National Instruments GPIB 的優勢
內容
概述
過去 20 多年以來，儀器控制匯流排主要分為 2 種，其一是 RS232 序列匯流排，主要用於控制科學與分析儀器；其二則是 IEEE 488 GPIB，主要用於控制傳統的測試與量測設備。
全球桌上型電腦和筆記型電腦普遍已經配備 S232 連接埠，但要透過 GPIB 控制儀器，則必須使用特殊的控制器硬體。許多科學家和工程師誤解 GPIB 介面只是某種商品，以為所有控制器都是一樣的，因此往往只依據價格選擇儀器控制儀器。
本技術文章探討 GPIB 控制器硬體的三大主要差別，並且說明能大幅提升測試與量測系統從提高生產力與應用程式開發效率，以及提升應用程式執行速度和穩定性，乃至於簡易除錯與維護等各個層面的軟硬體功能。
三大主要差別
購買用於儀器控制系統的 GPIB 控制器時請謹記：National Instruments GPIB 控制器能在三大主要領域發揮優勢，在整個系統的使用壽命期限內，從開發到生產和維護，這款介面都能為您省時省錢。這三大領域分別是：
- 效能 - 硬體傳輸率無可比擬、驅動程式軟體經過高度的最佳化處理，因此，您能在更短的時間內進行更多測試，不但能提高整體效率，還能製作出更多產品並創造更多營收。
- 穩定性 - 軟硬體穩定，系統能長時間順利運轉，不出錯也不會中斷，讓使用者完全安心。這樣的穩定性有助於縮短系統中斷時間，讓您省時省錢。
- 生產力 - 設定、疑難排解和除錯工具，加上世界級的技術支援，是貨真價實的業界標準應用程式設計介面 (API)，效能和效率皆有提升之餘，更保持逾 20 年不變的使用者體驗，支援最廣泛的作業系統，更提供諸多功能，讓您擁有生產力最高的開發環境，全面支援您花最少的時間和精力輕鬆製作出應用程式，不但節省寶貴的時間，更協助您更快推出產品
本技術文件的其他部分著重於說明 GPIB 控制器硬體的這三大主要領域，並且具體分析 National Instruments GPIB 軟硬體的功能，以及每項功能所能發揮的確切優勢。此外，文中也提供與其他非 NI GPIB 硬體產品的比較，並且詳述 NI 解決方案在時間和成本方面所能帶來的效益。
繼續閱讀之前請務必注意，我們會分別討論這三大領域，但三大領域之間是息息相關，無法完全切割的。舉例來說，驅動程式若要發揮高度穩定性和耐用性，可能就會加重系統內部負擔，如此一來，對效能有可能會造成不利影響。最理想的 GPIB 軟硬體組合，就是能讓各項功能保持微妙的平衡，讓效能、穩定性和生產力全數得以發揮最高水準。
效能
判斷 GPIB 硬體的整體效能時，最容易當成規格參考依據的就是機板額定傳輸率。舉例來說，機板的最高傳輸率是 700 kB/s、1.5 MB/s 還是 8 MB/s？不過，除了額定傳輸率之外，還必須注意其他幾項重要因素，以下會就這方面進行深入探討。我們可以將這些因素合併成兩個層面：1) 硬體速度，以及 2) 驅動程式速度。
硬體速度
機板最大傳輸率高低十分重要，因為這代表機板透過 GPIB 傳輸資料時能夠發揮的最高傳輸率。傳輸速度越快，就能在更短的時間內傳輸更多的資料。在生產測試環境中，即便只縮短幾毫秒的產品測試時間，也能大幅節省成本，因此硬體速度格外重要。另外還要注意 GPIB 機板在不同傳輸規模時的資料傳輸速度。舉例來說，機板使用小資料區塊和大資料區塊所能發揮的執行效能是否一樣好？機板使用不同資料傳輸區塊大小時的傳輸率回應是否一致？圖 1 顯示 NIPCI-GPIB 使用不同資料區塊大小所發揮的效能。
圖 1.PCI-GPIB 機板的效能
如圖所示，NI PCI-GPIB 的最高傳輸率超過 1.5 MB/s，即使傳輸區塊大小是常見的 500 B，傳輸率也能超過 1 MB/s。此外，即使傳輸區塊大小不到 500 B，機板仍然能夠發揮相當出色的效能。
