无论是开发何种测试与测量应用，都需要依靠成熟的仪器控制技术，以在不分任何程式语言以及任何汇流排介面下，协助连接仪器。工程师可以弹性地选择最合适的硬体介面，而却又不需担心程式语言是否支援；同样的，在选择程式语言时也不需担心硬体是否支援。所以若要拥有一个可靠、坚固且高效能的仪器控制系统，则需使用到高弹性且可扩充的仪器控制软硬体。

本文将会介绍一系列的软硬体选择，协助工程师在量测应用上选择最适合的软硬体。

硬体汇流排技术

「仪器控制」的意思是使用电脑上执行的软体，通过某种汇流排去操控另一端的仪器。仪器本身通常都会提供超过一种连接的方式，而电脑上通常也会支援超过一种仪器控制汇流排。如果电脑并不内建仪器所支援的汇流排，则可以透过介面卡或是外接转换器来得到所需的汇流排。仪器控制的汇流排介面有非常多种，大致可区分为下列两种分类：

独立汇流排技术

GPIB

General Purpose Interface Bus（GPIB）是控制传统封闭式仪器最普遍的通讯介面。 GPIB是专为测试与量测领域以及仪器控制所制定的通讯介面。此通讯协定最早是惠普HP（安捷伦的前身）所设计的，当时取名为HP-IB，而在1975年时被IEEE协会订为IEEE 488-1975工业标准，而更名为GPIB。最原始的通讯标准只有定义汇流排的电讯、结构与功能，还有一些基本软体的通讯方式。但在1987年时，改版过后的ANSI/IEEE 488.2-1987工业标准协定则加强了之前的定义，详细地定义了控制端与仪器端之间的通讯。 （旧版的协定则被命名为IEEE 488.1-1975）。

在2003年，更新的改版命名为IEEE 488.1-2003，定义了高速GPIB的功能。 GPIB是个8位元的数位平行通讯介面，传输速率最高可达8Mbps。此汇流排可连结一个系统控制器以及最多14台仪器，缆线最长可达20公尺。但仪器数量以及缆线长度限制可被GPIB延伸器以及延长器所突破。 GPIB缆线以及接头都是工业等级的，可适用于任何环境。

由于GPIB不是个人电脑市场的汇流排，很少有电脑会内建GPIB介面，使用者可购买介面卡例如PCI-GPIB卡或是外接转换器例如GPIB-USB来把GPIB的介面加入自己电脑中。

序列埠(RS232)

RS-232是个序列通讯的协定，它也是所有序列通讯汇流排里最普遍的介面。 RS-232在控制分析仪器以及科学仪器上十分普遍，也常被用来控制数据机以及印表机。它与GPIB介面有些差异，例如它只能控制一台仪器。 RS-232相较起来也是个较慢的介面，它通常的传输速率是每秒20kbytes（不过有些外加产品可达到更高的传输速率）。

RS232是个普遍的介面,在很多旧型桌上型电脑或笔记型电脑上都可找到。或者也可以购买扩充卡来扩充序列埠的数量,例如PCI或USB介面的扩充装置。

USB

Universal Serial Bus（USB）是专为连结电脑到周边设备的传输介面，例如连结键盘，滑鼠，扫描机与硬碟到电脑上。在过去数年内，支援USB介面的装置大幅增加。 USB是一个随插即用的技术，它可使USB伺服端自动侦测所接上的装置，讯问它的身分，之后再加以设定。利用扩充器，一个USB通道最多可连结到127个装置。 USB介面是被USB Implementers Forum（USB-IF）协会所定义。最初的USB 1.1（也就是USB 1.0的小改版）规范定义了两种传输方式以及速度：慢速传输，最高可达每秒1.5Mbits（200kB）；以及全速传输，最高可达每秒12Mbits（1.5 MB）。最新的USB规范，也就是USB 2.0，可与慢速及全速装置向下支援，除此之外它的高速模式可达到每秒480Mbits（60MB）的传输速率。

