第1讲采集卡总线的介绍

测量、自动化及计算机通信科技的领先厂商——中国台湾凌华科技集团，2003年11月中旬与中国计算机行业协会等单位携手，在京举办了“中国第二届CompactPCI/PXI技术年会”。笔者参加了其中的PXI大会，了解了PXI的技术状况。

虚拟仪器的两条技术路线
根据中国计算机行业协会研究员刘鑫介绍，电子测量仪器的发展大致经过了四代产品：第一代是模拟仪器；第二代数字仪器；第三代智能仪器；第四代虚拟仪器。虚拟仪器是基于软件技术设计，通过计算机提供的强大的图形环境和功能扩展能力，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据采集、数据测量和分析，以及测量结果显示等功能。
从技术发展的角度看，虚拟仪器走的是两条技术路线：一条是高速、高精度、大型自动测试系统的方向，即GPIB(1975)→VXI(1987)→PXI(1997)的发展路线。另一条是向高性能、低成本、普及型系统发展，即PC插卡(1987)→并口方式(1995)→串口USB/FireWare方式(1999)的技术路线。
PXISA协会的主席Loofie Gutterman先生对PXI业的发展充满乐观，他指出PXI增长迅猛，每年增幅可达35%左右(图1)。同时，PXI的产品种类也在增加，例如2002年品种增长了55%，达到了883种PXI产品。PXI未来的技术方向将是速度更快，模块价格更低廉。
PXI及技术特点
PXI为PCI eXtensions for Instrumentation的缩写，亦即PCI的仪器扩展。PXI规范由PXISA(PXI系统联盟)制订并推广PXI是一种专业化的模块化仪器平台，具备PCI总线的电气性能；CompactPCI总线的可靠性能；VXI总线的定时和触发信号。PXI与VXI相比具有更高的 性价比。因此PXI非常适合于专业测试领域的应用，如：航天、军工及ATE系统。
刘鑫先生总结PXI的技术特点有两个：首先是基于CPCI(Compact PCI)，并兼容CPCI；其次是面向测试和测量应用设计。PXI模块的规格也有两种：3U与6U产品(表1)，PXI可与其他标准共同构建自动测试系统。
PXI和VXI将在既竞争又互补中共存很长一段时间，最终PXI将成为主流工业标准测试平台，同时PXI将向工业自动化领域扩展，并与CPCI形成优势互补，与CPCI共同奠定工业自动化技术的基础。
凌华产品市场经理万世豪在评论各种总线时认为，GPIB接口的速度慢，而且当使用多种设备时，需要额外的电路来达到同步触发的需求。上世纪80年代，VXI 的出现将高档测量与测试设备带进了模块化的领域。然而VXI的价格过于高昂，所以上世纪90年代后期出现了基于PC技术的总线，PXI延续模块化的精神，以较紧实的机构设计、较快的总线速度以及较低的价格，提供测量与测试设备一个新的选择(图2)。
PXI 的规范分为硬件与软件两个部分。其中硬件部分是

基于CompactPCI的规范，也就是PICMG 2.0。建构于CompactPCI的机械规范与PCI的电气规范之上，加上仪器上所需要的精确电气信号延时，即是所谓PXI的规范。所以，PXI的数据传输速率的峰值在33MHz与32位的总线上，可达132MB/s。在66MHz与64位总线上则可高达528MB/s。远高于GPIB与VXI接口的传输速率(图3)。

