shù)據(jù)吞吐量。

當(dāng)進(jìn)行波形測量時(shí)，采樣率和分辨率需要基于信號(hào)變化的速度來設(shè)置。 您可以記錄每個(gè)采樣的字節(jié)數(shù)（向下一個(gè)字節(jié)取整）,乘以采樣速度，再乘以通道的數(shù)量，計(jì)算出所需的最小帶寬。

例如，一個(gè)16位設(shè)備（2字節(jié)）以4 MS/s的速度采樣，四個(gè)通道上的總帶寬為

您的總線帶寬需要能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)采集的速度，需要注意的是，實(shí)際的系統(tǒng)帶寬低于理論總線限制。 實(shí)際觀察到的帶寬取決于系統(tǒng)中設(shè)備的數(shù)量以及額外的總線載荷。 如果您需要在很多通道上傳輸大量的數(shù)據(jù)，帶寬是您選擇DAQ總線時(shí)最重要的考慮因素。

2. 對(duì)單點(diǎn)I/O的要求是什么？

需要單點(diǎn)讀寫的應(yīng)用程序往往取決于需要立即和持續(xù)更新的I/O值。由于總線架構(gòu)在軟硬件中實(shí)現(xiàn)的不同方式，單點(diǎn)I/O的要求可能是您選擇總線的決定性因素。

總線延遲是I/O的響應(yīng)時(shí)間。它是調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件函數(shù)和更新I/O實(shí)際硬件值之間的時(shí)間延遲。 根據(jù)您選擇總線的不同，延遲可以從不足一微秒到幾十毫秒。

例如，在一個(gè)比例積分微分（PID）控制系統(tǒng)中，總線延遲可以直接影響控制回路的最快速度。

單點(diǎn)I/O應(yīng)用的另一個(gè)重要因素是確定性，也就是衡量I/O能夠按時(shí)完成測量的持續(xù)性。 與I/O通信時(shí)，延遲相同的總線比有不同響應(yīng)的總線確定性要強(qiáng)。 確定性對(duì)于控制應(yīng)用十分重要，因?yàn)樗苯佑绊懣刂苹芈返姆€(wěn)定性。許多控制算法的設(shè)計(jì)期望就是控制回路總是以恒定速率執(zhí)行。 預(yù)期速率產(chǎn)生任何的偏差，都會(huì)降低整個(gè)控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。 因此，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該避免高延遲、確定性差的總線，如無線、以太網(wǎng)或USB。

軟件在總線的延遲和確定性方面起著重要的作用。 支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的總線和軟件驅(qū)動(dòng)提供了最佳的確定性，因此也給您最高的性能。 一般情況下，對(duì)于低延遲的單點(diǎn)I/O應(yīng)用來說，PCI Express和PXI Express等內(nèi)部總線比USB或無線等外部總線更好。

3. 需要同步多個(gè)設(shè)備嗎?

許多測量系統(tǒng)都有復(fù)雜的同步需求，包括同步數(shù)百個(gè)輸入通道和多種類型的儀器。 例如，一個(gè)激勵(lì)-響應(yīng)系統(tǒng)可能需要輸出通道與輸入通道共享相同的采樣時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)，從而使I/O信號(hào)具有相關(guān)性可以更好地分析結(jié)果。 不同總線上的DAQ設(shè)備提供不同的方式來實(shí)現(xiàn)同步。多個(gè)設(shè)備同步測量的最簡單的方法就是共享時(shí)鐘和觸發(fā)。 許多DAQ設(shè)備提供可編程數(shù)字通道用于導(dǎo)入和導(dǎo)出時(shí)鐘和觸發(fā)。 有些設(shè)備甚至還提供專用的BNC接頭的觸發(fā)線。 這些外部觸發(fā)線在USB和以太網(wǎng)設(shè)備上十分常見，因?yàn)檫@些DAQ硬件處于PC機(jī)箱外部。 然而，某些總線內(nèi)置有額外的時(shí)鐘和觸發(fā)線，使得多設(shè)備的同步變得非常容易。 PCI和PCI Express板卡提供實(shí)時(shí)系統(tǒng)集成（RTSI）總線，由此桌面系統(tǒng)上的多塊電路板可以在機(jī)箱內(nèi)直接連接在一起。 這就免除了額外通過前連接器連線的需要，簡化了I/O連接。

用于同步多個(gè)設(shè)備的最佳總線選件是PXI平臺(tái)，包括PXI和PXI Express。 這種開放式標(biāo)準(zhǔn)是專門為高性能同步和觸發(fā)設(shè)計(jì)的，為同一機(jī)箱內(nèi)同步I/O模塊以及多機(jī)箱同步提供了多種選件。