虽然USB最原始的目的是为了连结电脑周边装置，不过由于它的速度、普遍性以及简易性，USB也被利用至仪器控制的应用上。不过在仪器控制的应用上它也有些缺陷；首先，USB缆线不符合工业标准，也就是说在恶劣的环境下可能会有资料流失的现象；除此之外，USB连接头并没有卡损装置，所以非常容易脱落。最后，在USB系统中就算使用了延伸器，它最长的距离也只能到30公尺。

乙太网路

乙太网路是个成熟的技术，广泛的被量测系统所运用，除此之外，也使用在网路系统以及远端资料储存。全世界有超过10亿台乙太网路电脑的使用量，乙太网路也成为了仪器控制的可用介面之一。乙太网路为IEEE 802.3标准，可提供网路设定以及高达每秒10Mbits（10BaseT）、100Mbits（100BaseTX）以及1Gbits（1000BaseT）的理想传输率。现在最普遍的是100BaseTX的网路。透过乙太网路的仪器控制应用可利用此通讯协定独特的优势，例如远端控制仪器、简易的仪器分享以及简易的资料传输。此外，使用者还可利用在公司以及实验室已有的乙太网路设备，但使用此汇流排对某些公司将造成困扰，因为必须把网路工程师带入传统工程应用里。

乙太网路用于仪器控制的其它缺陷有实际传输速率、确定性以及安全性。虽然乙太网路通讯最高可达到每秒1Gbits的理想传输率，不过通常这个速度是很难实际达到的，这是因为其它网路的阻塞以及不理想的资料传输方式。然而因为不确定真实速度，在乙太网路上也不能达到确定性。最后，如​​果资料有保密需求，则需要再用其它防范措施以确保资料的安全。

无线通讯

无线通讯科技迅速地占有了市场的一席之地，它可以非常方便的让装置互相沟通。现在最广泛的商用无线技术就是无线乙太网路（IEEE 802.11规范；WiFi）。 IEEE 802.11也被分为三大类（802.11a、802.11b以及802.11g）这些分类规定了其传输频率、传输距离以及传输速度。 802.11b与g是互相相容的，不过并不与802.11a相容。最高的传输速度是802.11g与a的每秒54Mbits。照常理看，无线乙太网路是可以被仪器控制所应用的，虽然它与乙太网路有共同的缺陷（加上无线网路所造成的一些因素），它却可以很方便地连结仪器，而不需受到缆线的限制。

目前有其它的无线通讯科技正在市场上开发，包含蓝芽、ZigBee以及无线USB。这些通讯介面超过本文讨论的范围，不过也可提供另一种无线仪器控制的方案。

IEEE 1394（Firewire）

Firewire，或称IEEE 1394，是高效能的序列通讯汇流排，最早由苹果电脑在1990年代的时候研发。最基本的规范可达到400Mbps的传输速率，不过此规范的b版本把速度提高至3.2Gbps。虽然规范里有限制装置与汇流排接头之间距离最长只能4.5公尺，不过最多可把16个装置串连在一起，达到最长72公尺的距离。 IEEE 1394并不非常适合使用在测试与测量的领域中。原因有以下几项，首先1394的缆线并不符合工业规格，再来是1394只保证频宽，并不保证资料不会流失，最后是通过测试后发现1394的资料传输速度比理想值低很多。除了以上所讲的之外，1394并不适用于仪器控制，因为只有少数仪器支援，且普通电脑并不会内建此汇流排。

模组化汇流排

PCI

PCI汇流排最早是在1990年代的时候问世的。它其中的一个目地就是把当时许多的I/O汇流排例如VESA、EISA、ISA以及Micro Channel整合为一。最初，PCI汇流排是使用元件到元件的方式所设计的，主要是为了代替低效能的ISA汇流排。 PCI比以往的汇流排多了许多优点，最重要的改良为：与处理器的独立性、缓冲隔离、汇流排控制以及随插即用的功能。缓冲隔离可把CPU汇流排以及PCI汇流排隔离，无论是电性隔离还是时脉隔离。汇流排控制使得所有PCI卡可通过汇流排主控制器来互相分享汇流排，而不需等待CPU来做控制的动作，这样可大幅的加快I/O速度。最后，随插即用的功能可让PCI卡自动被侦测与设定，无需像ISA一样需要手动用开关去设定以及DMA。 PCI汇流排通常不会直接被用在仪器控制上，但它却提供了一个介面，可增加PCI-GPIB卡来使用GPIB做仪控。除此之外，由于它的高频宽，PCI也成为了有内建I/O汇流排的模组化仪器的最佳汇流排。

