通用计算机总线仪器

     1．通用计算机总线仪器的特点对于独立的台式智能仪器，不仅包括数据采集，还包含专用的计算机系统完成信号的运算处理以及显示输出等，如示波器、万用表等，这种仪器由于其专用性，导致成本往往较高。随着计算机的发展，其运算处理能力能够满足通用测试仪器设备的要求，而且计算机系统具有友好的显示界面和灵活的输出方式，这就为把原来专用仪器的数据处理和显示输出部分由通用计算机完成提供了可能，数据采集部分由数据采集板卡完成，采样后的数据由计算机总线传送到计算机系统，由其完成对信号的分析和处理并输出结果或存储数据，这种方式组成的仪器通常把它称为通用计算机总线仪器或 ＤＡＱ 仪器。它的出现是与计算机的发展紧密联系的，其核心部分就是前级的数据采集板卡（通常称为ＤＡＱ板卡）以及完成信号处理的软件。由于ＤＡＱ板卡是安装在通用计算机平台中，ＤＡＱ 板卡的设计都是基于某一种计算机总线，因此，总线的性能对所设计仪器系统的性能，包括可靠性、兼容性等方面起到关键作用。
    ＤＡＱ 板卡组成的仪器设备与传统的专用仪器相比，具有以下特点：
   （１）缩短研制周期，提高产品的竞争力。ＤＡＱ 仪器不需要像传统仪器那样需要研制专门的数据处理计算机系统，在硬件设计上只要把精力集中在专用的 ＤＡＱ 板卡上，或者直接选用商用高性能数据采集板卡；在软件设计上，基于通用的计算机操作系统，利用专业的测试软件开发平台或软件包,，如labview,LabWindows/CVI或matlab等，可以节约仪器的研制时间，提高系统的可靠性，提高产品的竞争力。
   （２）可视化与适用性。由于通用计算机系统的图形图像处理能力很强，在用户界面里，可以采用可视化工具更形象的显示数据，从图表到图形、从二维到三维等，增强了可视化功能，方便用户使用。
   （３）用户自定义的数据处理能力。在 ＤＡＱ 仪器中，测试过程的控制可以最大限度地实现自动化，这在长时间连续测试和巡回检测的应用场合特别有用。ＤＡＱ 仪器可以方便地根据用户试验的需要实现频谱分析、相关分析、传递函数分析、时间序列分析、模式识别等数据处理与分析功能，根据需要实现数据的存储和压缩等。
   （４）模块化与多功能性。ＤＡＱ 仪器一般由ＰＣ机和一系列硬件板卡构成，同时还配备有若干应用软件来支持硬件工作。各种板卡实际上已按模块化的要求实现，同样，驱动各种仪器的软件也是按模块化的要求设计。应用软件可以根据用户的需要进行定制，当测试系统要增加新的测量功能时，只须增加软件模块来执行新的功能或增加通用软、硬件模块来扩展系统的测量功能。
   （５）集成化与扩展性。对 ＤＡＱ 仪器来说，一个较小的仪器系统一般只需要一块或几块插卡，这时利用ＰＣ的扩展槽即可实现，较传统台式仪器，具有很大的优越性。ＤＡＱ仪器的功能扩展可以通过加入模块或更换模块来实现，而不需购买或组装一个全新的系统。
   （６）操作自动化与方便性。ＤＡＱ 仪器的测量过程如量程选择、开关选择、数据采集、传输、处理与显示输出等均可以由程序自动完成。测试过程可以采用人机交互式操作，只要操作者熟悉一般 ＰＣ的操作方法，即可方便地操作 ＤＡＱ 仪器。通常，ＤＡＱ 仪器的操作可以通过键盘、鼠标、光笔和触摸屏来完成，应用多媒体技术，还可以采用语音命令来实现操作。
   ２．常用的计算机总线
   现在常用的计算机总线有ＩＳＡ、ＰＣＩ、ＰＣ１０４、ＰＣ１０４ｐｌｕｓ、ＵＳＢ、１３９４、ＰＣＭＣＩＡ 等，每种总线根据其自身的特点有其相应的应用场合，它们各自的性能直接影响了相应的ＤＡＱ仪器的性能。下面简要介绍几种常用的计算机总线的主要性能特点。
   （１）ＩＳＡ 总线。ＩＳＡ（Industrial Standard Archittecture）总线是ＩＢＭ 公司１９８４年为推出的基于ＰＣ／ＡＴ机而建立的系统总线标准，也叫ＡＴ总线。它是对ＸＴ总线的扩展，以适应８／１６位数据总线要求，因此ＩＳＡ 扩展插槽既支持８位的板卡，也支持１６位的板卡。ＩＳＡ 总线比较适合于低速的外设控制等模块。ＩＳＡ 总线 ＤＡＱ 板卡开发比较简单、方便，成本也较低，但是一般的板卡不能够实现自动配置，若系统中有多块板卡时配置不方便。由于计算机技术的迅速发展，现在在普通的计算机中都没有ＩＳＡ 总线接口，主要存在于工业控制计算机中。
