5选择测量总线的关键问题

经过Chris Delvizis，美国国家仪器公司DAQ产品营销经理，chris.delvizis@ni.com

数据采集设备和总线系统有很多选择，选择正确的组合是一个挑战。下面是最常见的PC总线选项，以及在为您的测量应用程序选择正确的总线时要记住的技术考虑。

PXI平台由机箱、控制器和I/O模块组成。

当您有数百个不同的数据采集（DAQ）设备与各种总线兼容时，为应用程序的需要选择右侧总线可能是具有挑战性的。每辆总线都具有不同的优点和优化。为了帮助您决定，问自己这五个问题。

1.在这辆公共汽车上流划线需要多少数据？
所有PC总线都有限制您可以在一定时间段内传输的数据量。此金额是总线带宽，通常以每秒兆字节（MB / s）指定。例如，PCI总线具有132 MB / s的理论带宽，可在计算机中的所有PCI板中共享。千兆以太网在子网或网络上提供125 MB / s的设备共享带宽。PCI Express和PXI Express提供的专用数据链接每个设备最高可达1 GB / s。

当您采取波形测量时，您的总线带宽必须支持您获取数据的速度。要计算最小所需的带宽，请使用每个样本（舍入到下一个字节）的字节数，乘以采样速度，然后乘以通道数。

例如，在四个通道上为4 ms / s采样的16位（2字节）设备需要以下带宽：

(2 Bytes/s) x (4 MS/s) x 4 channels = 32mb /s

您的总线带宽需要支持数据被获取的速度。另外，注意实际观测到的系统带宽将低于理论总线限制。它取决于系统中设备的数量和任何来自开销的额外总线流量。如果需要在大量通道上传输大量数据，那么在选择DAQ总线时，带宽可能是最重要的考虑因素。

2.单点I/O要求是什么?
需要单点读取和写入的应用程序通常取决于立即和一致地更新的I / O值。总线延迟是调用驱动软件功能时的时间延迟，并且更新了I / O的实际硬件值。根据您选择的公共汽车，此延迟可以从小于微秒到几毫秒。单点I / O应用中的另一个重要因素是确定主义，这是一种衡量I / O可以按时执行的一致性。

与I / O通信时总是具有相同延迟的总线比具有各种响应性的总线更确定。

延迟和确定主义对控制应用很重要，因为它们直接影响了控制回路的可靠性。因此，在实现闭环控制应用时，您应该避免在延迟与确定性差的延迟中高的总线等总线。

通信总线如何实现的软件方面在总线延迟和确定性方面也起着很大的作用。支持实时操作系统的总线和软件驱动程序提供了最好的确定性，因此给您最高的性能。一般来说，内部总线(如PCI Express和PXI Express)更适合低延迟单点I/O应用程序。

3.是否需要同步多个设备?
许多测量系统具有复杂的同步需求，无论您是同步数百个输入通道还是多种类型的仪器。在多个设备上同步测量的最简单方法是共享示例时钟和触发器。许多DAQ设备提供可编程数字线路，用于导入和导出时钟和触发器。

某些总线（如PCI和PCI Express），使用实时系统集成（RTSI）总线，您可以在其中连接桌面系统中的多个电路板在橱窗系统内部，以便使同步尽可能简单。这消除了通过前连接器进行额外接线的需求，并简化I / O连接。

同步多设备的最佳总线选择是PXI平台，包括PXI和PXI Express。这个开放标准是专门为高性能同步和触发而设计的，有几个不同的选项用于在同一个机箱或多个机箱中同步I/O模块。

4.这个系统必须有多便携?
可移植性对于许多应用程序都很重要。如USB和以太网这样的外部总线对于便携式DAQ系统特别有效，因为它们的硬件安装和与笔记本电脑的兼容性兼容。总线供电的USB设备可提供额外的便利性，因为它们从USB端口供电，不需要单独的电源。无线数据传输总线是另一个好选项，因为在计算机可以保持静止时测量硬件本身变得可移植。

5.我的测量距离我的电脑有多远?
在不同的应用程序中，您需要的测量值与计算机位置之间的距离可能有很大的不同。为了获得最好的信号完整性和测量精度，请将数据采集硬件尽可能放置在信号源附近。长距离的电缆布线成本很高，而且会产生噪声信号。解决这一问题的方法是使用便携式计算平台将整个系统移动到更靠近信号源的位置。无线技术可以完全消除计算机和测量之间的物理连接，所以你可以进行分布式测量并将数据发送回一个中心位置。

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DAQ公交车概述
虽然有许多不同的公共汽车和表格因素可以选择，但本节侧重于七个最常见的公共汽车。