NI 之所以能提升效能，原因在於採用客製化的 GPIB ASIC。1997 年後設計的 NI 硬體全數採用 NI TNT GPIB ASIC。除了執行 IEEE 488.2 控制器/傳送器/接收器功能所必要的 NAT4882 客製電路以外，NI TNT ASIC 更兼具 Turbo488 效能增強核心，以及必備的 GPIB 收發儀。此外，NI TNT ASIC 內建 1 組 FIFO，也支援 DMA 傳輸，進行 GPIB 傳輸時，電腦能同步處理其他作業，因此能夠節省 CPU 時間。
相對而言，許多其他 GPIB 供應商是將 GPIB 功能用於 FPGA。不過，FPGA 不像 NI TNT ASIC 還兼具效能提升功能。此外，許多低價位機板的硬體速度表現非常差，這是因為這類機板不支援 DMA，也未內建 FIFO。
NI TNT ASIC 還能執行其他有助於提升效能的功能。NI TNT ASIC 能確實避免儀器造成資料損失並保持傳輸效率，因此能讓您準確遵守 IEEE 488.1 T1 延遲時間。此外，NI TNT ASIC 更提供超快的交握訊號回應時間。最後，NI TNT ASIC 提供符合 IEEE 標準 488.1-2003 定義的高速交握協定 HS488。HS488 協定定義的最高資料傳輸率是 8 MB/s。使用者若將 NI GPIB 控制器連接到支援 HS488 功能的儀器，就能充分運用 HS488。
從 NI PCI-GPIB 與他牌 PCI GPIB 控制器硬體效能比較即可看出 NI 的明顯優勢。除了製造商額定效能外，另安排進行一項測試，以可程式化電子負載載入受測裝置，以示波器讀取其回應。控制這些儀器的，是一款非常簡單的軟體應用程式。這款應用程式相當靈活，能與儀器連線並透過小區塊、大區塊以及大小混合區塊傳送/接收資料。NI GPIB 硬體與低價位 GPIB 機板的效能比較顯示，效能提升程度可以達到 5% ~ 30%（因所使用的機板而異）。這是相當大的優勢。舉例來說，假設一輪是 10 小時，每台裝置的測試時間是 20 秒，效能改善幅度若介於 5% 到 30% 之間，相當於可以再多測試 110 到 820 台裝置。在一週工作 5 天的情況下，這樣的優勢代表可以再多測試 570 到 4120 台裝置。
驅動程式速度
硬體速度或許是決定 GPIB 機板整體效能時最重要的因素，但驅動程式速度對於機板的整體執行效能也有著相當大的影響力。驅動程式架構設計優劣決定驅動程式處理各類 GPIB 呼叫的效率，包括 GPIB 資料傳輸、GPIB 匯流排管理呼叫，以及錯誤處理。
驅動程式處理的其中一項重要工作是序列輪詢。GPIB 標準要求控制器必須能夠執行序列輪詢，用於輪詢 GPIB 匯流排上的每一台裝置，並且判斷提出服務要求的裝置。應用程式必須撥出一段時間專用於執行序列輪詢，以利決定匯流排上的哪些裝置需要服務。NI-488.2 驅動程式在這方面的執行效率非常高，此外更提供自動輪詢機制，讓驅動程式能利用應用程式和處理器閒置時間，在背景執行序列輪詢。自動輪詢能提高電腦資源使用效率，而且，驅動程式若執行自動輪詢，偵測及回應服務要求的速度會更快。
除了輪詢之外，驅動程式一定要能支援同步與非同步傳輸功能。儀器控制應用程式若能支援非同步資料傳輸，就能將電腦處理器時間運用於其他工作。舉例來說，一個應用程式可以有兩組同步迴圈，其中一組負責 GPIB 傳輸，另一組則可執行其他分析或使用者介面作業。
最後，由於 NI GPIB 驅動程式 API 是貨真價實的業界標準，低成本 GPIB 廠商所提供的驅動程式通常會利用封裝程式，將自家用於回應 NI 驅動程式呼叫的驅動程式封裝起來。這些驅動程式開發人員並不了解 NI 驅動程式的內部架構與複雜設計，因此無法使其自家驅動程式發揮最佳效能。於是乎，這些封裝驅動程式的效能並不好。此外，驅動程式開發人員很少針對 NI 驅動程式中的每一項功能逐一提供封裝程式，因此有些應用程式會出現無法使用的功能。
