當您在上百個不同的數據采集（DAQ）設備，有各種各樣的總線選擇的時候，可能很難為您的應用需求選擇合適的總線。 每條總線都有不同的優點，比如在吞吐量、延遲、便攜性或離主機的距離等方面具有不同的優勢。 本文探討了最常見的PC總線選型，并概述了為測量應用選擇合適的總線時，技術方面的考慮因素。

1.有多大的數據量經過該總線？

所有的PC總線在一定的時間內可以傳輸的數據量都是有限的。 這就是總線帶寬，往往以兆字節每秒(MB/s)表示。 如果動態波形測量對您的應用十分重要，一定要考慮使用有足夠帶寬的總線。

根據您選擇的總線，總帶寬可以在多個設備之間共享，或只能專用于某些設備。 例如，PCI總線的理論帶寬為132 MB/s，計算機中的所有PCI板卡共享帶寬。千兆以太網提供125 MB/s的帶寬，子網或網絡上的設備共享帶寬。 提供專用帶寬的總線，如PCI Express和PXI Express，在每臺設備上可提供最大數據吞吐量。

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

例如，一個16位設備（2字節）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數據采集的速度，需要注意的是，實際的系統帶寬低于理論總線限制。 實際觀察到的帶寬取決于系統中設備的數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據，帶寬是您選擇DAQ總線時最重要的考慮因素。

2. 對單點I/O的要求是什么？

需要單點讀寫的應用程序往往取決于需要立即和持續更新的I/O值。由于總線架構在軟硬件中實現的不同方式，單點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的響應時間。它是調用驅動軟件函數和更新I/O實際硬件值之間的時間延遲。 根據您選擇總線的不同，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）控制系統中，總線延遲可以直接影響控制回路的最快速度。

單點I/O應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性。 與I/O通信時，延遲相同的總線比有不同響應的總線確定性要強。 確定性對于控制應用十分重要，因為它直接影響控制回路的穩定性。許多控制算法的設計期望就是控制回路總是以恒定速率執行。 預期速率產生任何的偏差，都會降低整個控制系統的有效性和穩定性。 因此，實現閉環控制應用時，應該避免高延遲、確定性差的總線，如無線、以太網或USB。

軟件在總線的延遲和確定性方面起著重要的作用。 支持實時操作系統的總線和軟件驅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I/O應用來說，PCI Express和PXI Express等內部總線比USB或無線等外部總線更好。

3. 需要同步多個設備嗎?

許多測量系統都有復雜的同步需求，包括同步數百個輸入通道和多種類型的儀器。 例如，一個激勵-響應系統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信號，從而使I/O信號具有相關性可以更好地分析結果。 不同總線上的DAQ設備提供不同的方式來實現同步。多個設備同步測量的最簡單的方法就是共享時鐘和觸發。 許多DAQ設備提供可編程數字通道用于導入和導出時鐘和觸發。 有些設備甚至還提供專用的BNC接頭的觸發線。 這些外部觸發線在USB和以太網設備上十分常見，因為這些DAQ硬件處于PC機箱外部。 然而，某些總線內置有額外的時鐘和觸發線，使得多設備的同步變得非常容易。 PCI和PCI Express板卡提供實時系統集成（RTSI）總線，由此桌面系統上的多塊電路板可以在機箱內直接連接在一起。 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。

用于同步多個設備的最佳總線選件是PXI平臺，包括PXI和PXI Express。 這種開放式標準是專門為高性能同步和觸發設計的，為同一機箱內同步I/O模塊以及多機箱同步提供了多種選件。

4.系統對便攜性有何要求？

便攜式計算的極速增長是毋庸置疑的，它為基于PC的數據采集提供了許多新的創新方式。 便攜性是許多應用的一個重要部分，它也可能成為總線選擇的首要考慮因素。 例如，車載數據采集應用得益于結構緊湊，易于運輸的硬件。 如USB和以太網等外部總線，因為其快速的硬件安裝以及與筆記本電腦的兼容性，特別適用于便攜式DAQ系統。總線供電的USB設備提供了更多的便利，因為它們并不需要一個單獨的電源供電。 使用無線數據傳輸總線也可提高便攜性，因為當計算機保持不動時，測量硬件本身可以移動。

5. 計算機離測量物體有多遠？

各個數據采集應用不同，您需要測量的物體和計算機之間的距離也可以大大不同。 為了達到最佳的信號完整性和測量精度，您應該盡可能地將DAQ硬件靠近信號源。 但這對于大型的分布式測量，如結構健康監測或環境監測來說就十分困難。 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，將整個系統移近信號源。 借助于無線通訊技術，計算機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，將數據發回到一個集中地點。

常用總線的選擇指南

根據以上5個問題，表1列出了大部分常用數據采集總線的選擇指南。

 

表1. 此表列出了基于應用需求的總線選擇指南以及NI產品范例。

寬帶①：理論最大數據傳輸速率基于以下的總線規范： PCI、PCI Express 1.0、 PXI、PXI Express 1.0、 USB 2.0、千兆以太網和Wi-Fi 802.11g

