深入了解LAN/LXI在儀器控制方面的應(yīng)用

深入了解LAN/LXI在儀器控制方面的應(yīng)用

目錄
? LAN介紹
? LXI--兼容LAN儀器
? 混合系統(tǒng)中選擇最佳總線
? 參考文獻(xiàn)
? NI相關(guān)產(chǎn)品以及白皮書
LAN介紹
LAN總線是一種用于連接儀器和PC的總線之一。盡管人們常說LAN（或其他總線）適用于所有的應(yīng)用，但實(shí)際上每種總線都有不同的優(yōu)勢，真正的系統(tǒng)是在一個(gè)統(tǒng)一的軟件架構(gòu)中充分利用多種總線的優(yōu)勢。LAN總線特別適用于分布式應(yīng)用，但對于桌面測量或自動(dòng)化測試就不是最合適的。本文將詳細(xì)分析LAN總線在適合的儀器控制方面的應(yīng)用。同時(shí)我們還會(huì)對LXI（LAN的儀器擴(kuò)充，簡稱LXI），一種全新的標(biāo)準(zhǔn)基于LAN總線進(jìn)行一些討論。
LAN或以太網(wǎng)總線，是一種為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。它是非常普遍的連接方式，我們用它連接到其他電腦和英特網(wǎng)。LAN總線最明顯的優(yōu)勢是允許存在連接距離，尤其是在使用了LAN交換機(jī)和路由器之后，LAN幾乎沒有連接距離上的限制。。當(dāng)系統(tǒng)需要長距離的分布式測量，或需要將測量儀器靠近測量源而遠(yuǎn)離控制PC時(shí)，這種距離上的優(yōu)勢就顯得至關(guān)重要。通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全配置，LAN還能夠用于遠(yuǎn)程診斷；如查看遠(yuǎn)程測試地點(diǎn)的儀器配置情況。
LAN在分布式處理系統(tǒng)中也有用武之地。多個(gè)處理單元可以通過LAN網(wǎng)絡(luò)完美地相連，并對等地進(jìn)行通信。舉例而言，一個(gè)高性能的分析程序能夠通過LAN，將不同的處理任務(wù)分配到多個(gè)相連的PC上，從而擴(kuò)展系統(tǒng)的處理性能。另外，在一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)記錄程序中，每一個(gè)本地節(jié)點(diǎn)都能夠完成數(shù)據(jù)記錄和控制，而僅僅將需要的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)督控制系統(tǒng)中。
最后，LAN對于儀器控制來說也相當(dāng)具有吸引力，因?yàn)榫拖?a target="_blank">USB、過去的RS-232和并行端口一樣，LAN也逐漸成為所有臺式PC的標(biāo)準(zhǔn)。
另一方面，在非分布式系統(tǒng)中，如臺式機(jī)或機(jī)架環(huán)境下時(shí)，LAN也存在一些缺陷，包括：
? 較長的延時(shí)
? 較長的處理時(shí)間和較高的成本
? 復(fù)雜的配置
? 可供選擇的LAN儀器較少
總線的吞吐量一般由總線的延時(shí)和帶寬共同決定的。延時(shí)度量數(shù)據(jù)傳送的遲滯，而帶寬度量數(shù)據(jù)通過總線傳輸?shù)乃俾剩ǔＲ訫B/s為單位。低延時(shí)能夠提高需要傳輸大量短小指令或小型數(shù)據(jù)包的應(yīng)用。高帶寬對于諸如波形生成和采集的應(yīng)用程序非常重要。圖1對不同儀器總線的延時(shí)和帶寬進(jìn)行了比較。請注意，從下至上為帶寬提高，而從左至右為延時(shí)縮短。盡管更高速度的選擇，如千兆LAN，能夠?yàn)樵S多應(yīng)用提供足夠的帶寬，但是LAN的延時(shí)在各種總線當(dāng)中卻是最長的，這直接限制了LAN在許多儀器應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。舉例而言，圖2是一個(gè)常用的數(shù)字萬用表（DMM）/開關(guān)應(yīng)用的性能指標(biāo)，LAN接口的性能比USB或GPIB差多了。

