無論是開發何種測試與測量應用，都需要依靠成熟的儀器控制技術，以在不分任何程式語言以及任何匯流排介面下，協助連接儀器。工程師可以彈性地選擇最合適的硬體介面，而卻又不需擔心程式語言是否支援；同樣的，在選擇程式語言時也不需擔心硬體是否支援。所以若要擁有一個可靠、堅固且高效能的儀器控制系統，則需使用到高彈性且可擴充的儀器控制軟硬體。

本文將會介紹一系列的軟硬體選擇，協助工程師在量測應用上選擇最適合的軟硬體。

硬體匯流排技術

「儀器控制」的意思是使用電腦上執行的軟體，通過某種匯流排去操控另一端的儀器。儀器本身通常都會提供超過一種連接的方式，而電腦上通常也會支援超過一種儀器控制匯流排。如果電腦並不內建儀器所支援的匯流排，則可以透過介面卡或是外接轉換器來得到所需的匯流排。儀器控制的匯流排介面有非常多種，大致可區分為下列兩種分類：

獨立匯流排技術

GPIB

General Purpose Interface Bus（GPIB）是控制傳統封閉式儀器最普遍的通訊介面。GPIB是專為測試與量測領域以及儀器控制所制定的通訊介面。此通訊協定最早是惠普HP（安捷倫的前身）所設計的，當時取名為HP-IB，而在1975年時被IEEE協會訂為IEEE 488-1975工業標準，而更名為GPIB。最原始的通訊標準只有定義匯流排的電訊、結構與功能，還有一些基本軟體的通訊方式。但在1987年時，改版過後的ANSI/IEEE 488.2-1987工業標準協定則加強了之前的定義，詳細地定義了控制端與儀器端之間的通訊。（舊版的協定則被命名為IEEE 488.1-1975）。

在2003年，更新的改版命名為IEEE 488.1-2003，定義了高速GPIB的功能。GPIB是個8位元的數位平行通訊介面，傳輸速率最高可達8Mbps。此匯流排可連結一個系統控制器以及最多14台儀器，纜線最長可達20公尺。但儀器數量以及纜線長度限制可被GPIB延伸器以及延長器所突破。GPIB纜線以及接頭都是工業等級的，可適用於任何環境。

由於GPIB不是個人電腦市場的匯流排，很少有電腦會內建GPIB介面，使用者可購買介面卡例如PCI-GPIB卡或是外接轉換器例如GPIB-USB來把GPIB的介面加入自己電腦中。

序列埠（RS-232）

RS-232是個序列通訊的協定，它也是所有序列通訊匯流排裡最普遍的介面。RS-232在控制分析儀器以及科學儀器上十分普遍，也常被用來控制數據機以及印表機。它與GPIB介面有些差異，例如它只能控制一台儀器。RS-232相較起來也是個較慢的介面，它通常的傳輸速率是每秒20kbytes（不過有些外加產品可達到更高的傳輸速率）。

RS-232是個普遍的介面，在很多舊型桌上型電腦或筆記型電腦上都可找到。或者也可以購買擴充卡來擴充序列埠的數量，例如PCI或USB介面的擴充裝置。

USB

Universal Serial Bus（USB）是專為連結電腦到週邊設備的傳輸介面，例如連結鍵盤，滑鼠，掃描機與硬碟到電腦上。在過去數年內，支援USB介面的裝置大幅增加。USB是一個隨插即用的技術，它可使USB伺服端自動偵測所接上的裝置，訊問它的身分，之後再加以設定。利用擴充器，一個USB通道最多可連結到127個裝置。USB介面是被USB Implementers Forum（USB-IF）協會所定義。最初的USB 1.1（也就是USB 1.0的小改版）規範定義了兩種傳輸方式以及速度：慢速傳輸，最高可達每秒1.5Mbits（200kB）；以及全速傳輸，最高可達每秒12Mbits（1.5MB）。最新的USB規範，也就是USB 2.0，可與慢速及全速裝置向下支援，除此之外它的高速模式可達到每秒480Mbits（60MB）的傳輸速率。