4.系統(tǒng)對(duì)便攜性有何要求？

便攜式計(jì)算的極速增長是毋庸置疑的，它為基于PC的數(shù)據(jù)采集提供了許多新的創(chuàng)新方式。 便攜性是許多應(yīng)用的一個(gè)重要部分，它也可能成為總線選擇的首要考慮因素。 例如，車載數(shù)據(jù)采集應(yīng)用得益于結(jié)構(gòu)緊湊，易于運(yùn)輸?shù)挠布?如USB和以太網(wǎng)等外部總線，因?yàn)槠淇焖俚挠布惭b以及與筆記本電腦的兼容性，特別適用于便攜式DAQ系統(tǒng)?？偩€供電的USB設(shè)備提供了更多的便利，因?yàn)樗鼈儾⒉恍枰粋€(gè)單獨(dú)的電源供電。 使用無線數(shù)據(jù)傳輸總線也可提高便攜性，因?yàn)楫?dāng)計(jì)算機(jī)保持不動(dòng)時(shí)，測量硬件本身可以移動(dòng)。

5. 計(jì)算機(jī)離測量物體有多遠(yuǎn)？

各個(gè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用不同，您需要測量的物體和計(jì)算機(jī)之間的距離也可以大大不同。 為了達(dá)到最佳的信號(hào)完整性和測量精度，您應(yīng)該盡可能地將DAQ硬件靠近信號(hào)源。 但這對(duì)于大型的分布式測量，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測或環(huán)境監(jiān)測來說就十分困難。 將長電纜跨過橋梁或工廠車間成本昂貴，還可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)嘈雜。 這個(gè)問題的一個(gè)解決方案就是使用便攜式計(jì)算平臺(tái)，將整個(gè)系統(tǒng)移近信號(hào)源。 借助于無線通訊技術(shù)，計(jì)算機(jī)和測量硬件之間的物理連接已完全移除，且可以采取分布式測量，將數(shù)據(jù)發(fā)回到一個(gè)集中地點(diǎn)。

常用總線的選擇指南

根據(jù)以上5個(gè)問題，表1列出了大部分常用數(shù)據(jù)采集總線的選擇指南。

 

表1. 此表列出了基于應(yīng)用需求的總線選擇指南以及NI產(chǎn)品范例。

寬帶①：理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率基于以下的總線規(guī)范： PCI、PCI Express 1.0、 PXI、PXI Express 1.0、 USB 2.0、千兆以太網(wǎng)和Wi-Fi 802.11g

數(shù)據(jù)采集總線概覽

雖然有很多種不同的總線可供選擇，本章節(jié)主要介紹七種最常見的總線，包括：

•       PCI

•       PCI Express

•       USB

•       PXI

•       PXI Express

•       以太網(wǎng)

•       無線

圖1顯示了這些總線在NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的PC總線層次結(jié)構(gòu)中的分類，包括內(nèi)部總線到熱插拔的外部總線。

圖1. 您可以在多種總線進(jìn)行選擇，以滿足您的數(shù)據(jù)采集的不同需求

PCI

圖2. PCI M系列多功能DAQ

PCI總線是如今最為常用的一種內(nèi)部計(jì)算機(jī)總線。 憑借132 MB/s的共享帶寬，PCI提供高速數(shù)據(jù)流和確定性數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)控制應(yīng)用。 針對(duì)PCI有許多不同DAQ硬件選件，其中包含高達(dá)10 MS/s、18位分辨率的多功能I/O板卡。

PCI Express

圖3. PCI Express X系列多功能DAQ

PCI Express是PCI的革新，并將PC工業(yè)的創(chuàng)新推向新的水平。 PCI Express架構(gòu)的一項(xiàng)最大優(yōu)勢在于：由獨(dú)立數(shù)據(jù)傳輸線提供的專用總線帶寬。 不同于所有PCI中的設(shè)備共享132MB/s的帶寬，PCI Express采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，每個(gè)通道的帶寬能夠達(dá)到250 MB/s。

PCI Express總線也從一個(gè)單一的X1（稱為“乘1”）數(shù)據(jù)通道擴(kuò)展到x16的數(shù)據(jù)通道，吞吐量最大達(dá)到4 GB/s的，可在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)填滿200 GB的硬盤。 對(duì)于測量應(yīng)用，這意味著持續(xù)性良好的采樣率和數(shù)據(jù)處理速率，多個(gè)設(shè)備無需為了總線上的時(shí)間相互爭搶。

USB

 圖4. USB X系列在任何帶有USB端口的計(jì)算機(jī)上增加了數(shù)據(jù)采集

通用串行總線（USB）最初設(shè)計(jì)用來將外圍設(shè)備，如鍵盤和鼠標(biāo),與計(jì)算機(jī)連接?，F(xiàn)在，它已被證明可用于許多其他應(yīng)用，包括測量和自動(dòng)化。 USB為數(shù)據(jù)采集設(shè)備和PC之間的傳輸提供了一種價(jià)格低廉，易于使用的的連接。USB 2.0的理論最大帶寬為60 MB/s， 連接到USB控制器上的所有設(shè)備共享這些帶寬。 USB設(shè)備具有內(nèi)在的潛在性和不確定性。 這意味著單點(diǎn)數(shù)據(jù)不可能完全按照預(yù)期進(jìn)行傳輸，因此，并不建議使用USB實(shí)現(xiàn)PID等閉環(huán)控制應(yīng)用。

