過去二十多年間﹐科學家與工程師已在自動化儀器系統(tǒng)中廣泛使用IEEE 488和通用接口總線GPIB。當大眾化電腦技術(shù)進入測試與測量領域﹐并在連接儀器時應用USB﹑以太網(wǎng)路﹑與IEEE 1394等總線技術(shù)時﹐GPIB接口是否能夠在將來成為儀器控制總線接口的首選就成了問題。由于GPIB擁有強大功能與廣大的使用者基礎﹐GPIB在未來的許多年仍會繼續(xù)存在。但是﹐儀器控制工業(yè)很可能將開始進入全球范圍內(nèi)的混合I/O系統(tǒng)的領域。本論文探討的是GPIB與其他總線組合使用時儀器系統(tǒng)的未來發(fā)展﹐以及在儀器控制中軟件”向上兼容”的重要性。 　　 GPIB基礎 　　 　　GPIB是專為儀器控制應用而設計的。在七十年代﹐IEEE 488標準的誕生致使1975年產(chǎn)生了GPIB在電氣﹑機械與功能規(guī)格方面的標準﹔在1987年ANSI/IEEE標準488.2更明確地定義了控制器與儀器通過GPIB通訊的方法﹐使先前的規(guī)格更加完備。 GPIB是一數(shù)字的8位平行通訊界面﹐傳輸速率達8Mbyte/s。總線提供的一個控制器在20米的排線長度內(nèi)最多可連結(jié)14個儀器。但使用者若使用GPIB擴增器與延長器便可以突破這兩個限制﹐而GPIB排線與連接器是一種多方面適用并符合工業(yè)標準的產(chǎn)品﹐可在任何環(huán)境內(nèi)使用。 　　 新總線技術(shù)的優(yōu)勢 　　 　　過去的電腦僅提供包括串口（RS-232）與并口﹐近年來,電腦配備均提供以太網(wǎng)絡﹑USB（通用序列總線）﹑有時甚至提供IEEE 1394（FireWire）接口。這些新的總線具有許多吸引人的特性 – 易于使用 （USB） ﹑易于連結(jié) （以太網(wǎng)絡） 以及高速 （IEEE 1394）。 　　 USB 　　 　　USB的設計主要是用來連結(jié)外圍設備如鍵盤﹑掃瞄儀﹑與磁盤機之類的電腦。蘋果電腦率先于1998年使用USB做為其唯一的串口﹐在過去數(shù)年中電腦工業(yè)使用USB連結(jié)的裝置數(shù)目已大大的增加。 　　 　　以目前的USB1.1規(guī)格而言﹐資料傳輸速率已高達1.5 Mbyte/s﹐而下一代的USB產(chǎn)品會使用USB2.0規(guī)格﹐更將總線資料傳輸速率提升至60 Mbyte/s。USB2.0規(guī)格能與USB1.1裝置兼容﹐甚至可使用相同的連接器。由于通用串口總線是一種即插即用技術(shù)﹐每當加入一新裝置時﹐USB主機會自動測試并辨識其身分﹐然后適當?shù)卣{(diào)整其配置﹐且一個接口能同時控制127個裝置。對于Windows操作系統(tǒng)而言﹐USB連結(jié)目前只能在Windows 2000/XP/98執(zhí)行。 　　 　　USB具有價格低廉及容易連結(jié)儀器與電腦的優(yōu)點。此外﹐USB提供更方便的串口功能如﹕熱插拔﹑內(nèi)置操作系統(tǒng)微調(diào)功能﹑高彈性等﹐來改善傳統(tǒng)串口的技術(shù)。 　　 　　雖然USB有許多吸引人的優(yōu)點﹐在儀器控制方面亦有一些缺點。首先﹐USB排線沒有工業(yè)標準規(guī)格﹐在嘈雜的環(huán)境下﹐可能造成資料的遺失﹔另外﹐USB排線沒有閉鎖機制 — 排線可能很容易的從電腦或儀器中拔除。排線長度（包括使用線上中繼器） 最大可至30米﹔最后﹐在儀器控制方面USB沒有工業(yè)傳輸標準的規(guī)定﹐需由儀器制造商自行設計。 　　 　　