圖2：在開關(guān)-測量系統(tǒng)中通過LAN、USB、GPIB和PXI分別添加一個(gè)繼電器之后的性能表現(xiàn)。LAN的延時(shí)最長，這限制了LAN在這項(xiàng)應(yīng)用中的性能。
（LAN、USB和GPIB數(shù)據(jù)得自Agilent 34980A，PXI數(shù)據(jù)得自NI PXI 4070和NI PXI 2532）
在數(shù)據(jù)密集的應(yīng)用中，由于協(xié)議棧是在軟件中實(shí)現(xiàn)，LAN通信需要強(qiáng)大的處理能力。一般的判斷原則是“每赫茲一位”規(guī)律1；這是一種對給定以太網(wǎng)連接速度所需CPU處理性能的粗略估計(jì)是，一般每秒鐘需要處理一位網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，就需要一赫茲的CPU處理能力。使用這個(gè)規(guī)則，我們大約可以判定一個(gè)千兆LAN連接在全速進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)，大約需要1G赫茲的現(xiàn)代臺式處理器的處理能力。因此，在高速系統(tǒng)中，CPU可能在通信鏈路上投入的處理會(huì)超過實(shí)際應(yīng)用。這可能成為系統(tǒng)獲取更高數(shù)據(jù)吞吐量的瓶頸，例如依賴數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)流傳回主機(jī)處理器的模塊化系統(tǒng)。
LAN的處理性能可能在兩個(gè)方面增加一個(gè)LAN儀器的成本。首先，在高速系統(tǒng)中，可能需要臺式機(jī)或服務(wù)器級別的處理器來處理TCP/IP協(xié)議棧。其次，當(dāng)通過LAN無法達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)速率要求時(shí)，儀器設(shè)計(jì)者必須在儀器中內(nèi)嵌數(shù)據(jù)削減處理單元。而這樣既增加了成本，也降低了用戶靈活性。
LAN的另一個(gè)缺陷是需要現(xiàn)有的LAN網(wǎng)絡(luò)支持才能夠進(jìn)行安裝。對于一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用而言，這可能不是個(gè)問題，但是和桌面應(yīng)用中的USB相比，這卻是額外負(fù)擔(dān)。LAN需要IP地址和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，而這些都可能受到其安裝所在網(wǎng)絡(luò)IT政策的影響。實(shí)際上，許多針對LAN儀器的遠(yuǎn)程診斷的優(yōu)勢都會(huì)被公司的關(guān)于防火墻或是其他網(wǎng)絡(luò)安全的IT政策所否定。
盡管以太網(wǎng)比GPIB的歷史更長，用于儀器控制也有至少15年了，它在儀器控制總線中的應(yīng)用仍只占一小部分；相比于超過一萬種的GPIB控制儀器，LAN儀器只有區(qū)區(qū)幾百種。2現(xiàn)在，LAN主要用于儀器間距離較長的系統(tǒng)。對于臺式應(yīng)用，更常使用GPIB和USB，而在驗(yàn)證和生產(chǎn)中，GPIB和模塊化系統(tǒng)，例如PXI總線（PCI儀器擴(kuò)展），是最常用的選擇。當(dāng)然，許多系統(tǒng)將多種不同的總線整合到一個(gè)混合系統(tǒng)中，其中實(shí)際儀器接口在軟件中被抽象了。
LXI--兼容LAN儀器
2005年，一些測試和測量廠商發(fā)布了一個(gè)名為LXI標(biāo)準(zhǔn)的說明。LXI在獨(dú)立LAN儀器中加入了一些附加特性，比如標(biāo)準(zhǔn)HTML配置頁面和多種實(shí)現(xiàn)LAN儀器的最佳實(shí)例。LXI加入了可選的定時(shí)與同步特性，包括IEEE-1588精確定時(shí)協(xié)議和總線硬件觸發(fā)（這些在某些類別的LXI儀器中是必需的）。圖3對LXI和現(xiàn)有LAN儀器的特性進(jìn)行了比較。

圖3：LAN和LXI儀器特性比較
IEEE-1588允許通過LAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步。IEEE-1588設(shè)備使用特定LAN硬件能夠達(dá)到在+-100 ns的時(shí)間同步。這個(gè)能力使IEEE-1588對于需要進(jìn)行長距離同步的低采樣速率（低于1 MS/s）的應(yīng)用變得很有吸引力。LXI硬件觸發(fā)總線是一系列共享的LVDS（低電壓差分信令），通過使用特殊電纜可以在更短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)更精確的同步。
許多LXI儀器與現(xiàn)有LAN儀器很相似，實(shí)際上，現(xiàn)有的LXI設(shè)備大部分都是在之前產(chǎn)品的基礎(chǔ)上升級所得到的。它們具有可選的同步功能，非常適合于長距離的分布式儀器的應(yīng)用。

混合系統(tǒng)中選擇最佳總線
實(shí)際的系統(tǒng)會(huì)在一個(gè)模塊化系統(tǒng)架構(gòu)下使用多種總線技術(shù)，以最大限度地利用每個(gè)系統(tǒng)的特性。舉例而言，您可以使用基于PXI的具有高采集和生成速度的系統(tǒng)連接現(xiàn)有的GPIB和USB儀器，并且通過LAN將數(shù)據(jù)傳送到其他應(yīng)用程序。因此購買儀器時(shí)，你最好確定儀器帶有相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序，使您可以在您所選的軟件中輕松地構(gòu)造混合系統(tǒng)。
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