雖然USB最原始的目的是為了連結電腦週邊裝置，不過由於它的速度、普遍性以及簡易性，USB也被利用至儀器控制的應用上。不過在儀器控制的應用上它也有些缺陷；首先，USB纜線不符合工業標準，也就是說在惡劣的環境下可能會有資料流失的現象；除此之外，USB連接頭並沒有卡損裝置，所以非常容易脫落。最後，在USB系統中就算使用了延伸器，它最長的距離也只能到30公尺。

乙太網路

乙太網路是個成熟的技術，廣泛的被量測系統所運用，除此之外，也使用在網路系統以及遠端資料儲存。全世界有超過10億台乙太網路電腦的使用量，乙太網路也成為了儀器控制的可用介面之一。乙太網路為IEEE 802.3標準，可提供網路設定以及高達每秒10Mbits（10BaseT）、100Mbits（100BaseTX）以及1Gbits（1000BaseT）的理想傳輸率。現在最普遍的是100BaseTX的網路。透過乙太網路的儀器控制應用可利用此通訊協定獨特的優勢，例如遠端控制儀器、簡易的儀器分享以及簡易的資料傳輸。此外，使用者還可利用在公司以及實驗室已有的乙太網路設備，但使用此匯流排對某些公司將造成困擾，因為必須把網路工程師帶入傳統工程應用裡。

乙太網路用於儀器控制的其它缺陷有實際傳輸速率、確定性以及安全性。雖然乙太網路通訊最高可達到每秒1Gbits的理想傳輸率，不過通常這個速度是很難實際達到的，這是因為其它網路的阻塞以及不理想的資料傳輸方式。然而因為不確定真實速度，在乙太網路上也不能達到確定性。最後，如果資料有保密需求，則需要再用其它防範措施以確保資料的安全。

無線通訊

無線通訊科技迅速地佔有了市場的一席之地，它可以非常方便的讓裝置互相溝通。現在最廣泛的商用無線技術就是無線乙太網路（IEEE 802.11規範；WiFi）。IEEE 802.11也被分為三大類（802.11a、802.11b以及802.11g）這些分類規定了其傳輸頻率、傳輸距離以及傳輸速度。802.11b與g是互相相容的，不過並不與802.11a相容。最高的傳輸速度是802.11g與a的每秒54Mbits。照常理看，無線乙太網路是可以被儀器控制所應用的，雖然它與乙太網路有共同的缺陷（加上無線網路所造成的一些因素），它卻可以很方便地連結儀器，而不需受到纜線的限制。

目前有其它的無線通訊科技正在市場上開發，包含藍芽、ZigBee以及無線USB。這些通訊介面超過本文討論的範圍，不過也可提供另一種無線儀器控制的方案。

IEEE 1394（Firewire）

Firewire，或稱IEEE 1394，是高效能的序列通訊匯流排，最早由蘋果電腦在1990年代的時候研發。最基本的規範可達到400Mbps的傳輸速率，不過此規範的b版本把速度提高至3.2Gbps。雖然規範裡有限制裝置與匯流排接頭之間距離最長只能4.5公尺，不過最多可把16個裝置串連在一起，達到最長72公尺的距離。IEEE 1394並不非常適合使用在測試與測量的領域中。原因有以下幾項，首先1394的纜線並不符合工業規格，再來是1394只保證頻寬，並不保證資料不會流失，最後是通過測試後發現1394的資料傳輸速度比理想值低很多。除了以上所講的之外，1394並不適用於儀器控制，因為只有少數儀器支援，且普通電腦並不會內建此匯流排。

模組化匯流排

PCI

PCI匯流排最早是在1990年代的時候問世的。它其中的一個目地就是把當時許多的I/O匯流排例如VESA、EISA、ISA以及Micro Channel整合為一。最初，PCI匯流排是使用元件到元件的方式所設計的，主要是為了代替低效能的ISA匯流排。PCI比以往的匯流排多了許多優點，最重要的改良為：與處理器的獨立性、緩衝隔離、匯流排控制以及隨插即用的功能。緩衝隔離可把CPU匯流排以及PCI匯流排隔離，無論是電性隔離還是時脈隔離。匯流排控制使得所有PCI卡可通過匯流排主控制器來互相分享匯流排，而不需等待CPU來做控制的動作，這樣可大幅的加快I/O速度。最後，隨插即用的功能可讓PCI卡自動被偵測與設定，無需像ISA一樣需要手動用開關去設定以及DMA。PCI匯流排通常不會直接被用在儀器控制上，但它卻提供了一個介面，可增加PCI-GPIB卡來使用GPIB做儀控。除此之外，由於它的高頻寬，PCI也成為了有內建I/O匯流排的模組化儀器的最佳匯流排。