盡管USB有一些缺點﹐但由于目前電腦上的廣泛使用和USB2.0的高速﹐使其成為未來儀器控制的領導先趨。雖然目前很少儀器提供USB的控制選項﹐但使用者可以通過橋接器與USB連結(jié)他們儀器控制的應用.橋接器 提供了使用者一個連結(jié)USB與GPIB之間的橋梁。橋接器將于本論文稍后再討論。 　　 以太網(wǎng)（Ethernet） 　　 　　最近﹐儀器廠商已經(jīng)開始將以太網(wǎng)絡做為單獨儀器的另一個通訊界面選擇。雖然以太網(wǎng)絡在儀器控制中仍屬新的應用技術(shù)﹐但它已作為一種成熟的技術(shù)被廣泛的應用在測量系統(tǒng)的其他方面。世界上有超過一億臺電腦具有以太網(wǎng)絡功能﹐使得以太網(wǎng)絡做為儀器控制已是必然的趨勢。 　　 　　基于以太網(wǎng)的儀器控制的應用可以利用總線技術(shù)的特性，包括儀器遠程控制，企業(yè)內(nèi)的資源共享和方便的報告生成等。另外﹐使用者還可以充分利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡。但是﹐此優(yōu)勢亦可能對一些公司產(chǎn)生困擾﹐因為這會迫使網(wǎng)絡管理員涉入傳統(tǒng)的工程應用。 　　 　　以太網(wǎng)絡要用于儀器控制方面﹐尚需考慮以下因素: 傳輸速率﹑決定性﹑與安全性。最常見的以太網(wǎng)絡傳輸速率為10BaseT或100BaseTX﹐分別達到傳輸速率10Mb/s與100Mb/s。但是﹐這些傳輸速率因為其他網(wǎng)絡的流量﹑固定用途﹑與不足的資料流量而很少達到。傳輸速率的不確定性決定了以太網(wǎng)絡上的通訊無法確認。最后﹐面對敏感數(shù)據(jù)使用者﹐必須有更進一步的安全措施﹐以確保數(shù)據(jù)的完整性與私密性。 　　 IEEE 1394 （FireWire） 　　 　　IEEE 1394-1995標準﹐亦稱作FireWire （蘋果電腦的注冊商標） ﹐ 是蘋果電腦在1980年代發(fā)展的高效的串口總線﹐目前IEEE 1394的資料吞吐速率最高可以達到50 Mbyte/s。但是IEEE 1394貿(mào)易協(xié)會正在修訂其規(guī)格﹐擬將資料傳輸速率增加至400Mbyte/s。由于根據(jù)1394規(guī)范，設備的總線連接必須在4.5米之內(nèi)，那么16個儀器設備的連接也將在72米范圍之內(nèi)。在Windows操作系統(tǒng)中﹐目前只有微軟的Windows 2000/XP/98與1394兼容。 　　 　　IEEE 1394總線為高速傳輸應用提供很大的潛能﹐許多數(shù)碼相機及其他消費性電子產(chǎn)品均已包含IEEE 1394接口﹐供傳輸資料使用。IEEE 1394的高帶寬為復雜的多媒體應用提供可行的解決方案。IEEE 1394比USB更具優(yōu)越性﹐其在總線技術(shù)上有一專為控制儀器而定義的傳輸協(xié)定。但是﹐目前僅有少數(shù)的儀器具有1394接口。 　　 　　雖然IEEE 1394在儀器控制方面有許多優(yōu)勢﹐如高帶寬等﹐但仍有一些因素阻礙其現(xiàn)行的發(fā)展。IEEE 1394的主要缺點是1394接口并未內(nèi)置于英特爾的PC集成芯片的周邊（所有Macintosh電腦均內(nèi)建有1394接口）。因此﹐英特爾的PC使用者必須外接1394控制器﹐尤其對PCI板卡而言。