PXI

PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是个坚固、架构于电脑平台的介面，为了量测以及自动化所订作。 PXI结合了PCI的汇流排电子机构，再加上CompactPCI的坚固性以及架构包装与介面，最后再加上了特别的同步​​汇流排以及独特软体技术。以上所叙述的特性使得PXI成为一个高效能且廉价的量测以及自动化平台。这些系统用在生产线测试、军方、航空、机械监控、汽车业以及工业测试。在1997年开发，1998年量产的PXI技术是个开放式的工业标准，适用于持续增加的复杂仪器系统应用。如今，PXI被PXI系统联盟（PXISA）所管理，此联盟有超过65家公司一起规划以及推广PXI标准。 PXI在模组化领域里大幅被使用，也提供了一个与传统仪器不同的仪控解决方案，利用小体积，高效能的量测模组以及整合时脉与同步功能来达到更佳的仪器应用。

PCI Express

如今有更多应用需要广大的频宽，在这些应用中，PCI汇流排逐渐被其最高传输率所限制住。所以PCI协会（PCI-SIG）开发出PCI Express，目的是提供一个可扩充的低价位介面，可使用在广泛的应用领域里，并且提供与PCI卡一样的驱动程式软体架构。 PCI Express的架构是以阶层来定的。它与PCI位址组态完全相容，所以以往的应用程式以及驱动程式都无需修改。软体阶层会产生读与写的要求，再以封包的方式传给I/O阶层。连结阶层则会将每个封包加上顺序编号以及CRC码来达到稳定且不流失资料的传输方式。硬体阶层则有双通道，有传送通道以及接收通道。最初的速度是每方向2.5Gbps的传输率，换言之可达到每方向每秒钟200MB的传输量，这比传统的PCI介面多了四倍之多。如同PCI一样，PCI Express并不会直接使用在仪器控制上，而是提供了一个可使用GPIB卡的转换插槽。不过，由于它超快的速度，PCI Express可被使用在模组化仪器的应用中。

VXI

VME eXtensions for Instrumentation（VXI）是第一个工业仪器标准的协定。有如名字所叙述，VXI是架构在VME汇流排之上，而且也使用VME背板。 VXI在1987年定义，之后被定为IEEE 1155工业标准。它的目标是提升可交换性、减小体积、提升产能以及降低成本。 VXI使用与GPIB类似的通讯方式，超过百分之80的VXI仪器使用讯息方式的通讯。 VXI汇流排的确有达到它的某些目标，虽然体积稍大，不过现已缩小许多。VXI也使不同厂商之间的仪器互相运作，而且其电子规格可提供更精准的时脉以及同步。不过VXI也有它的缺陷，例如缺乏软体支援，无法完全提升产能，而且由于没有利用普及电脑科技它也无法大幅的降低成本。

仪器控制之硬体解决方案

无论选择何种仪器控制汇流排，可以信赖的仪器控制硬体解决方案包括提供可直接透过GPIB或RS-232与仪器控制的产品，也有提供转换器以及从电脑连结至仪器的软体方案。最后，将量测硬体及通讯介面合一的模组化仪器也可更方便使用者使用。

独立汇流排

使用者可使用广泛应用的转换器介面卡来从电脑连结至GPIB仪器。这包含了例如PCI-GPIB、PCIe-GPIB以及PCMCIA-GPIB。这些产品需支援Windows、Linux以及Mac OS X作业系统。

另外也可以直接从电脑中已有的序列埠连结到有支援序列埠的仪器。不过现在最新的电脑可能没有内建序列埠，所以可使用GPIB介面卡。

如果想要使用乙太网路或USB直接连结到所支援的仪器，则可直接使用电脑内建的汇流排以及NI-VISA软体。不过这些新的汇流排技术可能还未被仪器控制领域大幅使用，所以使用者也可以使用转换器来做连结。这样就可以使用最新的汇流排技术，也不会浪费掉之前使用GPIB或序列埠时的仪器投资。这些汇流排转换器都与内插式的GPIB卡或序列埠相容，所以可保有在软体上的投资。

