概覽
NI LabVIEW 2009延續(xù)了直觀的圖形化開發(fā)環(huán)境以及數(shù)據(jù)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
1. 我將通過該總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有多少?
2. 我的單點I/O需求是什么?
3. 我需要實現(xiàn)多臺設備的同步么?
4. 該系統(tǒng)應當具有怎樣的便攜性?
5. 我的測量結果距離我的計算機有多遠?
我將通過該總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有多少?
所有的PC總線均對于在某個時間段內可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有一定的限制。這被稱為總線帶寬，通常以每秒兆字節(jié)（MB/s）為 表述單位。如果動態(tài)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(xiàn)了每臺設備的最大數(shù)據(jù)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(jié)數(shù)（如不滿一個字節(jié)則進位到一字節(jié)）分別與采樣率、通道數(shù)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(jié)），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(tǒng)的帶寬將會低于總線的理論帶寬。實際帶寬取決于系統(tǒng)中設備的數(shù)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(shù)據(jù)，帶寬可能是在選擇您數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)，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(shù)被調用時刻與該I/O的實際硬件數(shù)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(shù)毫秒。
例如，在一個PID控制系統(tǒng)中，該總線時延可能會直接影響控制循環(huán)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(zhí)行。與響應特性會發(fā)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(huán)的可靠性，而許多控制算法是基于該控制循環(huán)將總是以恒定速率執(zhí)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(tǒng)降低效率。
從軟件層面來討論通信總線如何被實現(xiàn)，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(tǒng)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(xiàn)多臺設備的同步么?
許多測量系統(tǒng)存在復雜的同步需求，無論它是實現(xiàn)數(shù)百個通道的同步還是實現(xiàn)多種類型儀器的同步。例如，一個激勵響應系統(tǒng)可能會要求輸出通道共用同一個采樣時鐘，使用觸發(fā)作為輸入通道以實現(xiàn)I/O的相關操作，并更好地分析其結果。NI不同總線上的數(shù)據(jù)采集設備都提供了這一功能。幾乎所有的NI數(shù)據(jù)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(xiàn)時鐘與觸發(fā)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(fā)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(tǒng)集成（RTSI）總線，通過此總線，一個臺式系統(tǒng)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(fā)，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(tǒng)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(shù)據(jù)采集進行創(chuàng)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(shù)據(jù)采集應用獲益于緊湊且方便運輸?shù)挠布Ｍ獠靠偩€，如USB和以太網(wǎng)，特別適合于便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(shù)據(jù)傳輸總線是實現(xiàn)便攜性的另一個較好的選擇，因為該測量硬件自身變?yōu)楸銛y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(xiàn)最佳的信號完整性和測量精度，您應當將您的數(shù)據(jù)采集硬件放置在盡可能靠近信號源的地方。這對于大規(guī)模分布式測量（如那些面向結構健康監(jiān)測或環(huán)境監(jiān)測的應用）可能會成為一項挑戰(zhàn)。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(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)可用最常見數(shù)據(jù)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(chǎn)品
1最大理論數(shù)據(jù)速率基于下列總線規(guī)范：PCI、快速PCI 1.0、PXI、快速PXI 1.0、USB 2.0、100Mbps以太網(wǎng)與Wi-Fi 802.11g。
數(shù)據(jù)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：
圖1將這些總線按由NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)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。
PCI
PCI Express#p#分頁標題#e#
USB
PXI
PXI Express
以太網(wǎng)
無線
圖1。多種總線可用于滿足您的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸和面向單點控制應用的確定性的數(shù)據(jù)傳輸性能。PCI有許多種不同的數(shù)據(jù)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(yè)的一個新層次的創(chuàng)新。快速PCI架構的最大一項優(yōu)勢便是由獨立的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通路，每條數(shù)據(jù)通路能夠以高達250 MB/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。
該PCI Express總線還能夠從單個x1（念作“乘1”）數(shù)據(jù)通路擴展至x16數(shù)據(jù)通路，以實現(xiàn)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(xù)的采樣率和數(shù)據(jù)吞吐速率，故而，多臺設備不必搶占總線。
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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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸不會嚴格如所預期的發(fā)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(tǒng)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(tǒng)自身會檢測和安裝該設備。
察看面向USB 2.0的NI CompactDAQ傳感器系統(tǒng)
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(tǒng)的PCI擴展（PXI）是為了連接臺式機PC系統(tǒng)與高端VXI和GPIB系統(tǒng)之間的間隙而開發(fā)的。PXI系統(tǒng)聯(lián)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(guī)范，以便在PXI平臺上實現(xiàn)PCI Express數(shù)據(jù)傳輸技術。
基于CompactPCI，PXI吸納了儀器系統(tǒng)拓展和更嚴格的系統(tǒng)層次規(guī)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術優(yōu)勢包含通過堅固的封裝可以承受在工業(yè)應用中常有的惡劣環(huán)境。PXI系統(tǒng)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(tǒng)，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(yōu)勢在于其集成的定時與觸發(fā)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(xiàn)多臺設備的同步。
以太網(wǎng)
圖6。 面向C系列模塊的NI以太網(wǎng)DAQ
以太網(wǎng)幾乎是世界上每個公司網(wǎng)絡的主干網(wǎng)，故而廣泛可用。作為一種用于數(shù)據(jù)采集的總線，以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡基礎，使得以太網(wǎng)成為遠距離分布式測量的理想選擇。雖然可用的網(wǎng)絡帶寬取決于聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量，100BASE-T（100 MB/s）以太網(wǎng)可以容納以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設備。此外，千兆位以太網(wǎng)（1000BASE-T）可以容納更多來自100BASE-T網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，以支持更大型的系統(tǒng)。
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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(jīng)過在IT部門的10年使用，Wi-Fi也變得很安全。 IEEE 802.11i（WPA2）是現(xiàn)今商業(yè)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(tài)波形信號的數(shù)據(jù)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(jiān)測和其他高速應用的理想選擇。
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