数据采集与测试测量的趋势
凌华科技量测产品事业部总监暨大中国区量测产品业务副总高明和介绍了凌华公司得到的数据采集插入式模拟I/O板的发展状况(如图4)，PXI在所有总线中增长最快。
数据采集解决方案要求精度高、与操作系统兼容，通道多、同步好、高速取样，易于使用。凌华开发出一系列解决方案，主要是最新的 DAQ-2000/2200/2500系列，它们分别为模拟取样多功能卡、64通道多功能卡，高性能模拟输出多功能卡，可方便地升级到PXI。
凌华科技过去七年主要着重数据采集领域的技术开发，从三年前就参加了PXISA协会，从两年前开始专于PXI技术，目前是PXISA执行会员，可以参与规范的制定与修改。
谈到台式仪器与PXI的区别，高明和认为，虽然仪器分为第三代、第四代，但是对不同形式的仪器，不会一定是新一代取代上一代。台式仪器是比较偏向专用及偏向研发应用的设备，它是按一个按键就可启动的独立设备。而PXI会比较偏向用在比较尖端、复杂的自动测试系统。
台式测量仪器已经存在这么多年，你会发现不同的厂商能够在不同的领域保持其领导地位，因为仪器跟电脑不一样，电脑可能相似性很高，测量仪器的技术内涵则相对要高一些，所以台式仪器与虚拟仪器还是各有各的擅长之处。
当然有些用户会用虚拟仪器来代替台式仪器。实际上有些台式仪器里面就有嵌入式电脑，只是它不是构建在PC上面而且与PXI相比基本原理是类似的。■
硬件总线技术
术语“仪器控制”是指这样一个操作：通过PC 上的软件远程控制仪器控制总线上的一台仪器。仪器自身通常支持一种或多种总线选择，以通过这些总线控制该仪器；PC 通常也提供多种用于仪器控制的总线选择。如果PC 本身不支持仪器可用的总线，我们可以增加一个插卡或一个外部转换器。可用于仪器控制的总线有很多种，它们可以分为下面两个大类：
? 独立总线，用于架式和堆式仪器的通信。独立总线包括T&M 专用总线（如GPIB）和PC标准总线（如串行总线RS-232、以太网、USB、无线和IEEE 1394）。一些独立总线可用作其他独立总线的中介，如USB 到GPIB 的转换器。
? 模块化总线，将接口总线合并到仪器中。模块化总线包括PCI、PCI Express、VXI 和PXI。这些总线也可用作为

不包括该总线的PC 增加一个独立总线的中介，如PCI-GPIB控制卡。

独立总线

GPIB
通用接口总线（GPIB）是独立仪器上一种最通用的I/O 接口。GPIB 是专为测试测量和仪器控制应用设计的。GPIB 源于惠普（Agilent Technologies 的前身）在20 世纪60 年代设计的HP-IB,在1975 年被标准化为IEEE 标准488-1975。最初的标准定义了总线的电气、机械和功能规范及其基本软件通信规则。ANSI/IEEE 标准488.2-1987 精确定义了控制器和仪器如何通过GPIB 通信，从而增强了最初的标准（最初的标准也被重新命名为IEEE488.1-1975）。2003 年发布了最
初规范的更新——IEEE 488.1-2003，它定义了一种高速数据传输模式。GPIB 是一种数字的、8位并行通信接口，数据传输速率高达8M 字节/秒。该总线可为一个系统控制器提供多达14 台仪器连接，连线长度小于20 米。通过使用GPIB 增强设备和扩展设备，用户可以克服设备数和连线长度的限制。GPIB 线缆和连接器具有多种用途，在任意环境中均可做为工业级使用。
由于不是PC 的工业总线，PC 本身很少带有GPIB。实际上，用户通常使用一个插卡（如PCIGPIB）或一个外部转换器（如GPIB-USB）在自己的PC 中增加GPIB 仪器控制功能。

串行总线（RS-232）
RS-232 是串行通信规范，是传统意义上的“串行”总线的最为常见的规范。RS-232 在分析和科学仪器中非常通用，常用于控制调制解调器和打印机。区别于GPIB，使用RS-232 接口，您每次只能连结和控制一台仪器。RS-232 也是一个相对较慢的接口，典型的数据速率低于20k 字节/秒，虽然有些产品能够达到更高的数据吞吐量。
RS-232 是一个常见的PC 总线，在大多数旧式的台式机和便携机上都可以找到该总线。您也可以购买提供一个或多个额外端口的串行产品，例如PCI 插卡或者外部USB 转换器。

USB
通用串行总线（USB）的设计主要用于将PC 的外围设备（如键盘、鼠标、扫描仪和磁盘驱动器等）连接到PC。在过去的几年中，支持USB 连接的设备的数量已经大大增加。USB 是一项即插
即用技术：当增加新的设备时，USB 主机自动检测，查询该设备的标识，并恰当地配置设备驱动器。通过集线器连接，一个端口可以支持多达127 台设备并发运行。USB 标准由标准组织USBIF（USB 实现者论坛）定义。最初的USB1.1 规范（在USB1.0 基础上修正少量缺陷）定义了两种数据传输模式和速度：低速模式（Low-Speed）（最大吞吐量可达1.5M 比特/秒或200k 字节/秒）和全速模式（Full-Speed）（最大吞吐量可达12M 比特/秒或1.5M 字节/秒）。最新的USB
规范——USB 2.0 完全后向兼容低速和

