NI GPIB产品的优异特性分析

二十多年来，仪器控制应用领域中一直有两大类总线占主导地位——也就是常用于控制科学分析仪器的RS 232串口总线，和用于控制传统测试测量设备的IEEE 488通用接口总线(GPIB)。
　　尽管目前世界上所有的台式机和笔记本电脑都已配备RS232接口，而采用GPIB接口控制仪器仍然需要用到专门的控制器硬件。遗憾的是，许多科研人员和工程师在选择购买仪器控制硬件时，往往只单纯考虑价格因素，而错误地以为GPIB接口卡只是一种普通商品，以为随便选择什么样的控制器都是一样的，无所谓。
　　本技术白皮书将讨论决定GPIB控制器优劣的三个主要因素，同时还将详细介绍能显著提高您的测试测量系统各方面工作效率的一些软硬件特性，从更加高效的应用程序开发，到更高速、更稳定可靠的应用程序运行，再到确保调试和维护的万无一失，都将在以下内容中一一展开讨论。

目录：
　　·三个关键因素
　　·运行性能
　　·可靠性
　　·工作效率
　　·总结

三个关键因素
　　当您为自己的仪器控制系统选购GPIB控制器的时候，请记住：NI的GPIB控制器可为您提供三大方面的独特优势和诱人的高性价比，从而确保您的整个系统周期中实现最节省时间和最节省成本的完美方案。
　　高性能——凭借无可比拟的硬件吞吐量和高度优化的驱动软件，您可以在更短的时间内进行更多测试，整体效率因而获得大幅度提高，同时还能帮助您实现更多产品创新、技术革新，进而带来更高收益。
　　高可靠性——硬件和软件的可靠性保证您的系统无故障地连续长时间工作，不再需要担心一次次恼人费时的故障性中断。这种高度可靠性能可以减少当机时间，大大节省您的时间和成本消耗。
　　高效率——配置，故障诊断，调试工具，世界一流的技术支持和20年保持不变并事实上已成为工业标准的程序编程接口（API），以及最广泛的操作系统支持，诸如此类的特性成就了最为高效有利的开发环境，供您轻松使用。凭借这些，您就能确保以最短的时间和精力创建出您所需要的应用程序，进一步节省了您宝贵的时间，帮助您更快地推出产品。
　　接下来的部分，我们会集中讨论GPIB控制器硬件的三个关键方面，并分析NI GPIB硬件和软件特性在这三方面所具有的明显优势。此外，我们还和其它非NI GPIB硬件产品进行比较，从而考察NI解决方案在节省时间和资金两方面的优势。
　　在进一步介绍前，需要注意的是尽管这三个方面的探讨将分别展开，却又不可能完全割裂开来。例如，为了提高驱动的高可靠性和强大的功效，系统内部的工作开销就会增加，从而影响到系统的性能。GPIB软硬件的最佳结合就是很好地平衡各种特性，从而提供最佳的运行性能、可靠性和工作效率。最理想的GPIB软件硬件结合就意味着各种有利于优化性能、可靠性与工作效能的各项条件间巧妙的平衡。

运行性能
　　当评价GPIB硬件的整体性能时，最明显的技术指标是板卡的数据吞吐量。例如，板卡的最大数据吞吐量为700kB/s还是1.5MB/s？然而除了板卡速率外，现在还有其它几个重要的因素需要仔细研究。这些因素集中在两个方面：1）硬件速度，2）驱动速度。