PCI.
外围组件互连（PCI）总线是今天最常用的内部计算机总线之一。PCI共享带宽为132 MB / s，为单点控制应用提供高速数据流和确定性数据传输。PCI有许多不同的DAQ硬件选项，多功能I / O板高达10 ms / s，最多18位分辨率。

PCI Express
PCI Express是PCI的演变。PCI Express架构的最大益处是独立数据传输线提供的专用总线带宽。与PCI不同，其中在所有设备中共享132 MB / s带宽，PCI Express使用独立的数据通道，每个数据通道都能够高达250 MB / s的数据传输。

PCI Express总线还可以从单个x1(读作“by one”)数据通道扩展到x16数据通道，最大吞吐量为4gb /s，足以在不到一分钟的时间内填满200gb硬盘驱动器。对于测量应用程序，这意味着更高的持续采样和数据吞吐率，并且多个设备不必在总线上争夺时间。

USB
通用串行总线(USB)最初设计用于连接键盘、鼠标等外围设备与pc。然而，它已被证明对其他应用有用，包括测量和自动化。

USB X系列增加数据采集到任何计算机与USB端口。

USB在DAQ设备和pc之间提供了一种廉价且易于使用的连接。usb2.0的最大理论带宽为60mb /s，该带宽被连接到一个USB控制器的所有设备共享。USB设备本质上是潜在的和不确定性的。这意味着单点数据传输可能不会准确地发生在预期的时候，因此USB不推荐用于闭环控制应用，如PID。

另一方面，USB总线具有多种特性，使其比某些传统的内部PC总线更容易使用。使用USB连接的设备是可热插拔的。总线还具有自动设备检测，这意味着用户在插入时不必手动配置其设备。安装软件驱动程序后，操作系统应自己检测并安装设备。

PXI平台
PCI eXtensions for Instrumentation (PXI)的开发是为了弥合桌面PC系统与高端VXI和GPIB系统之间的差距。拥有200多家成员的PXI系统联盟保持着这一开放标准，并在2006年通过了PXI Express规范，将PCI Express数据传输技术传递到PXI平台。

基于CompactPCI，PXI采用了仪表扩展和更严格的系统级规格，以确保为测量和自动化进行开放但高性能规范。基于PXI的DAQ系统的好处包括坚固的包装，可以承受经常存在于工业应用中的恶劣条件。PXI Systems还提供模块化架构，这意味着您可以将多个设备与单个独立仪器相同，并且您可以将系统扩展到具有PCI总线的台式计算机的容量。PXI提供最重要的好处之一是其集成的时序和触发功能。如果没有任何外部连接，可以通过使用驻留在PXI机箱的背板上的内部总线同步多个设备。

以太网
以太网广泛可用。作为DAQ的总线，以太网非常适合在USB电缆的5米长的距离处采取便携式或分布式测量。单个以太网电缆可以在需要集线器，开关或中继器之前延长100米。该距离与实验室，办公室和制造设施中的大型网络连接基地组合使其成为向远程位置分发测量的良好选择。

虽然可用网络带宽取决于网络设备的数量，但是100BASE-T（100 Mbit / s）以太网可以容纳以全速运行的多个以太网DAQ设备。此外，千兆以太网（1000base-t）可以为较大的系统聚合来自多个100个100base-t网络或更高速度设备的数据。

无线的
无线技术将基于pc的数据采集的灵活性和可移植性扩展到电缆不方便或不实用的测量应用，如风力发电场或民用建筑。虽然无线通过减少电缆和安装时间来降低成本，但它也具有其他DAQ总线中最高的延迟，因此不推荐需要高速控制或确定性的应用程序。有许多不同的无线技术可用。最流行的是IEEE 802.11 (Wi-Fi)。

Wi-Fi数据采集使用标准的802.11网络，以消除测量硬件和主机PC之间的连接线。

Wi-Fi是最容易安装的无线技术之一。对于大多数人来说，连接Wi-Fi“热点”就像插入USB电缆一样熟悉。在信息技术(IT)领域使用了10年的Wi-Fi也很安全。IEEE 802.11i (WPA2)是迄今为止最高的商用无线安全标准，具有128位AES加密和IEEE 802.1x认证。对于流动态波形信号，Wi-Fi提供了比其他无线技术更多的带宽，使其成为机器状态监测和其他高速应用的理想选择。

该表展示了基于应用需求的总线选择指南，并举例说明了NI产品。基于这五个问题，您可以使用NI针对最常见的DAQ总线的选择指南来为您的应用程序选择正确的选项。
*最大理论数据流速率基于以下总线规格：PCI，PCI Express 1.0，PXI，PXI Express 1.0，USB 2.0，千兆以太网和Wi-Fi-802.11 G.

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