另一方面，USB總線的一些特點(diǎn)使得它比起傳統(tǒng)的內(nèi)部PC總線更容易使用。 由于通過USB連接的設(shè)備具有熱插拔功能，這樣就無需通過關(guān)機(jī)來添加或者刪除設(shè)備。 總線還具有自動(dòng)設(shè)備檢測功能，這意味著用戶在插入設(shè)備以后不必手動(dòng)進(jìn)行配置。一旦軟件驅(qū)動(dòng)安裝完成，操作系統(tǒng)可以自行檢測和安裝設(shè)備。

PXI 平臺(tái)

圖5. PXI平臺(tái)由機(jī)箱、控制器和I/O模塊組成

PXI的發(fā)展縮短了臺(tái)式PC系統(tǒng)和VXI以及GPIB系統(tǒng)之間的距離。 擁有200多個(gè)成員的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，一直保持開放式標(biāo)準(zhǔn)，并于2006年，通過了PXI Express規(guī)范，將PCI Express數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用到了PXI平臺(tái)。

基于CompactPCI，PXI結(jié)合了儀器擴(kuò)展和更嚴(yán)格的系統(tǒng)級(jí)規(guī)范，以確保測量和自動(dòng)化的開放性和高性能。 基于PXI的DAQ系統(tǒng)還擁有堅(jiān)固的外殼，能承受工業(yè)應(yīng)用中惡劣的環(huán)境。 PXI系統(tǒng)同時(shí)還擁有模塊化架構(gòu)，這意味著可以將多個(gè)設(shè)備當(dāng)做一個(gè)獨(dú)立的儀器放入同一空間，并且還可以擴(kuò)展系統(tǒng)，其功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過擁有PCI總線的臺(tái)式計(jì)算機(jī)。PXI最重要的好處之一就是其定時(shí)和觸發(fā)的集成式功能。 無需任何外部連接，通過PXI機(jī)箱背板上的內(nèi)部總線就能同步多臺(tái)設(shè)備。

以太網(wǎng) 

圖6. 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集支持范圍達(dá)到每段100米,并且能夠使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，延展了測量系統(tǒng)的覆蓋范圍

以太網(wǎng)幾乎是在世界上每一個(gè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的核心，因此也被廣泛使用。 作為DAQ總線，以太網(wǎng)測量距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5米長的USB電纜，是理想的便攜式或分布式測量總線。 無需集線器、交換機(jī)或中繼器，單根以太網(wǎng)電纜就能延長100米。 長距離加上由實(shí)驗(yàn)室、辦公室和生產(chǎn)工廠組成的大量安裝基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，使以太網(wǎng)成為偏遠(yuǎn)地區(qū)分布式測量的理想選擇。 雖然可用網(wǎng)絡(luò)帶寬取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量，100BASE-T(100 Mbit/s)的以太網(wǎng)可以容納多個(gè)全速運(yùn)行的以太網(wǎng)DAQ設(shè)備。 此外，千兆以太網(wǎng)（1000BASE-T）可以從多個(gè)100BASE- T網(wǎng)絡(luò)或用于較大系統(tǒng)的更高速設(shè)備上匯總數(shù)據(jù)。

無線

圖7. Wi-Fi數(shù)據(jù)采集使用標(biāo)準(zhǔn)的802.11網(wǎng)絡(luò)，免去了測量硬件和主機(jī)之間的連線需要

無線技術(shù)擴(kuò)展了基于PC的數(shù)據(jù)采集的靈活性和便攜性，可用于例如風(fēng)電場或土木結(jié)構(gòu)等電纜不便或難以到達(dá)的測量應(yīng)用。 通過省去電纜和安裝時(shí)間，無線技術(shù)大大降低了成本。 然而，無線在所有DAQ總線中的延遲性最高，所以需要高速控制或確定性的應(yīng)用并不推薦使用無線。 無線技術(shù)有很多不同的類型。 最熱門的是IEEE 802.11(Wi-Fi)。

Wi-Fi是設(shè)置起來最為簡單的無線技術(shù)。 連接到Wi-Fi“熱點(diǎn)”對(duì)大部分人來說就同插入U(xiǎn)SB電纜一樣熟悉。 在IT界經(jīng)過10年廣泛應(yīng)用后，Wi-Fi始終非常安全。 IEEE 802.11i（WPA2）具備最高的商用無線安全標(biāo)準(zhǔn)，擁有128位AES加密和IEEE 802.1x驗(yàn)證。 對(duì)于傳輸動(dòng)態(tài)的波形信號(hào)，Wi-Fi相比其他無線技術(shù)提供了更多的帶寬，是機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測和其它高速應(yīng)用的理想選擇。