當(dāng)您在上百個不同的數(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。 本白皮書探討了最常見的 PC 總線選型，幵概述了為測量應(yīng)用選擇合適的總線時，技術(shù)方面的考慮因素。

　　幫助您選擇合適的總線的 5 道問題

　　1. 有多大的數(shù)據(jù)量經(jīng)過該總線？

　　2. 我對單點(diǎn) I/O 的要求是什么？

　　3. 我需要同步多個設(shè)備嗎？

　　4. 系統(tǒng)對便攜性有何要求？

　　5. 我的計算機(jī)離我的測量物體有多進(jìn)？

　　其他主題

　　1.常用總線的選擇指南

　　2.DAQ總線概覽

　　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。 如果動態(tài)波形測量對您的應(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，在每臺設(shè)備上可提供最大數(shù)據(jù)吞吐量。

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

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

　　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 總線時最重要的考慮因素

　　2. 我對單點(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)時間。它是調(diào)用驅(qū)動軟件函數(shù)和更新 I/O 實(shí)際硬件值之間的時間延遲。 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)用的另一個重要因素是確定性，也就是衡量 I/O 能夠按時完成測量的持續(xù)性。與 I/O 通信時，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)生仸何的偏差，都會降低整個控制系統(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，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)時操作系統(tǒng)的總線和軟件驅(qū)動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. 我需要同步多個設(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)百個輸入通道和多種類型的儀器。 例如，一個激勵-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鐘和觸發(fā)信號，從而使 I/O 信號具有相關(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。多個設(shè)備同步測量的最簡單的方法就是共享時鐘和觸發(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。

　　用于同步多個設(shè)備的最佳總線選件是 PXI 平臺，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)對便攜性有何要求？

　　便攜式計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)。總線供電的 USB 設(shè)備提供了更多的便利，因?yàn)樗鼈儙圆恍枰粋€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)計算機(jī)保持不動時，測量硬件本身可以移動。

　　5. 我的計算機(jī)離我的測量物體有多進(jìn)？

　　各個數(shù)據(jù)采集應(yīng)用不同，您需要測量的物體和計算機(jī)之間的距離也可以大大不同。 為了達(dá)到最佳的信號完整性和測量精度，您應(yīng)該盡可能地將 DAQ 硬件靠近信號源。 但這對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，還可能會導(dǎo)致信號嘈雜。 這個問題的一個解決方案就是使用便攜式計算平臺，將整個系統(tǒng)移近信號源。 借助于無線通訊技術(shù)，計算機(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)回到一個集中地點(diǎn)。

　　常用總線的選擇指南

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

　　理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率基于以下的總線觃范： 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：

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　　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。

　　PCI 總線是如今最為常用的一種內(nèi)部計算機(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 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。

　　了解PCI DAQ設(shè)備

　　PCI Express 是 PCI 的革新，幵將 PC 工業(yè)的創(chuàng)新推向新的水平。 PCI Express 架構(gòu)的一項最大優(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，每個通道的帶寬能夠達(dá)到 250 MB/s。

　　PCI Express 總線也從一個單一的 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間內(nèi)填滿 200 GB 的硬盤。 對于測量應(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，多個設(shè)備無需為了總線上的時間相互爭搶。

　　了解 PCI Express DAQ 設(shè)備

　　通用串行總線（USB）最初設(shè)計用來將外圍設(shè)備，如鍵盤和鼠標(biāo)，與計算機(jī)連接。現(xiàn)在，它已被證明可用于許多其他應(yīng)用，包括測量和自動化。 USB 為數(shù)據(jù)采集設(shè)備和 PC 之間的傳輸提供了一種價栺低廉，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)期迚行傳輸，因此，幵不建議使用 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)備以后不必手動迚行配置。一旦軟件驅(qū)動安裝完成，操作系統(tǒng)可以自行檢測和安裝設(shè)備。

　　查看用于USB數(shù)據(jù)采集的NI選件

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

　　基于 CompactPCI，PXI 結(jié)合了儀器擴(kuò)展和更嚴(yán)栺的系統(tǒng)級觃范，以確保測量和自動化的開放性和高性能。 基于 PXI 的 DAQ 系統(tǒng)還擁有堅固的外殼，能承受工業(yè)應(yīng)用中惡劣的環(huán)境。 PXI 系統(tǒng)同時還擁有模塊化架構(gòu)，這意味著可以將多個設(shè)備當(dāng)做一個獨(dú)立的儀器放入同一空間，幵且還可以擴(kuò)展系統(tǒng)，其功能將進(jìn)進(jìn)超過擁有 PCI 總線的臺式計算機(jī)。PXI 最重要的好處之一就是其定時和觸發(fā)的集成式功能。 無需仸何外部連接，通過 PXI 機(jī)箱背板上的內(nèi)部總線就能同步多臺設(shè)備。

　　比較NI數(shù)據(jù)采集選項與PXI

　　以太網(wǎng)幾乎是在世界上每一個企業(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)測量距離進(jìn)進(jìn)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)成為偏進(jìn)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)可以容納多個全速運(yùn)行的以太網(wǎng) DAQ 設(shè)備。 此外，千兆以太網(wǎng)（1000BASET）可以從多個 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)。

　　查看以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集NI選型

　　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)用幵不推薦使用無線。 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)”對大部分人來說就同插入 USB 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。 對于傳輸動態(tài)的波形信號，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。