穩定性
選擇 GPIB 解決方案時的第二個重要因素在於穩定性，這裡所說的不只限於硬體穩定性，更包括軟體穩定性和廠商穩定性。
硬體穩定性
使用穩定性高的硬體非常重要，因為這樣的硬體通常能直接節省成本。如果硬體穩定，運作起來也沒有問題，就能避免停機、更換硬體以及重新檢驗系統所衍生的成本。NI 盡力保證 GPIB 硬體能發揮極高的穩定性。以下列舉幾項有助於確保穩定性的特點：
- 客製化 ASIC - NI 採用客製化 TNT ASIC，更融入 GPIB 近 30 年的工程專業知識。
- 有效率的設計 - NI 運用客製化 ASIC 得以減少每款設計所用的元件總數，從而降低故障機率。舉例來說，要計算某產品的平均無故障時間 (MTBF)，通常會以各項元件的 MTBF 為準據。產品用到的元件越少，MTBF 就越好。
- 環境規格 - NI GPIB 硬體大多能在 0 ~ 55 *C 的溫度下達到相同的準確度與可靠性 (各項產品未必相同)。許多第三方 GPIB 機板的額定溫度範圍是 0 ~ 40 *C，只要接近這個範圍的極限，功能就會出現變化。
- 產業規格 - NI GPIB 硬體符合最新的產業規格，包括 IEEE 488.1-2003，以及 NI PCI-GPIB 的 2.1 版 PCI 規格。
- 製造成效 - 對 GPIB 廠商而言，製程一定要穩定，才能生產出高品質的產品。NI 製造 GPIB 產品的歷史超過 30 年，期間不斷改良製程，設法提高產品良率，盡力供應品質一流的產品。因此，我們的 GPIB 產品退貨率極低。
- 硬體保固 - NI GPIB 硬體提供 3 年保固，我們的產品極少發生故障，但若確實在保固期內發生故障，使用者免付維修費用。
軟體穩定性
軟體穩定有助於避免停機，也能支援更多系統開發及部署 GPIB 用途。NI-488.2 驅動程式軟體經歷多年開發，功能相當完整。舉例來說，NI-488.2 能用於開發多執行緒應用程式，也能用於開發適用於多處理器或超執行緒系統的應用程式。我們已經在前述各類系統上測試過這款驅動程式，保證能發揮一定的穩定性，能避免在使用中發生中斷現象。
廠商穩定性
最後，GPIB 供應商也是影響應用程式整體穩定性的重要因素。National Instruments 製造 GPIB 產品的經驗超過 30 年。NI 運用豐富的專業經驗製作這些產品，不論是支援舊款介面或提供相容 API，我們都有 20 年以上的豐富經驗。NI 亦通過 ISO 9001:2000 認證，表示我們的內部流程符合業界標準，更進一步證明本公司產品的品質與穩定性。
生產力
除效能與穩定性之外，生產力也是相當重要的考量因素。不論是在開發階段，或是在系統與應用程式維護期間，都能發揮最高的生產力。使用功能完整、可用性高且架構穩定的驅動程式，就能提高生產力。
National Instruments 儀器驅動程式網路 (IDNet)
儀器驅動程式為軟體常式集，用來控制可程式化的儀器。 有儀器驅動程式就不需逐項學習每一種儀器的程式設計指令，因此能大幅簡化儀器控制並縮短測試程式開發時間。 National Instruments 提供適用於超過 6500 種儀器和 300 家不同廠商的驅動程式。 這些儀器驅動程式是為 LabVIEW、LabWindow/CVI 和/或 Microsoft Visual Studio 而編寫的。 這些驅動程式都是開放免費下載且現成可用的版本，因此，設定期間不會影響您的生產力，還能支援您更快開始使用應用程式。
開發生產力