雖然FireWire排線既輕巧又具彈性﹐但沒有達到工業(yè)標準規(guī)格﹐因此在一些測試與測量應用中可能會導致數(shù)據(jù)丟失。 目前新總線技術(shù)的使用 　　 　　現(xiàn)今僅有數(shù)個儀器制造廠商﹐在所制造的儀器中內(nèi)建USB﹑以太網(wǎng)絡﹑或IEEE 1394選擇界面。制造廠商對于總線的集成速度緩慢﹐是因為沒有一種總線技術(shù)能夠在儀器控制工業(yè)中位居于主導地位。USB的普遍性﹐或大型以太網(wǎng)絡的存在﹐或許可以提供設計者﹐在儀器控制中加入不同的通訊總線。當儀器制造商討論各總線技術(shù)的生存能力時﹐使用者如欲在其現(xiàn)有測試系統(tǒng)使用最新的總線技術(shù)﹐則可以選擇連結(jié)不同的通訊總線的橋接器。 　　 利用橋接器（bridge products）以節(jié)省投資 　　 　　由于新總線技術(shù)的的接受和應用減緩﹐與工業(yè)上對主導總線要求的不確定因素﹐橋接器等產(chǎn)品應運而生﹐成為儀器控制與產(chǎn)品連結(jié)的有效解決方案。使用橋接器, 使用者可以輕易的從一種總線轉(zhuǎn)換到不同型號的總線﹐同時利用最新的技術(shù)﹐保持下下的兼容性。例如﹐橋接器的一端可以插入您的電腦或系統(tǒng)上的以太網(wǎng)絡﹑USB﹑或1394接口﹐而另一端則通過GPIB或串口連接至傳統(tǒng)的儀器。使用者可以享有這些新總線在電腦上即插即用﹑簡易操作與應用廣泛的好處。此外﹐通過可以維持儀器控制軟件的兼容性﹐用戶可以減少軟件的投資并縮短研發(fā)時間。 　　 　　橋接器是為了解決使用者在應用上產(chǎn)生的困擾而設計的。例如﹐當更改控制器并利用以太網(wǎng)絡至GPIB橋接器時﹐使用者可以將GPIB插入式控制器的軟件重新使用﹐而不需任何修改。以下討論儀器控制系統(tǒng)軟件的重要性。 　　 　　National Instruments提供了應用廣泛的GPIB外接控制器﹐使用戶快速運行并提供降低成本﹑高效的解決方案。使用NI的GPIB-ENET/100﹐與 Ethernet-to -GPIB控制器﹐用戶可以通過TCP/IP網(wǎng)路﹐控制與共享位于世界各地的儀器。另外﹐使用者可不必修改他們?yōu)镚PIB通信所編寫的程序代碼﹐就可應用于他們的GPIB-ENET/100。 　　 　　輕便型NI GPIB-USB-A能將任何具有USB接口的電腦﹐轉(zhuǎn)換成全功能﹑即插即用﹑IEEE-488.2的控制器﹐其可控制達14個可編程GPIB儀器。GPIB-USB-A的體積小﹐重量輕﹐是使用不具內(nèi)建I/O插槽的手提式電腦或桌上型電腦等便攜式應用的最理想的選擇。 　　 　　GPIB-1394能將任何帶有IEEE 1394接口的電腦轉(zhuǎn)換成一全功能的IEEE 488.2控制器﹐并可控制14個可編程的GPIB儀器。 　　 　　以太網(wǎng)絡﹑USB與1394在作為測試與測量應用的標準總線界面上﹐有很大的潛能。隨著PC技術(shù)的發(fā)展﹐這些與其他未來的總線可以應用于儀器控制。但是﹐考慮到PC技術(shù)的迅猛發(fā)展﹐而測試測量儀器的生命周期相對較長，現(xiàn)在的一些甚至于將來的總線技術(shù)應該慎重考慮其在儀器控制方面的應用和使用周期。GPIB在儀器控制與連結(jié)方面﹐能成為被廣泛使用的總線﹐主要的原因是經(jīng)過了時間的成功考驗。