PXI

PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是個堅固、架構於電腦平台的介面，為了量測以及自動化所訂作。PXI結合了PCI的匯流排電子機構，再加上CompactPCI的堅固性以及架構包裝與介面，最後再加上了特別的同步匯流排以及獨特軟體技術。以上所敘述的特性使得PXI成為一個高效能且廉價的量測以及自動化平台。這些系統用在生產線測試、軍方、航空、機械監控、汽車業以及工業測試。在1997年開發，1998年量產的PXI技術是個開放式的工業標準，適用於持續增加的複雜儀器系統應用。如今，PXI被PXI系統聯盟（PXISA）所管理，此聯盟有超過65家公司一起規劃以及推廣PXI標準。PXI在模組化領域裡大幅被使用，也提供了一個與傳統儀器不同的儀控解決方案，利用小體積，高效能的量測模組以及整合時脈與同步功能來達到更佳的儀器應用。

PCI Express

如今有更多應用需要廣大的頻寬，在這些應用中，PCI匯流排逐漸被其最高傳輸率所限制住。所以PCI協會（PCI-SIG）開發出PCI Express，目的是提供一個可擴充的低價位介面，可使用在廣泛的應用領域裡，並且提供與PCI卡一樣的驅動程式軟體架構。PCI Express的架構是以階層來定的。它與PCI位址組態完全相容，所以以往的應用程式以及驅動程式都無需修改。軟體階層會產生讀與寫的要求，再以封包的方式傳給I/O階層。連結階層則會將每個封包加上順序編號以及CRC碼來達到穩定且不流失資料的傳輸方式。硬體階層則有雙通道，有傳送通道以及接收通道。最初的速度是每方向2.5Gbps的傳輸率，換言之可達到每方向每秒鐘200MB的傳輸量，這比傳統的PCI介面多了四倍之多。如同PCI一樣，PCI Express並不會直接使用在儀器控制上，而是提供了一個可使用GPIB卡的轉換插槽。不過，由於它超快的速度，PCI Express可被使用在模組化儀器的應用中。

VXI

VME eXtensions for Instrumentation（VXI）是第一個工業儀器標準的協定。有如名字所敘述，VXI是架構在VME匯流排之上，而且也使用VME背板。VXI在1987年定義，之後被定為IEEE 1155工業標準。它的目標是提升可交換性、減小體積、提升產能以及降低成本。VXI使用與GPIB類似的通訊方式，超過百分之80的VXI儀器使用訊息方式的通訊。VXI匯流排的確有達到它的某些目標，雖然體積稍大，不過現已縮小許多。VXI也使不同廠商之間的儀器互相運作，而且其電子規格可提供更精準的時脈以及同步。不過VXI也有它的缺陷，例如缺乏軟體支援，無法完全提升產能，而且由於沒有利用普及電腦科技它也無法大幅的降低成本。

儀器控制之硬體解決方案

無論選擇何種儀器控制匯流排，可以信賴的儀器控制硬體解決方案包括提供可直接透過GPIB或RS-232與儀器控制的產品，也有提供轉換器以及從電腦連結至儀器的軟體方案。最後，將量測硬體及通訊介面合一的模組化儀器也可更方便使用者使用。

獨立匯流排

使用者可使用廣泛應用的轉換器介面卡來從電腦連結至GPIB儀器。這包含了例如PCI-GPIB、PCIe-GPIB以及PCMCIA-GPIB。這些產品需支援Windows、Linux以及Mac OS X作業系統。

另外也可以直接從電腦中已有的序列埠連結到有支援序列埠的儀器。不過現在最新的電腦可能沒有內建序列埠，所以可使用GPIB介面卡。

如果想要使用乙太網路或USB直接連結到所支援的儀器，則可直接使用電腦內建的匯流排以及NI-VISA軟體。不過這些新的匯流排技術可能還未被儀器控制領域大幅使用，所以使用者也可以使用轉換器來做連結。這樣就可以使用最新的匯流排技術，也不會浪費掉之前使用GPIB或序列埠時的儀器投資。這些匯流排轉換器都與內插式的GPIB卡或序列埠相容，所以可保有在軟體上的投資。