硬件速度
　　板卡的最大数据吞吐速率是非常重要的技术指标，因为它代表的是板卡能通过GPIB接口传送数据的最快速度。传送速度越快，就表示在更短的时间内传送更多的数据。这在产品测试环境中尤为重要，因为几个毫秒的产品测试时间的缩短就可以节省大量的成本。考察GPIB板卡在不同传送容量下的数据传送速率也是非常重要的。例如，板块采用较小数据块和较大数据块输送数据的性能是否一样？板卡的数据吞吐速率在全部数据传送块大小的范围内是否一致？图1显示了NI PCI-GPIB针对不同大小数据块所能实现的性能。
　　NI PCI-GPIB的最大传输速率超过1.5MB/s，采用500B大小的常用传输容量时传输速率高于1MB/s。此外，即使传输数据块低于500B时，板卡也能很好地工作。
　　NI是依托专门设计的GPIB ASIC技术实现产品性能的提升。NI硬件都是采用NI TNT GPIB ASIC芯片。 除了专门的NAT4882电路用以实现IEEE 488.2的控制器/通话/侦听的功能，NI TNT ASIC还具备了Turbo488性能提高内核以及所需的GPIB收发器(transceiver)。此外，NI TNT ASIC还包括板载的FIFO以及DMA传输功能，它可以不占用CPU时间，因为PC在GPIB数据传输的过程中，仍然可以专注于执行其它任务。
　　相比之下，许多低成本GPIB供应商直接采用克隆NEC PD7210或TI TMS9914A的GPIB ASIC。虽然这些ASIC也比较可靠，但它们不具备NI TNT ASIC中帮助提高性能的任何特性，也没有板载收发器。不仅如此，许多低成本板卡不提供DMA功能，也不具备板载的FIFO，所以硬件的运行速度很低。
　　NI TNT ASIC还具备其他一些特性，补充其提高性能的能力。NI TNT ASIC确保完全遵循／符合IEEE 488.1 T1的延迟时间标准，确保仪器不会丢失数据并尽可能高效地传送数据。此外，NI TNT ASIC对握手信号的快速响应让人难以置信。最后，NI TNT ASIC还具有IEEE标准488.1-2003所定义的高速握手协议——HS488。HS488协议定义的数据吞吐速率为8MB/s。用户如果用NI GPIB控制器连接具备HS488功能的仪器，就可利用HS488协议，采用NI TNT ASIC的仪器是可以在固件中使用HS488的。
　　和其它PCI GPIB控制器厂商相比，NI 的PCI-GPIB硬件在性能方面的优势显而易见。除了NI标定的这些标准性能以外，业内还进行了一个专门测试，把一个被测单元加载到一个可编程电子器件上，并使用示波器来读取响应。这些测试仪器由一个非常简单的软件程序来控制。该程序非常灵活，可以以小数据块，大数据块以及混合方式来发送或接收数据。通过比较NI GPIB硬件和低成本GPIB板卡的性能可以看出，NI板卡可以将性能提高5%-30%，这一明显优势的意义非同小可。比如，以10个小时为一个班次，每台设备的测试时间为20秒，当性能提高了5%到30%，就意味着可以在同样的时间内多测试110到820台设备。一周５天工作日内，优化的性能所带来的量化效果是相当于测试产品的数量额外超过570到4120台设备。

驱动速度
　　虽然硬件速度是决定整个GPIB板卡总体性能最为重要的因素，驱动软件的速度也是反映板卡整体工作性能的另一个关键指标。驱动软件架构的设计情况决定了控制各种类型GPIB调用的效率，包括GPIB数据传输以及GPIB总线管理调用和误差处理。
　　驱动器的一个重要任务就是串行轮询。GPIB标准要求控制器能实现串行轮询，就是轮询GPIB总线上的所有设备并确定哪个设备申请了服务。程序必须有专门的处理时间来进行串行轮询，从而确定总线上哪个设备在申请服务。NI-488.2驱动以非常高效的方式实现这一功能，并且还提供自动轮询机制，即驱动在后台进行串行轮询，充分利用程序和处理器的空闲时间。自动轮询不仅能更有效地利用PC资源，而且该方式还能比其它方式快得多地侦测和响应服务申请。
　　除了要能进行轮询，驱动具有同步以及异步数据传输功能也是非常重要的。通过异步数据传输，仪器控制程序可以帮助PC处理器腾出时间去执行其它任务。例如，程序可以有两个同步循环，一个循环负责GPIB的传输，而另一个循环可以用于其它分析或用户界面处理工作。
　　最后，由于NI GPIB驱动API已成为实际认可的工业标准，低成本的GPIB供应商所提供的驱动一般采用封装的方式来响应对NI驱动的调用。由于这些驱动开发人员并不了解NI驱动的内部结构和其复杂的原理，因此无法对他们的驱动进行优化。这样就降低了这些封装式驱动的性能。此外，驱动开发人员很难提供一个能包含NI驱动所有功能的封装器，这样就会导致一些应用开发程序中缺乏一些必要的功能。