與現(xiàn)今的總線技術(shù)不同﹐GPIB是特別為儀器控制而設計﹐并且在未來仍會持續(xù)應用于測試和測量的應用。 　　 創(chuàng)造靈活的軟件架構(gòu) 　　 　　不論未來何種總線會與GPIB共同使用﹐軟件的向上兼容性與集成將是任何使用者在混合式I/O系統(tǒng)取得成功的關(guān)鍵。在應用新的總線標準的進行無縫連接的同時，如果軟件不存在的兼容性，則會存在花費3小時連接新儀器，還需花費三個月編寫新的應用程序的問題。 　　 　　由于多供應商﹑多界面系統(tǒng)的現(xiàn)象逐漸流行﹐您需要一個軟件結(jié)構(gòu)，能夠以最少精力與最強大的軟件再利用性方式處理這些系統(tǒng)。例如使用可交換虛擬儀器（IVI） 與虛擬儀器軟件架構(gòu) （VISA） 的工業(yè)軟件標準﹐使用者在轉(zhuǎn)移至新總線時﹐可以維持其軟件與之前撰寫的程序相兼容﹐并符合工業(yè)標準通訊協(xié)定的方式﹐維持其軟件投資。 　　 以VISA維持軟件投資 　　 　　為使工業(yè)軟件兼容性更進一步﹐VXI即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟開發(fā)了一個I/O軟件的規(guī)格 — VISA。聯(lián)盟于1993年成立時﹐許多VXI﹑GPIB與串口界面的非標準商業(yè)應用已經(jīng)存在。對于這些總線﹐VISA為高層多供應商系統(tǒng)軟件提供研發(fā)﹑傳送與交互使用的共用基礎﹐如儀器驅(qū)動程序﹑軟件面板﹑應用軟件等。雖然此聯(lián)盟定義了VISA﹐然而一些個別的供應商也有不同的VISA軟件。 　　 　　由于VISA能為儀器通訊定義應用程序界面（API）﹐當您移至新的總線接口或混合式I/O系統(tǒng)時﹐仍可以確保您的軟件投資。 　　 　　但使用上述模式有一個問題﹐就是各供應商設計的VISA軟件﹐是用于供應商自己的控制器﹐而不能使用于其他供應商的產(chǎn)品。另外﹐欲在新的總線上工作﹐您必須安裝一個完整的VISA庫。有時這是由不同的供應商提供﹐而且這也不保證能維持現(xiàn)存的界面。 　　 　　為解決此問題﹐National Instruments早已使用一個”Passport”插入式模塊重新設計我們的VISA產(chǎn)品﹐此模塊為各個不同的總線定義不同的通訊接口﹐或稱作passport。此NI Passport模塊將特定的連結(jié)總線的通訊機制與核心VISA庫分開﹐此函式庫含有常用的高階VISA API。使用此模塊﹐各個不同的總線需要一個passport以連接至核心VISA引擎﹐因此﹐可以很容易的與新總線相容﹐而不需牽動現(xiàn)有的界面。 　　 　　通過這一模塊﹐您可以真正的擁有多重供應商﹑多重界面的系統(tǒng)。與其他依賴如 COM技術(shù)的解決方案不同﹐多平臺的ANSI C技術(shù)仍舊是Passport模型的基礎。National Instruments承諾將使VISA與任何會在測試與測量應用中受歡迎的總線介面兼容。 　　 以IVI尋找多變性 　　 　　IVI基金會正在定義儀器驅(qū)動程序的標準——一個能夠克服低階通訊的軟件模塊﹐ 這是一個建立在VISA之上的標準﹐提供強健高效能﹑容易使用的儀器傳輸協(xié)議。這些儀器驅(qū)動程序是根據(jù)基本標準而制作﹐包含如測量或讀取波形的高階功能﹐而其內(nèi)部包含低階VISA讀寫功能。與VISA合并﹐IVI可提供給多重供應商﹑多重平臺﹑與混合I/O測試系統(tǒng)一個強大的功能機制。