新一代的GPIB外接式轉換器例如體積小巧的GPIB-USB-HS，這是架構於高速USB 2.0的技術之上，可把任何支援USB介面的電腦變成一台有完整功能、隨插即用的IEEE-488.2控制器，可控制高達14台GPIB儀器。由於GPIB-USB-HS輕小的體積，它十分適合用於可攜式應用，例如筆記型電腦，或是沒有擴充槽的桌上型電腦。另外，GPIB-ENET/100是一個可轉換乙太網路至GPIB的轉換器，可控制以及共用任何在TCP/IP網路上的儀器，只要與任何無線網路機配合使用便可無線控制儀器。

此外，一系列的外接式序列埠控制器，也可讓使用者使用新的通訊介面來控制舊款的RS-232介面儀器。而產品需提供兩通道與4通道的選擇，使用者才可用來控制以及分享在網域裡的分析儀器或是實驗儀器。例如產品提供單通道、兩通道與4通道的選擇，方便使用USB介面控制序列埠儀器。

模組化匯流排

具備PCI以及PXI介面的模組化儀器整合了傳統儀器的量測能力以及高效能的匯流排為一。這些體積小、效能高的量測硬體整合了時脈以及同步的功能，其模組包含了示波器、波形產生器、任意波形產生器、高速數位I/O、數位電表以及射頻硬體。

除此之外，使用者也可了解PXI平台所支援的產品。此平台提供了一個開放且多廠商支援的量測與自動化介面，比傳統的量測與自動化架構高了超過十倍的效能。因此可整合PXI平台以及模組化儀器來達到一個完整的量測與自動化解決方案。

（作者任職於NI美商國家儀器）

（本文下期將繼續介紹應用程式語言技術與儀器控制之軟體解決方案，歡迎讀者繼續鎖定。）

延 伸 閱 讀	憑藉速度快、發展潛力大的優勢，串列匯流排在短短數年內幾乎全盤取代了傳統的並行技術，成為電腦系統的絕對主導。這場技術革命波及所有與匯流排相關的領域，如外部匯流排中的USB與IEEE1394。相關介紹請見「 沒有終點的匯流排革命串列匯流排技術發展概覽」一文。 GPIB硬體和軟體產品可達成效能改進、高可靠性以及增加產能，並快速有效率地設計、開發及測試產品。效能可以透過硬體的最新技術，以及最佳化軟體所帶來的最大總傳輸量得到改善。你可在「 正確選擇更具效率的GPIB 」一文中得到進一步的介紹。 隨著晶片處理速度增加、系統架構和相關數據流複雜度的提升，不論是PC或嵌入式系統的領域，對於高速連結技術的需求都大幅增加。以PC來說，PCI匯流排稱霸了多年，如今已逐漸失去其成長性。在「高速匯流排技術競賽－PCI Express、HyperTransport與RapidIO」一文為你做了相關的評析。

市場動態

將多種功能融合於一部可攜式設備之中給設計人員提出了新的挑戰。如今，產品生命周期變得越來越短，而嵌入式應用也在迅速發展。OEM們難以負擔為每一代新產品都設計一種全新的平台，他們現在選擇更靈活性的模組化平台。相關介紹請見「利用記憶體匯流排建構模組化可攜式設備架構」一文。 當PCI Express和USB 2.0之類的PC匯流排技術繼續提升資料頻寬、效能及使用簡易性時，使用PC設備進行量測及控制的優點也更加明顯。且由於建立在電腦技術的基礎上，虛擬儀器永遠會隨著新的通訊、處理及記憶體技術的推出而不斷進步。你可在「 以PCI Express及USB 2.0提升PC量測效能」一文中得到進一步的介紹。 矽統科技宣佈與美商英特爾簽訂Pentium M前端匯流排533MHz授權合約，矽統科技將有權製造、銷售與英特爾Pentium M前端匯流排533MHz微處理器相容之晶片組產品。在「矽統科技與美商英特爾簽訂Pentium M前端匯流排533MHz授權合約」一文為你做了相關的評析。