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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?shù)臄?shù)據(jù)有多少,？

• 我的單點I/O需求是什么,？

• 我需要實現(xiàn)多臺設(shè)備的同步么？

• 該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有怎樣的便攜性？

• 我的測量結(jié)果距離我的計算機有多遠(yuǎn),？

• 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(nèi)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(yīng)用中很重要,，請必須考慮一種具有足夠帶寬的總線,。

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??? 總帶寬可以為多臺設(shè)備間共享或為某臺設(shè)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(shè)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(shè)備的最大數(shù)據(jù)吞吐量。

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??? 在進(jìn)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(jìn)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。

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??? 例如,，一臺16-bit的設(shè)備（兩個字節(jié)）,，其四路通道的采樣率為4 MS/s，有：

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??? 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(shè)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,。

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我的單點I/O需求是什么,？

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??? 要求單點讀寫的應(yīng)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(gòu)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,。

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??? 總線時延是I/O的響應(yīng)特性。它是指驅(qū)動程序軟件函數(shù)被調(diào)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。

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??? 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。

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??? 單點I/O應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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,。

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??? 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(qū)動程序?qū)⑻峁┳罴训拇_定性,，進(jìn)而為您提供最高的性能。一般情況下,，內(nèi)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(yīng)用,。

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我需要實現(xiàn)多臺設(shè)備的同步么,？

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??? 許多測量系統(tǒng)存在復(fù)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(yīng)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(guān)操作,，并更好地分析其結(jié)果,。NI不同總線上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備都提供了這一功能。幾乎所有的NI數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)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(shè)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(nèi)置的定時與觸發(fā)線路,，以使得多設(shè)備的同步盡可能地方便,。PCI與PCI Express設(shè)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(nèi)部直接用導(dǎo)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,。

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??? 對于多臺設(shè)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(biāo)準(zhǔn)特別適合高性能的同步與觸發(fā),，并對于同一塊底板內(nèi)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,。

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該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有怎樣的便攜性,？

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??? 引入便攜式計算為工程師和科學(xué)家們提供了新的利用基于PC的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行創(chuàng)新的方式。便攜性對于許多應(yīng)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(yīng)用獲益于緊湊且方便運輸?shù)挠布?。外部總線,，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(shè)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(yīng),。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,。

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測量結(jié)果距離我的計算機有多遠(yuǎn)？

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??? 您需要進(jìn)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(yīng)用而異,。為實現(xiàn)最佳的信號完整性和測量精度，您應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測或環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)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(shù),，計算機與測量硬件之間的有線連接被去除，您可以進(jìn)行分布式測量并將該數(shù)據(jù)回傳至中央位置,。

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最常見總線的選擇指南

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??? 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。

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表1 該表展示了一份基于應(yīng)用需求的總線選擇指南以及NI范例產(chǎn)品

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^{??? 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。

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數(shù)據(jù)采集總線概覽

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??? 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(wǎng)
• 無線

??? 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(gòu)的方式組織展示,，從內(nèi)插式到可熱插拔的外部總線,。

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圖1? 多種總線可用于滿足您的數(shù)據(jù)采集需求。

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PCI

圖2? PCI M系列多功能DAQ

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??? 外設(shè)部件互連（PCI）總線是現(xiàn)今最常用的內(nèi)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(yīng)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(dá)10 MS/秒和高達(dá)18-位精度的多功能I/O板卡,。

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PCI Express

圖3? PCI Epress的X系列多功能DAQ

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??? PCI Express是PCI的一項演進(jìn)技術(shù)，它完成了PC行業(yè)的一個新層次的創(chuàng)新,?？焖貾CI架構(gòu)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(shè)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(dá)250 MB/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。

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??? 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(nèi)填滿一只200 GB的硬盤。對于測量應(yīng)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(shè)備不必?fù)屨伎偩€,。

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??? 了解新款面向快速PCI的X系列DAQ設(shè)備

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USB

圖4,。帶有直接BNC連接的USB總線供電M系列

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??? 通用串行總線（USB）最初是為了實現(xiàn)外周設(shè)備（如鍵盤與鼠標(biāo)）與PC的連接而設(shè)計。然而,，在包括測量與自動化的許多其他應(yīng)用中,，它已被證明非常有用。USB提供了數(shù)據(jù)采集設(shè)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(shè)備所共享,。USB設(shè)備本質(zhì)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(yán)格如所預(yù)期的發(fā)生，因而,，USB并不適合高性能控制應(yīng)用,。

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

察看面向USB 2.0的NI CompactDAQ傳感器系統(tǒng)

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PXI平臺

圖5。PXI平臺由底板,、控制器和I/O模塊組成,。

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??? 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(hù)該開放標(biāo)準(zhǔn),，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(shù),。

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??? 基于CompactPCI，PXI吸納了儀器系統(tǒng)拓展和更嚴(yán)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(shù)優(yōu)勢包含通過堅固的封裝可以承受在工業(yè)應(yīng)用中常有的惡劣環(huán)境。PXI系統(tǒng)還提供了模塊化架構(gòu),，這意味著您可以將多臺設(shè)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(yuǎn)超出具有PCI總線的PC機,。PXI所提供的另一個最重要的技術(shù)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(nèi)部總線,，實現(xiàn)多臺設(shè)備的同步,。

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以太網(wǎng)

圖6。 面向C系列模塊的NI以太網(wǎng)DAQ

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??? 以太網(wǎng)幾乎是世界上每個公司網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(jié)合在實驗室,、辦公室和制造設(shè)施內(nèi)大量安裝的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，使得以太網(wǎng)成為遠(yuǎn)距離分布式測量的理想選擇,。雖然可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬取決于聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)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(luò)的數(shù)據(jù),，以支持更大型的系統(tǒng)。

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無線技術(shù)

圖7,。面向C系列模塊的NI Wi-Fi DAQ

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??? 無線技術(shù)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(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電站或民用設(shè)施,。無線技術(shù)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(shù)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(yīng)用。現(xiàn)有許多不同的無線技術(shù)可供使用,，其中,，最為普及的是IEEE 802.11（Wi-Fi）。

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??? Wi-Fi屬于最方便設(shè)置的無線技術(shù),。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(yán)格的無線安全標(biāo)準(zhǔn),，具有128-位AES加密和IEEE 802.1X身份認(rèn)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(shù)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(yīng)用的理想選擇,。

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