可靠性
　　选择GPIB解决方案时需要考虑的第二个重要因素是可靠性，它不仅包括GPIB硬件的可靠度，也包含软件的可靠性以及厂商的可信度。

硬件的可靠性
　　使用高度可靠的硬件产品至关重要，因为在很大程度上它就代表了系统成本的节省。如果硬件非常可靠，且工作起来没有任何问题，您就可以节省当机以及更换硬件和重新验证系统所带来的费用。NI不遗余力地探索，只为实现自己的GPIB硬件可靠性达到完美极至。以下所列各项特性帮助NI达到了这样的高度：
　· 自定义ASIC——NI使用可自定一的TNT ASIC，它是GPIB开发工程师们近30年的工程经验的结晶
　· 高效的设计——通过采用专门的ASIC，NI在设计中减少了所使用器件的数量，从而降低了故障概率。例如，某个产品的平均故障时间间隔（MTBF）是根据组成产品的每个器件的故障时间计算得来的。产品所使用的器件越少，其MTBF就会越长。
　· 环境指标——绝大多数NI GPIB硬件在0到55℃范围内有相同的精度和可靠性（个别产品可能有所不同）。许多第三方GPIB板卡的工作范围在0到40℃，并且在接近临界范围时其功能会有所变化。
　· 工业规范——NI GPIB硬件遵守最新的工业规范，包括IEEE488.1-2003和NI PCI-GPIB的2.1版PCI规范。
　· 生产效率——您的GPIB厂商是否具备可靠的制造工序来保证高质量的产品，这一点至关重要。NI开发冰生产GPIB产品已有20多年的历史，经过优化的工序能提高产品产量并且确保产品的高质量。所以NI的GPIB产品的返修率极低。
　· 硬件质保——NI GPIB硬件几乎不存在故障先例，但仍然提供有2年质保。目的是确保用户即使在两年内真的出现故障问题的情况下，也不必承担任何产品维修费用。另外，如果某些GPIB产品在网上注册，NI还为这些产品增加了一年的免费质保。这样的3年质保涵盖了所有可用产品的95%。

软件的可靠性
　　可靠的软件支持保证最少的当机时间，并在更广泛的系统平台上开发和运行GPIB程序。NI-488.2驱动软件功能齐全，且在多年开发过程中不断升级演进和完善着。例如，利用NI-488.2，您可以开发出多线程程序，以及在多处理器或超线程系统上运行的程序。该驱动已在所有这些系统中接受过全面测试，以确保使用中的可靠性和稳定性。

厂商可信度
　　最后，对于您的应用方案的整体可靠性而言，GPIB厂商本身的可靠程度也是个关键。NI制造GPIB产品已经有20多年的历史了。这20年来我们在制造此类产品方面具备丰富的经验和高度的专业水准，并且在支持旧接口以及提供相同兼容的API等方面保持有良好的长期记录和业绩成果证明。NI也通过了ISO 9001:2000认证，这表明我们的内部工序符合工业标准，从而进一步确保我们产品的质量和可靠性。

工作效率
　　除了高性能和可靠性，您还需要考察的一个主要因素是工作效率。良好的工作效率能最大限度地降低开发时间，并减少系统和程序的维护工作。采用功能齐全、可重复使用以及架构稳定的驱动可以大幅提高您的工作效率。

开发效率
　　NI GPIB驱动软件NI-488.2具备数不胜数的优良特性，有利于提高开发效率，完善驱动使用性能。这些特性中大多是NI-488.2所独有的，而市场上其它任何低成本GPIB产品都不具备这些特性。
　　通用驱动——NI提供一个通用的GPIB驱动软件来控制我们的PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、Ethernet和ISA（PnP）接口的GPIB控制器。用户无需重新编写程序即可轻松地把应用程序从一个平台移植到另一个平台上。
　　驱动程序本地化——NI-488.2已有日语，韩语，简体中文和繁体中文等多种版本。由于安装向导和软件使用用户本地语言，所以驱动的本地化可以简化板卡的安装，驱动的使用和编程。
　　技术支持——通过大量的各种在线支持，NI提供倍受赞誉的世界一流的技术支持。通过这些支持您可以及时而准确得到问题的回复，从而确保您的项目能顺利地进行并及时完成。
多接口功能——NI 488.2是市场上极少数能让您在同一个系统中安装并使用多个接口的驱动软件之一。例如，对于需要能响应多种仪器的程序，用户可在在GPIB0上安装PCI-GPIB，在GPIB1上安装GPIB-USB-B来控制彼此独立的多个仪器。由于NI 488.2驱动具备这样的特性，开发这样的程序就非常简单。也正因为有此特性，用户无需对软件进行修改就可以把某个GPIB控制器用其它类型的GPIB 控制器来代替。
　　工具——NI-488.2具有极大提高开发效率的多种工具：
　　- 交互式控制或ibic工具使用户可以快速地和仪器进行通信。它有简单的基于DOS工具和图形化用户界面两种版本；
　　- 使用NI Spy，用户可以记录所有设备层次和板卡层次功能调用的时间戳。开发人员利用它可以轻松而有效地检测出他们程序中的错误和时间事件。
　　- 使用GPIB分析器，用户可以通过查看所有的GPIB握手信号，接口管理信号和数据信号来分析总线的物理活动。在使用NI Spy不能解决问题时，这一功能非常有用。此外，您可以更为详细地分析总线的时间事件。GPIB分析软件只适用于NI GPIB分析器板卡，其它GPIB供应商的板卡不具备相似的功能。
　　与NI产品的集成——NI-488.2可以和其它NI产品集成地非常好，包括LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio for Microsoft Visual Studio和Measurement & Automation Explorer (MAX)。尽管某些GPIB供应商的驱动提供NI-488.2驱动的封装器，但是通常这些驱动并不完善，只能和LabVIEW 协同工作，却无法提供MAX中的配置和调试工具。