National Instruments GPIB 驅動程式 (NI-488.2) 提供無數功能，全都能夠提高開發生產力並提升驅動程式可用性。其中許多功能是 NI-488.2 獨家功能，且市面上任何低價位 GPIB 產品均不提供這些功能。
- 通用驅動程式 - NI 提供通用的 GPIB 驅動程式，能處理適用於 PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、乙太網路以及 ISA (PnP) 的 NI GPIB 控制器。您很容易就能在不同平台之間轉移應用程式，不需要重寫軟體。
- 驅動程式本地化 - NI-488.2 已有日文、韓文、簡體中文與繁體中文等本地化版本。1 由於安裝說明與軟體均以使用者的母語寫成，安裝機板、操作驅動程式以及程式設計都變得更加容易。
- 技術支援 - NI 透過豐富的線上支援選項，免費提供世界級的支援。我們力求即時為您釋疑，盡力保證讓您的專案準時進行。
- 多介面功能 - 市面上能支援使用者在同一個系統上安裝及使用多個介面的驅動程式並不多，NI-488.2 是其中之一。舉例來說，您可以在 GPIB0 上安裝 PCI-GPIB，在 GPIB1 上安裝 GPIB-USB-B，用於控制多台彼此獨立的儀器，這種方式特別適用於更要求儀器回應穩定性的應用程式。由於驅動程式提供這樣的功能，開發這類應用程式自然非常容易。由於有這項功能，使用者不需變更任何軟體就能將 GPIB 控制器換成其他類型的 GPIB 控制器。
- 公用程式 - NI-488.2 提供幾項能大幅提高開發生產力的公用程式。
NI-488.2 Communicator
使用 NI-488.2 Communicator 可以確認能否與 GPIB 儀器建立簡易通訊。這是一款互動式公用程式，能支援您將指令寫入儀器，也能讀取儀器回傳的回應。這個公用程式也提供 NI-488.2 呼叫狀態詳細資訊，還能用於列印 C 原始碼範例，輕鬆執行 GPIB 儀器查詢。
圖 2：NI-488.2 Communicator 快速確認硬體連接
Interactive Control
Interactive Control 又稱 ibic，能與 GPIB 儀器進行更進階卻相當快速的互動通訊。 這個公用程式支援您互動輸入並執行 GPIB 函式或常式，完全不需使用開發應用或程式設計語言。 使用 Interactive Control 公用程式與 GPIB 儀器通訊成功之後，就能快速確認硬體已經完全能夠與程式設計環境整合。
圖 3：IBIC 支援進行更進階的 GPIB 通訊
NI I/O Trace
使用者可以使用 NI I/O Trace「追蹤」驅動程式呼叫。這項功能對於應用程式除錯特別有用。 NI I/O Trace 會記錄所有裝置與機板層級的呼叫，並且加註時間戳記。開發人員可以輕鬆又有效率地找到應用程式中的錯誤和時序問題。 這個公用程式讓 National Instruments 裝置的功能與可用性更加脫穎而出。
圖 4：NI I/O Trace 擷取範例
GPIB Analyzer
使用 GPIB Analyzer 可以觀察所有的 GPIB 交握訊號、介面管理訊號，以及資料訊號，有助於分析實體匯流排活動。進行進階除錯時，光靠 NI I/O Trace 有時無法解決問題，在這個時候，這項功能特別有用。此外，您還可以更進一步地詳細分析匯流排時序問題。GPIB Analyzer 軟體只適用於 NI GPIB Analyzer 機板 (PCI-GPIB+)。沒有其他 GPIB 供應商提供類似功能。
圖 5：使用 PCI-GPIB+ 的 GPIB 分析儀主動式擷取