新一代的GPIB外接式转换器例如体积小巧的GPIB-USB-HS，这是架构于高速USB 2.0的技术之上，可把任何支援USB介面的电脑变成一台有完整功能、随插即用的IEEE-488.2控制器，可控制高达14台GPIB仪器。由于GPIB-USB-HS轻小的体积，它十分适合用于可携式应用，例如笔记型电脑，或是没有扩充槽的桌上型电脑。另外，GPIB-ENET/100是一个可转换乙太网路至GPIB的转换器，可控制以及共用任何在TCP/IP网路上的仪器，只要与任何无线网路机配合使用便可无线控制仪器。

此外，一系列的外接式序列埠控制器，也可让使用者使用新的通讯介面来控制旧款的RS-232介面仪器。而产品需提供两通道与4通道的选择，使用者才可用来控制以及分享在网域里的分析仪器或是实验仪器。例如产品提供单通道、两通道与4通道的选择，方便使用USB介面控制序列埠仪器。

模组化汇流排

具备PCI以及PXI介面的模组化仪器整合了传统仪器的量测能力以及高效能的汇流排为一。这些体积小、效能高的量测硬体整合了时脉以及同步的功能，其模组包含了示波器、波形产生器、任意波形产生器、高速数位I/O、数位电表以及射频硬体。

除此之外，使用者也可了解PXI平台所支援的产品。此平台提供了一个开放且多厂商支援的量测与自动化介面，比传统的量测与自动化架构高了超过十倍的效能。因此可整合PXI平台以及模组化仪器来达到一个完整的量测与自动化解决方案。

（作者任职于NI美商国家仪器）

（本文下期将继续介绍应用程式语言技术与仪器控制之软体解决方案，欢迎读者继续锁定。）

延 伸 阅 读	凭借速度快、发展潜力大的优势，串列汇流排在短短数年内几乎全盘取代了传统的并行技术，成为电脑系统的绝对主导。这场技术革命波及所有与汇流排相关的领域，如外部汇流排中的USB与IEEE1394。相关介绍请见「 没有终点的汇流排革命串列汇流排技术发展概览」一文。 GPIB硬体和软体产品可达成效能改进、高可靠性以及增加产能，并快速有效率地设计、开发及测试产品。效能可以透过硬体的最新技术，以及最佳化软体所带来的最大总传输量得到改善。你可在「 正确选择更具效率的GPIB 」一文中得到进一步的介绍。 随着晶片处理速度增加、系统架构和相关数据流复杂度的提升，不论是PC或嵌入式系统的领域，对于高速连结技术的需求都大幅增加。以PC来说，PCI汇流排称霸了多年，如今已逐渐失去其成长性。在「高速汇流排技术竞赛－PCI Express、HyperTransport与RapidIO」一文为你做了相关的评析。

市场动态

将多种功能融合于一部可携式设备之中给设计人员提出了新的挑战。如今，产品生命周期变得越来越短，而嵌入式应用也在迅速发展。 OEM们难以负担为每一代新产品都设计一种全新的平台，他们现在选择更灵活性的模组化平台。相关介绍请见「利用记忆体汇流排建构模组化可携式设备架构」一文。 当PCI Express和USB 2.0之类的PC汇流排技术继续提升资料频宽、效能及使用简易性时，使用PC设备进行量测及控制的优点也更加明显。且由于建立在电脑技术的基础上，虚拟仪器永远会随着新的通讯、处理及记忆体技术的推出而不断进步。你可在「 以PCI Express及USB 2.0提升PC量测效能」一文中得到进一步的介绍。 矽统科技宣布与美商英特尔签订Pentium M前端汇流排533MHz授权合约，矽统科技将有权制造、销售与英特尔Pentium M前端汇流排533MHz微处理器相容之晶片组产品。在「矽统科技与美商英特尔签订Pentium M前端汇流排533MHz授权合约」一文为你做了相关的评析。