深入了解LAN/LXI在儀器控制方面的應用

目錄
? LAN介紹
? LXI--兼容LAN儀器
? 混合系統中選擇最佳總線
? 參考文獻
? NI相關產品以及白皮書
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）適用于所有的應用，但實際上每種總線都有不同的優勢，真正的系統是在一個統一的軟件架構中充分利用多種總線的優勢。LAN總線特別適用于分布式應用，但對于桌面測量或自動化測試就不是最合適的。本文將詳細分析LAN總線在適合的儀器控制方面的應用。同時我們還會對LXI（LAN的儀器擴充，簡稱LXI），一種全新的標準基于LAN總線進行一些討論。
LAN或以太網總線，是一種為計算機網絡連接所設計的標準。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。LAN總線最明顯的優勢是允許存在連接距離，尤其是在使用了LAN交換機和路由器之后，LAN幾乎沒有連接距離上的限制。。當系統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離控制PC時，這種距離上的優勢就顯得至關重要。通過適當的網絡安全配置，LAN還能夠用于遠程診斷；如查看遠程測試地點的儀器配置情況。
LAN在分布式處理系統中也有用武之地。多個處理單元可以通過LAN網絡完美地相連，并對等地進行通信。舉例而言，一個高性能的分析程序能夠通過LAN，將不同的處理任務分配到多個相連的PC上，從而擴展系統的處理性能。另外，在一個分布式的數據記錄程序中，每一個本地節點都能夠完成數據記錄和控制，而僅僅將需要的數據通過網絡傳送到監督控制系統中。
最后，LAN對于儀器控制來說也相當具有吸引力，因為就像USB、過去的RS-232和并行端口一樣，LAN也逐漸成為所有臺式PC的標準。
另一方面，在非分布式系統中，如臺式機或機架環境下時，LAN也存在一些缺陷，包括：
? 較長的延時
? 較長的處理時間和較高的成本
? 復雜的配置
? 可供選擇的LAN儀器較少
總線的吞吐量一般由總線的延時和帶寬共同決定的。延時度量數據傳送的遲滯，而帶寬度量數據通過總線傳輸的速率，通常以MB/s為單位。低延時能夠提高需要傳輸大量短小指令或小型數據包的應用。高帶寬對于諸如波形生成和采集的應用程序非常重要。圖1對不同儀器總線的延時和帶寬進行了比較。請注意，從下至上為帶寬提高，而從左至右為延時縮短。盡管更高速度的選擇，如千兆LAN，能夠為許多應用提供足夠的帶寬，但是LAN的延時在各種總線當中卻是最長的，這直接限制了LAN在許多儀器應用中的性能表現。舉例而言，圖2是一個常用的數字萬用表（DMM）/開關應用的性能指標，LAN接口的性能比USB或GPIB差多了。

圖2：在開關-測量系統中通過LAN、USB、GPIB和PXI分別添加一個繼電器之后的性能表現。LAN的延時最長，這限制了LAN在這項應用中的性能。
（LAN、USB和GPIB數據得自Agilent 34980A，PXI數據得自NI PXI 4070和NI PXI 2532）
在數據密集的應用中，由于協議棧是在軟件中實現，LAN通信需要強大的處理能力。一般的判斷原則是“每赫茲一位”規律1；這是一種對給定以太網連接速度所需CPU處理性能的粗略估計是，一般每秒鐘需要處理一位網絡數據，就需要一赫茲的CPU處理能力。使用這個規則，我們大約可以判定一個千兆LAN連接在全速進行數據流傳輸時，大約需要1G赫茲的現代臺式處理器的處理能力。因此，在高速系統中，CPU可能在通信鏈路上投入的處理會超過實際應用。這可能成為系統獲取更高數據吞吐量的瓶頸，例如依賴數據總線將數據流傳回主機處理器的模塊化系統。
LAN的處理性能可能在兩個方面增加一個LAN儀器的成本。首先，在高速系統中，可能需要臺式機或服務器級別的處理器來處理TCP/IP協議棧。其次，當通過LAN無法達到實時數據速率要求時，儀器設計者必須在儀器中內嵌數據削減處理單元。而這樣既增加了成本，也降低了用戶靈活性。
LAN的另一個缺陷是需要現有的LAN網絡支持才能夠進行安裝。對于一個復雜的應用而言，這可能不是個問題，但是和桌面應用中的USB相比，這卻是額外負擔。LAN需要IP地址和其他網絡設置，而這些都可能受到其安裝所在網絡IT政策的影響。實際上，許多針對LAN儀器的遠程診斷的優勢都會被公司的關于防火墻或是其他網絡安全的IT政策所否定。
盡管以太網比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儀器只有區區幾百種。2現在，LAN主要用于儀器間距離較長的系統。對于臺式應用，更常使用GPIB和USB，而在驗證和生產中，GPIB和模塊化系統，例如PXI總線（PCI儀器擴展），是最常用的選擇。當然，許多系統將多種不同的總線整合到一個混合系統中，其中實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布了一個名為LXI標準的說明。LXI在獨立LAN儀器中加入了一些附加特性，比如標準HTML配置頁面和多種實現LAN儀器的最佳實例。LXI加入了可選的定時與同步特性，包括IEEE-1588精確定時協議和總線硬件觸發（這些在某些類別的LXI儀器中是必需的）。圖3對LXI和現有LAN儀器的特性進行了比較。

圖3：LAN和LXI儀器特性比較
IEEE-1588允許通過LAN網絡進行同步。IEEE-1588設備使用特定LAN硬件能夠達到在+-100 ns的時間同步。這個能力使IEEE-1588對于需要進行長距離同步的低采樣速率（低于1 MS/s）的應用變得很有吸引力。LXI硬件觸發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實現更精確的同步。
許多LXI儀器與現有LAN儀器很相似，實際上，現有的LXI設備大部分都是在之前產品的基礎上升級所得到的。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用。

混合系統中選擇最佳總線
實際的系統會在一個模塊化系統架構下使用多種總線技術，以最大限度地利用每個系統的特性。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連接現有的GPIB和USB儀器，并且通過LAN將數據傳送到其他應用程序。因此購買儀器時，你最好確定儀器帶有相應驅動程序，使您可以在您所選的軟件中輕松地構造混合系統。
要獲取更多信息，請查閱混合系統：集成您多廠商、多平臺的測試設備白皮書和儀器總線性能：了解儀器控制中的各類總線技術白皮書。

LAN/LXI在儀器控制方面的應用