   为了适应测控设备的便携性和嵌入式系统应用的需要，对ＩＳＡ 总线的机械和部分电气规范进行了修改，形成了 ＰＣ１０４总线规范。
  （２）ＰＣＩ总线。ＰＣＩ是Ｉｎｔｅｌ公司于１９９１年下半年首先提出的，并得到ＩＢＭ，ＨＰ等多家大型计算机公司的大力支持，于１９９３年正式推出了 ＰＣＩ局部总线标准。
   ＰＣＩ总线支持全面的自动配置，具有完整的即插即用（Ｐｌｕｇ＆Ｐｌａｙ）功能，最大允许６４位并行数据传送，采用地址／数据总线复用方式，目前总线时钟可达１００ＭＨｚ，支持多总线结构和突发（Ｂｕｒｓｔ）传输，最高峰值传输速度可达８００ＭＢ／ｓ。ＰＣＩ总线通过桥接技术保持与传统总线如ＩＳＡ，ＥＩＳＡ，ＶＥＳＡ，ＭＣＡ 等标准的兼容性，使高性能 ＰＣＩ总线与已大量使用的传统总线技术特别是ＩＳＡ总线并存。ＰＣＩ总线的推出极大地扩展了ＰＣ的数据传输能力，使ＰＣ对高速外外设的支持能力极大提高。ＰＣＩ总线是独立于ＣＰＵ的局部总线，在进行ＰＣＩ总线接口数据采集卡的开发与应用时，不必关心 ＣＰＵ 的具体结构和时序，只须按 ＰＣＩ总线标准设计即可。
   同样为了便携式设备和嵌入式应用的需要，对 ＰＣＩ总线的部分规范进行了修改形成了ＰＣ１０４Ｐｌｕｓ总线，对于软件来说 ＰＣ１０４Ｐｌｕｓ总线和 ＰＣＩ总线是一样的。
   （３）ＵＳＢ总线。通用串行总线（universal Serial Bus,USB）是由Intel，Microsoft，ＩＢＭ等厂商共同制定的计算机总线接口规范，自问世以来已被广泛接受，而且在测试领域的应用也获得了迅速的发展。ＵＳＢ总线具有以下特点：
   １）支持多设备连接，减少接口数量。采用 ＵＳＢ端口，最多可在一台计算机上同时连接１２７台设备，避免 ＰＣ插槽数量对外设扩充的限制。
  ２）能够采用总线供电，ＵＳＢ总线提供最大可达５Ｖ／５００ｍＡ供电能力，可以自动把电流分配给外设。这一特性在便携式数据采集系统中显得更为有用，因为小型的数据采集设备通常耗电量不大，因此可以设计成采用总线供电的方式。
  ３）真正实现了即插即用，使外设的安装变得十分简单。所有的 ＵＳＢ外设都可以利用标准ＵＳＢ连接器方便地与计算机连接，安装过程高度自动化，既不必打开机箱插入插卡，又不必考虑资源分配，并且允许热插拔。
   ４）对一般外设具有足够的带宽和连接距离。ＵＳＢ１．１协议允许两种数据传送速度，低速传送为１．５Ｍｂ／ｓ，全速传送为１２Ｍｂ／ｓ，ＵＳＢ２．０协议提供了速率为４００Ｍｂ／ｓ的高速传输。全速传送时，结点间连接距离为５ｍ，连接使用４芯电缆（２根电源线，２根信号线）。
   由于 ＵＳＢ总线具有以上的特点，特别适用于高速率的数据采集和便携式应用场合，在测试领域的应用会更广泛。
  （４）１３９４总线。ＩＥＥＥ １３９４总线是Ａｐｐｌｅ公司提出的一种总线规范，也称为FireWire（火线），数据可以以１００Ｍｂ／ｓ，２００Ｍｂ／ｓ，４００Ｍｂ／ｓ传输。目前来说，ＩＥＥＥ １３９４技术使用最广的还是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。在便携式ＤＡＱ仪器领域ＩＥＥＥ－１３９４有广阔的应用前景。ＩＥＥＥ １３９４具有以下特点：廉价、占用空间小、速度快、开放式标准、支持热插拔、可扩展的数据传输速率等。
  （５）ＰＣＭＣＩＡ总线。ＰＣＭＣＩＡ是Personal Computer Memory Card International（个人计算机存储卡国际协会）的缩写，创立于１９８９年，是制定 ＰＣ卡标准的国际组织和行业协会。ＰＣＭＣＩＡ 为１６位总线，为了适应多媒体和高速网络的发展，又发展了３２位的 CardBus，虽然CardBus和原来的 ＰＣＭＣＩＡ 接口和物理尺寸一致，但它采用了地址／数据复用的总线，因此其底层协议和１６位的ＰＣＭＣＩＡ接口相差较大。从原理上讲，CardBus有些类似ＰＣＩ总线，而１６位ＰＣＭＣＩＡ 接口和ＩＳＡ 总线类似。它所制定的 ＰＣＭＣＩＡ 标准，对便携式计算机的发展起着重要的促进作用。www
   采用 ＰＣＭＣＩＡ 总线的板卡可以安装在笔记本计算机中，非常适合便携式应用场合。gooxian.com