架构的稳定性
　　NI-488.2驱动还具备无以伦比的架构稳定性，因此更有利于提升工作效率。由于驱动软件和软件构架非常稳定，用户在更新应用系统的总线接口或操作系统时就无需对程序重新编写和调试。

下面将介绍一些有助于确保架构稳定的特性：
　　API兼容性——NI-488.2 API不仅是GPIB通信的工业标准，而且该API已经20多年没有变化。通过这种稳定性，原先为DOS系统的ISA板卡或Macintosh系统的NuBus板卡编写的程序无需更改就可以在运行Windows XP系统的PCI板卡上使用。
覆盖广泛的总线类型——NI为各种总线提供GPIB控制器。除了目前通用的总线如PCI、PCI Express、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB和Ethernet，NI还提供用于ISA、IEEE 1394、SBus（Sun Solaris）、PMC、PC/104和VME等总线上的控制器。尽管某些接口需要有专门版本的NI-488.2驱动，但是由于API是一样的，在把某个主流接口的程序转变为用于某种专用接口时，您几乎不需要任何额外的工作。
　　对操作系统(OS)的开放度——NI为大部分常用操作系统——如Windows 2000/XP/NT/Me/9x, Linux, Solaris, 和Mac OS X (以及 Mac OS 9.x 和更早的版本)——提供大多数总线接口的驱动软件。NI也为一些不太常用的操作系统(如HP-UX 和 Tru64 Digital UNIX)上的总线接口提供驱动。最后，对于那些不提供完整驱动的接口和操作系统，我们有驱动开发工具包（DDK），因此您可以自行选择所需的驱动。而且，由于这些驱动的API都是相同的，用户可以轻松地在不同的OS和接口之间移植程序。
　　产品的可用性——NI不仅提供了用于各种总线的GPIB控制器，而且这些产品在某种总线已经不再常用时仍继续供应。例如，NI目前仍然销售ISA, NuBus, 和 SBus等总线上的接口产品。这样可以保证您不会由于旧总线不再使用而花费时间而更新系统。

小结
　　本文介绍了NI GPIB软硬件产品的优势性能。NI GPIB软硬件产品具备高性能、高可靠性和高工作效率。通过一流的硬件和高度优化的软件产品，NI帮您最大限度地提高数据吞吐量，从而提高系统性能。性能稳定的软硬件产品，加上20年来GPIB产品的主导地位，NI GPIB产品具有绝对的可靠性。您可以通过易用而高效的开发和调试工具以及稳定的软件架构来提高工作效率。
　　凭借这些优势，NI GPIB产品让您在工作中受益无穷，帮您实现更加高速快捷的产品设计、开发和测试，高效低成本的理想方案。也许这些优势在短期内带来的增益不大，但随着时间的推移，您会发现您所节省的是大量的时间与资金。
　1. 可延长质保期用于包含Windows 2000/XP 2.3版或更高版本NI-488.2的PCI、PCI Express、USB、ENET和PCMCIA GPIB产品。
　2. Windows 2000/XP 2.3版或更高版本的NI-488.2包括韩语，简体中文和繁体中文版。