數據采集總線概覽

雖然有很多種不同的總線可供選擇，本章節主要介紹七種最常見的總線，包括：

•       PCI

•       PCI Express

•       USB

•       PXI

•       PXI Express

•       以太網

•       無線

圖1顯示了這些總線在NI數據采集產品的PC總線層次結構中的分類，包括內部總線到熱插拔的外部總線。

圖1. 您可以在多種總線進行選擇，以滿足您的數據采集的不同需求

PCI

圖2. PCI M系列多功能DAQ

PCI總線是如今最為常用的一種內部計算機總線。 憑借132 MB/s的共享帶寬，PCI提供高速數據流和確定性數據傳輸來實現單點控制應用。 針對PCI有許多不同DAQ硬件選件，其中包含高達10 MS/s、18位分辨率的多功能I/O板卡。

PCI Express

圖3. PCI Express X系列多功能DAQ

PCI Express是PCI的革新，并將PC工業的創新推向新的水平。 PCI Express架構的一項最大優勢在于：由獨立數據傳輸線提供的專用總線帶寬。 不同于所有PCI中的設備共享132MB/s的帶寬，PCI Express采用獨立的數據通道，每個通道的帶寬能夠達到250 MB/s。

PCI Express總線也從一個單一的X1（稱為“乘1”）數據通道擴展到x16的數據通道，吞吐量最大達到4 GB/s的，可在不到一分鐘的時間內填滿200 GB的硬盤。 對于測量應用，這意味著持續性良好的采樣率和數據處理速率，多個設備無需為了總線上的時間相互爭搶。

USB

 圖4. USB X系列在任何帶有USB端口的計算機上增加了數據采集

通用串行總線（USB）最初設計用來將外圍設備，如鍵盤和鼠標,與計算機連接。現在，它已被證明可用于許多其他應用，包括測量和自動化。 USB為數據采集設備和PC之間的傳輸提供了一種價格低廉，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控制器上的所有設備共享這些帶寬。 USB設備具有內在的潛在性和不確定性。 這意味著單點數據不可能完全按照預期進行傳輸，因此，并不建議使用USB實現PID等閉環控制應用。

另一方面，USB總線的一些特點使得它比起傳統的內部PC總線更容易使用。 由于通過USB連接的設備具有熱插拔功能，這樣就無需通過關機來添加或者刪除設備。 總線還具有自動設備檢測功能，這意味著用戶在插入設備以后不必手動進行配置。一旦軟件驅動安裝完成，操作系統可以自行檢測和安裝設備。

PXI 平臺

圖5. PXI平臺由機箱、控制器和I/O模塊組成

PXI的發展縮短了臺式PC系統和VXI以及GPIB系統之間的距離。 擁有200多個成員的PXI系統聯盟，一直保持開放式標準，并于2006年，通過了PXI Express規范，將PCI Express數據傳輸技術應用到了PXI平臺。

基于CompactPCI，PXI結合了儀器擴展和更嚴格的系統級規范，以確保測量和自動化的開放性和高性能。 基于PXI的DAQ系統還擁有堅固的外殼，能承受工業應用中惡劣的環境。 PXI系統同時還擁有模塊化架構，這意味著可以將多個設備當做一個獨立的儀器放入同一空間，并且還可以擴展系統，其功能將遠遠超過擁有PCI總線的臺式計算機。PXI最重要的好處之一就是其定時和觸發的集成式功能。 無需任何外部連接，通過PXI機箱背板上的內部總線就能同步多臺設備。

以太網 

圖6. 以太網數據采集支持范圍達到每段100米,并且能夠使用現有的網絡基礎設施，延展了測量系統的覆蓋范圍

以太網幾乎是在世界上每一個企業網絡的核心，因此也被廣泛使用。 作為DAQ總線，以太網測量距離遠遠超過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、交換機或中繼器，單根以太網電纜就能延長100米。 長距離加上由實驗室、辦公室和生產工廠組成的大量安裝基礎網絡，使以太網成為偏遠地區分布式測量的理想選擇。 雖然可用網絡帶寬取決于網絡設備的數量，100BASE-T(100 Mbit/s)的以太網可以容納多個全速運行的以太網DAQ設備。 此外，千兆以太網（1000BASE-T）可以從多個100BASE- T網絡或用于較大系統的更高速設備上匯總數據。

無線

圖7. Wi-Fi數據采集使用標準的802.11網絡，免去了測量硬件和主機之間的連線需要

無線技術擴展了基于PC的數據采集的靈活性和便攜性，可用于例如風電場或土木結構等電纜不便或難以到達的測量應用。 通過省去電纜和安裝時間，無線技術大大降低了成本。 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用并不推薦使用無線。 無線技術有很多不同的類型。 最熱門的是IEEE 802.11(Wi-Fi)。

Wi-Fi是設置起來最為簡單的無線技術。 連接到Wi-Fi“熱點”對大部分人來說就同插入USB電纜一樣熟悉。 在IT界經過10年廣泛應用后，Wi-Fi始終非常安全。 IEEE 802.11i（WPA2）具備最高的商用無線安全標準，擁有128位AES加密和IEEE 802.1x驗證。 對于傳輸動態的波形信號，Wi-Fi相比其他無線技術提供了更多的帶寬，是機器狀態監測和其它高速應用的理想選擇。