全速设备，同时也定义了一种新的高速模式（Hi-Speed），该模式下数据传输速率高达480M 比特/秒或60M 字节/秒。
虽然USB 最初设计时作为PC 的外部总线，但其速度、广泛可用性和易用性使得其在仪器控制应用中非常有吸引力。然而，USB 在仪器控制中的使用仍存在一些不足。首先，USB 线缆不是工业级线缆，这在噪声环境中可能会导致数据丢失。而且，没有用于USB 线缆的闭锁机制，这使得线缆很容易被从PC 或仪器中拔出。此外，USB 系统中的最大线缆长度是30 米，包括使用线上中继器。

以太网
以太网作为一项成熟的技术，也被广泛地用于测量应用中，包括一般联网功能和远程数据存储功能。世界各地有超过1 亿台支持以太网的计算机，以太网也为仪器控制提供了一个极具吸引力的选择。以太网在IEEE 标准802.3 中定义，它提供的网络配置支持如下理论数据传输速率：10M比特/秒（10BaseT）、100M 比特/秒（100BaseTX）和1G 比特/秒（1000BaseT）。当前最常见可用的技术是100BaseTX 网络。基于以太网的仪器控制应用可以利用该总线的独特特性，包
括仪器的远程控制、简化的仪器共享和数据结果的方便发布。而且，用户可以在自己公司和实验室的已有的大量的以太网络中获得优势。然而，这样的优势在某些公司可能会产生问题，因为这会将网络管理员牵连到传统的工程应用中。
以太网用作仪器控制总线存在另外一些不足：实际传输速率、确定性和安全。虽然以太网络能够达到理论传输速率1G 比特/秒，但由于其他网络流量开销和低效的数据传输，一个真实的网络很少能达到这些速率。此外，由于传输速率的不确定性，确定性在以太网内通信无法保证。最后，对于敏感数据，用户必须采取额外的安全措施，以确保数据的完整性和私密性。

无线
作为一种连接设备的便利方式，无线技术在市场上正快速涌现。最广泛可用的商用技术是无线以太网（IEEE 802.11，也常称为WiFi 或Wireless Fidelity）。IEEE 802.11 包含若干个子标准802.11a、802.11b 和802.11g，它们定义了工作频段、工作距离以及无线连接的传输速度。
802.11b 和802.11g 相互兼容，但与802.11a 不兼容。802.11a 与802.11g 的最大数据传输速率是54M 比特/秒。虽然无线技术存在一些和以太网相同的安全问题（以及其他一些和连接的无线特性有关的问题），但是它确实提供了不必布线就可以实现远程控制的便利，所以无线技术一般可以用于仪器控制，市场上可用的或正在开发中的其他的无线技术包括蓝牙、ZigBee 和无线USB 等。虽然这些技术
的详细讨论超出了本文的范围

，但他们能够提供无线连接多个仪器的一种替代方法。

IEEE 1394 (火线)
火线（或者IEEE 1394）是一个高性能的串行总线，最初由苹果电脑在20 世纪90 年代初期开发。最初的标准处理的吞吐率高达400M 比特/秒，b 版本的规范将该传输速率提高到3.2G 比特/秒。为遵守规范标准，各设备必须在总线插槽的4.5 米内，但多达16 台设备的菊花链结构可形成最长为72 米的距离。然而，IEEE 1394 不是非常适合测试与测量应用。例如，1394 线缆不是工业级标准，同步模式允许该总线保证带宽，但不能保证没有数据丢失，而且应用测试表明1394的数据传输比其理论值要低得多。此外，火线不适合仪器控制，因为其与USB 和以太网不同，火线不仅在PC 上不是广泛可用的，而且几乎没有仪器支持。

