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　　概覽

　　NI LabVIEW 2009延續了直觀的圖形化開發環境以及數據采集硬件與PC總線的無縫集成。面對多種總線上超過200種的不同硬件設備，如何選擇一款總線來滿足您的應用需求？該白皮書討論了可供選擇的總線，并概述了您在為測量應用選擇最佳總線時需要考慮的各種因素。

　　在選擇最佳總線時您需要回答的五個問題

　　我將通過該總線傳輸的數據有多少？

　　所有的PC總線均對于在某個時間段內可以傳輸的數據量有一定的限制。這被稱為總線帶寬，通常以每秒兆字節（MB/s）為 表述單位。如果動態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。

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

　　在進行波形測量時，您需要一定的采樣率和精度，這基于您的信號頻率而確定。您可以通過將每個采樣點的字節數（如不滿一個字節則進位到一字節）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（兩個字節），其四路通道的采樣率為4 MS/s，有：

　　您的總線帶寬需要能夠滿足正在被采集的信號的速率，而且，重要的是，注意到實際系統的帶寬將會低于總線的理論帶寬。實際帶寬取決于系統中設備的數目和開銷帶來的任何額外總線流量。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時最為重要的考慮因素。 

　　我的單點I/O需求是什么？

　　要求單點讀寫的應用常常要求I/O數值的一致性與及時性。如果基于總線架構如何在軟硬件中實現，單點I/O需求可能會成為您選擇總線的決定性因素。

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

　　例如，在一個PID控制系統中，該總線時延可能會直接影響控制循環的最大速率。

　　單點I/O應用中另一個重要因素便是確定性，它用于度量I/O如何一致地執行。與響應特性會發生改變的總線相比，那些在與I/O通信時總是具有相同時延的總線擁有更高的確定性。確定性對于控制應用很重要，因為它直接影響了控制循環的可靠性，而許多控制算法是基于該控制循環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控制系統降低效率。

　　從軟件層面來討論通信總線如何被實現，對于總線時延和確定性有著重要的作用。支持實時操作系統的總線與軟件驅動程序將提供最佳的確定性，進而為您提供最高的性能。一般情況下，內部總線，如PCI Epress和PXI Epresss，比外部總線（如USB或無線）更適合低時延的單點I/O應用。 

　　我需要實現多臺設備的同步么？

　　許多測量系統存在復雜的同步需求，無論它是實現數百個通道的同步還是實現多種類型儀器的同步。例如，一個激勵響應系統可能會要求輸出通道共用同一個采樣時鐘，使用觸發作為輸入通道以實現I/O的相關操作，并更好地分析其結果。NI不同總線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）端的訪問（PFI可用于實現時鐘與觸發信號在不同設備間的路由），以及在NI-DAQmx中通過軟件方便地配置這些PFI端口。然而，某些總線擁有額外的、內置的定時與觸發線路，以使得多設備的同步盡可能地方便。PCI與PCI Express設備提供了實時系統集成（RTSI）總線，通過此總線，一個臺式系統的多只板卡可以在機箱內部直接用導線連接。這樣免除了從前面連接端子額外接線，并簡化了I/O的連接。

　　對于多臺設備的同步，最佳的總線選擇便是PXI平臺，包括PXI和PXI Express。該開放性標準特別適合高性能的同步與觸發，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家們提供了新的利用基于PC的數據采集進行創新的方式。便攜性對于許多應用都是一項重要的因素，而且可能會輕易地成為選擇一種總線而不是另一種總線的主要理由。例如，車載數據采集應用獲益于緊湊且方便運輸的硬件。外部總線，如USB和以太網，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。總線供電的USB設備提供了額外的便利，因為它們不需要提供一個分立的電源供應。采用無線數據傳輸總線是實現便攜性的另一個較好的選擇，因為該測量硬件自身變為便攜式的，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？

　　您需要進行測量的位置和計算機所處的位置之間的距離，可能會因應用而異。為實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境監測的應用）可能會成為一項挑戰。跨越大橋或工廠地面布置很長的線纜，不僅成本高昂，而且會引入噪聲。解決該問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。利用無線技術，計算機與測量硬件之間的有線連接被去除，您可以進行分布式測量并將該數據回傳至中央位置。 

　　最常見總線的選擇指南

　　基于前面概述的這五個問題，表1展示了一份面向現可用最常見數據采集總線的選擇指南。

表1。該表展示了一份基于應用需求的總線選擇指南以及NI范例產品

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

　　數據采集總線概覽

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

　　·PCI

　　·PCI Express

　　·USB

　　·PXI

　　·PXI Express

　　·以太網

　　·無線

　　圖1將這些總線按由NI數據采集產品組成的PC-總線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。

圖1。多種總線可用于滿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）總線是現今最常用的內部計算機在線之一。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的一項演進技術，它完成了PC行業的一個新層次的創新。快速PCI架構的最大一項優勢便是由獨立的數據傳輸線路提供的專用總線帶寬。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總線還能夠從單個x1（念作“乘1”）數據通路擴展至x16數據通路，以實現4 GB/s的最大吞吐量，足以在不足一分鐘的時間內填滿一只200 GB的硬盤。對于測量應用，這意味著更高的、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。 

　　USB

圖4。帶有直接BNC連接的USB總線供電M系列

　　通用串行總線（USB）最初是為了實現外周設備（如鍵盤與鼠標）與PC的連接而設計。然而，在包括測量與自動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USB控制器上的所有設備所共享。USB設備本質上是有時延的且非確定性的。這意味著單點數據傳輸不會嚴格如所預期的發生，因而，USB并不適合高性能控制應用。

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

　　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發的。PXI系統聯盟擁有超過200家成員，維護該開放標準，并在2006年，通過了PXI Express規范，以便在PXI平臺上實現PCI Express數據傳輸技術。

　　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化的開放性和更高的性能。PXI的數據采集系統的技術優勢包含通過堅固的封裝可以承受在工業應用中常有的惡劣環境。PXI系統還提供了模塊化架構，這意味著您可以將多臺設備裝配在同一個機箱，作為單個獨立的儀器使用，而且您能夠擴展您的系統，使其功能遠超出具有PCI總線的PC機。PXI所提供的另一個最重要的技術優勢在于其集成的定時與觸發功能。無需任何外部連接，可以利用集成在PXI底板的背板上的內部總線，實現多臺設備的同步。 

　　以太網

圖6。 面向C系列模塊的NI以太網DAQ

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

　　無線技術

圖7。面向C系列模塊的NI Wi-Fi DAQ

　　無線技術將基于PC的數據采集的靈活性和便攜性，拓展至以往難以布線的測量應用，如風力發電站或民用設施。無線技術通過免除了布線和安裝顯著地降低了成本。盡管如此，無線技術比其他任何數據采集總線的時延都要高，因此，不推薦要求高速控制或確定性的應用。現有許多不同的無線技術可供使用，其中，最為普及的是IEEE 802.11（Wi-Fi）。

　　Wi-Fi屬于最方便設置的無線技術。連接至Wi-Fi“熱點”與插入USB線纜非常相似。經過在IT部門的10年使用，Wi-Fi也變得很安全。IEEE 802.11i（WPA2）是現今商業上可用的最嚴格的無線安全標準，具有128-位AES加密和IEEE 802.1X身份認證。對于動態波形信號的數據流傳輸，Wi-Fi比其他無線技術提供更高的帶寬，這使其成為機器狀況監測和其他高速應用的理想選擇。