與 NI 產品整合 - NI-488.2 能與其他 NI 產品完美整合，包括 LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio for Microsoft Visual Studio 以及 Measurement & Automation Explorer (MAX)。有些其他 GPIB 廠商提供 NI-488.2 驅動程式適用的封裝驅動程式，但這類驅動程式通常並不完整，只適用於 LabVIEW，更不提供 MAX 的設定與除錯公用程式。
架構穩定性
NI-488.2 驅動程式也能發揮無可比擬的架構穩定性，有助於提高生產力。這款驅動程式及驅動程式架構均十分穩定，因此，使用者想要升級使用新介面或作業系統時，完全不需浪費時間重寫應用程式及除錯。以下列舉幾項有助於提高架構穩定性的特定功能：
- API 相容性 - National Instruments NI-488.2 API 是貨真價實的 GPIB 產業標準。 這款 API 的效能和效率均有提升，但就使用者的立場而言，已經有超過 20 年的時間始終不變。正因能夠發揮如此的穩定性，原本為 DOS ISA 機板或 Macintosh NuBus 機板所寫的應用程式，現在在使用 PCI 機板的 Windows XP 也能正常運作。
- 匯流排範圍廣泛 - NI 提供的 GPIB 控制器適用於種類最廣泛的匯流排。除了目前常見的 PCI、PCI Express、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB 和乙太網路等匯流排，NI 也提供適用於 ISA、IEEE 1394、SBus (Sun Solaris)、PMC、PC/104、VME 等匯流排的控制器。雖然其中部分介面必須要另外使用其他版本的 NI-488.2 驅動程式，但由於 API 相同，因此您仍然可以將應用程式從其中一款主流介面轉移到前述其中任何一樣專用介面，一點也不困難。
- 作業系統透明度 - NI 提供完整的驅動程式，適用於 Windows Vista/XP/2000/NT/Me/9x、Linux、Solaris，以及 Mac 等常見作業系統所用的多數介面。NI 也針對非通用作業系統 (如 HP-UX 與 Tru64 Digital UNIX) 的部分介面提供適用的驅動程式。最後，針對 NI 未能提供完整驅動程式的介面和作業系統，我們提供驅動程式開發套件 (DDK)，能支援您在需要的作業系統上執行驅動程式。由於驅動程式 API 一律相同，因此，使用者很容易就能在作業系統與介面之間轉移應用程式。
- 產品取得容易度 - NI 提供適用於最多款匯流排的 GPIB 控制器，除此之外，即使是在匯流排熱度減退多年之後，在市面上仍然可以買到這些產品。NI 仍然銷售適用於 ISA 與 SBus 等產品的介面。這項特性保證您不必為了已經停產的舊版介面而浪費時間升級應用程式。
摘要
本技術文件概述使用 National Instruments GPIB 軟硬體所能掌握的優勢。NI GPIB 軟硬體產品能發揮更好的效能、高度的穩定性，還能提高生產力。由於採用先進的硬體，以及針對發揮最高傳輸率而高度最佳化的軟體，因此效能有所提升。NI 有著超過 30 年的頂尖 GPIB 廠商經驗，軟硬體穩定性十足，NI GPIB 產品自然也能發揮相當高的穩定性。只要運用簡單有效的開發和除錯工具，結合穩定的軟體架構，您就能夠提高生產力。
NI GPIB 產品能發揮這些優勢，支援您更快、更有效率地設計、開發以及測試自家產品。只要慢慢累積這些優點帶來的優勢，久而久之自然能夠大幅節省時間和金錢。
入門連結
1 適用於 Windows 2000/XP 的 2.3（含）以上版本的 NI-488.2 均提供韓文、簡體中文和繁體中文本地化版本。目前提供日文本地化版本。
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