模块化总线

PCI
PCI 总线在20 世纪90 年代初期首次提出。其目标之一便是统一当时PC 上可用的众多I/O 总线，如VESA 局部总线、EISA、ISA 和微通道等。PCI 的首次实现是作为芯片间的互连和分段ISA 总线的替代。与先前的总线实现相比，PCI 总线带来许多之前总线没有实现的优点，最重要的特性包括独立于处理器、带缓冲隔离、总线主控和真正的即插即用操作。带缓冲隔离从电气和时钟域把CPU 局部总线与PCI 总线基本分开。通过总线主控，PCI 设备能够通过一个仲裁进程
访问PCI 总线，并直接控制总线处理，而不是等待主机CPU 服务该设备，这样使得服务I/O 处理的总延迟下降。最后，即插即用操作支持设备的自动检测和配置，免除了为基址和DMA 中断手工设置开关和跳线的工作，而这些工作使基于ISA 的板卡的用户倍感挫折。PCI 总线的典型应用，不是直接用于仪器控制，而是作为外围总线连接用于仪器控制的GPIB 或串行设备。而且，由于高带宽，PCI 也用作模块化仪器的通信总线，而I/O 总线则内置在测量设备中。

PXI
PXI（面向仪器的PCI 扩展）是一个用于测量和自动化系统的坚固的基于PC 的平台。PXI 将PCI电气总线特性与坚固的、模块化的、欧洲卡机械封装的CompactPCI 相结合，并增加了专门的同步总线和关键的软件特性。这使得PXI 成为一个高性能的、低成本的、适用测量和自动化系统的布置平台。这些测量和自动化系统服务于诸如制造测试、军用和航空、机器监测、汽车和工业测试等应用。在1997 年完成开发并于1998 年投入使用，PXI 是作为一项开放的工业标准提出的，以满足对复杂测量系统日益增长的需求。今天，PXI 的管理组织是PXISA（PXI 系统联盟），该组织由超过65 家公司组成，以推进PXI 标准、确保互操作性及维护PXI 规范

为宗旨。PXI 被大量用作模块化仪器的平台，通过紧凑的、高性能的测量硬件设备和集成的定时和同步资源，为传统独立仪器提供了一个的极具吸引力的替代品。

PCI Express
当PC 应用需要更大量带宽时，PCI 总线在许多情况下达到了其物理极限。因此，定义PCI 的标准组织PCI-SIG 引入了PCI Express，其主要目的是提供一个服务于不同市场的、可扩展的、低
成本的接口，并在软件层次与已有的PCI 卡的驱动和软件兼容。PCI Express 架构是分层定义的。与PCI 地址模型的兼容性保证了所有现有的应用和驱动无需改变就可以工作。PCI Express的配置采用PCI 即插即用规范中定义的标准机制。软件层将生成读写请求，这些请求由处理层采用一个基于包的分叉处理协议传送至I/O 设备。链路层在这些包中增加序列号和CRC，以形成一个高度可靠的数据传输机制。基本物理层由用作一个发送对和一个接收对的一对单工通道构成。
每个方向的最初速率2.5Gb/s 为该方向提供了一个200M 字节/秒的通信信道，这接近标准PCI 数据速率的四倍。类似PCI，PCI Express 的典型应用不是直接用于仪器控制，而是作为外围总线将GPIB 设备连接到PC 以用于仪器控制。但由于其很高的速率，PCI Express 可用作模块化仪器的通信总线。

VXI
VXI（面向仪器的VME 扩展）总线是仪器专用的多厂商业界标准的第一次尝试。如名所示，VXI基于VME 总线和VME 背板。VXI 在1987 年定义，后来并行成标准IEEE 标准1155。其目标包括提高互换性、减小尺寸、增加系统吞吐量和更低成本等。VXI 保留了GPIB 通信方法，超过80%的VXI 仪器采用基于消息的通信。VXI 总线在实现其一些目标中确实取得了相当的成果。虽然还很庞大，VXI 系统确实减小了其物理尺寸。VXI 也在厂商间实现了更好的互操作性，并定义
了电气规范，以提供更精确的定时和同步。VXI 总线也存在一些不足，包括缺乏软件标准、无法显著提高系统吞吐量、由于没有利用标准商用PC 技术无法实现降低系统成本的目的。