제어계측 시스템에 적합한 하드웨어 인터페이스 선정방법

계측기에 연결하기 위한 버스가 매우 다양할 경우, 어플리케이션 요구에 적합한 버스를 선택하기가 어려울 수 있습니다. 각 버스는 서로 다른 장점과 최적화를 가지고 있습니다.

 

기기와 컴퓨터에서 사용할 수 있는 버스는 무엇입니까?

계측기는 일반적으로 계측기를 제어할 수 있는 하나 이상의 버스 옵션을 제공하며, PC는 일반적으로 계측기 제어를 위한 여러 버스 옵션을 제공합니다. PC에 기본적으로 계측기에 있는 버스가 없는 경우 일반적으로 플러그인 보드 또는 외부 변환기로 추가할 수 있습니다. 계측기 제어를 위한 많은 버스가 있으며 다음과 같은 일반적인 범주로 나눌 수 있습니다.

• 독립형 버스는 랙앤스택(rack-and-stack) 계측기와 통신하는 데 사용됩니다. 여기에는 GPIB와 같은 테스트 및 측정 전용 버스와 시리얼 (RS232), 이더넷 및 USB와 같은 PC 표준 버스가 포함됩니다. 일부 독립형 버스는 USB-GPIB 변환기와 같은 다른 독립형 버스의 매체로 사용할 수 있습니다.
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• 모듈형 버스는 인터페이스 버스를 계측기 자체에 통합합니다. 여기에는 PCI, PCI Express, VXI 및 PXI가 포함됩니다. 또한 본 버스를 매개체로 사용하여 버스가 없는 PC (예: NI PCI-GPIB 컨트롤러 보드)에 버스를 추가할 수 있습니다.

 

어떤 종류의 성능이 필요한가요?

버스 성능에 영향을 미치는 세 가지 주요 요인은 대역폭, 대기 시간 및 계측기 구현입니다.

• 대역폭은 데이터 속도이며 일반적으로 초당 수백만 비트로 측정됩니다.
• 대기 시간은 전송 시간이며 일반적으로 초 단위로 측정됩니다. 예를 들어, 이더넷 전송에서 큰 데이터 블록은 작은 세그먼트로 나뉘어 여러 패킷으로 전송됩니다. 대기 시간은 이러한 패킷 중 하나를 전송하는 데 걸리는 시간입니다.
• 버스 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 계측기 구현은 성능에 영향을 미칩니다. 모든 계측기가 동일하게 생성되는 것은 아니며 계측기 설계자가 수행한 구현 절충안(사용자 정의 가상 계측기이든 공급업체 정의 기존 계측기이든 상관없이)은 계측기 성능에 영향을 미칩니다. 가상 계측기의 주요 이점은 최종 사용자가 계측기 설계자로서 최적의 구현 트레이드 오프를 결정한다는 것입니다.

그림 1. 메인스트림 테스트 및 측정 버스의 이론적 대역폭과 지연 시간

 

기기는 어떤 환경에서 사용됩니까?

계측기 제어 어플리케이션을 생성할 때는 배포할 환경을 고려하는 것이 중요합니다. 주요 고려 사항에는 PC와의 기기 거리, 인터페이스 및 케이블링의 견고성 사양이 포함됩니다. 두 요소 모두 계측기 제어 시스템에 어떤 버스를 사용해야 하는지 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

PC에서 기기 거리

계측기가 PC에 가까운 경우(5미터 미만) 모든 버스 유형 중에서 유연하게 선택할 수 있습니다. 계측기가 PC에서 멀리 떨어져 있는 경우(예: 다른 방이나 건물) 분산 계측기 제어 시스템 아키텍처를 고려해야 합니다. 분산 계측기 제어 시스템에는 익스텐더, 리피터, LAN/LXI 또는 LAN 컨버터 (예: 이더넷-GPIB 컨버터)를 사용하는 것이 포함될 수 있습니다.

 

인터페이스 및 케이블링의 견고성 사양

계측기가 산업 환경과 같이 잡음이 많은 환경에 있는 경우 이러한 환경 요소로부터 보호하는 인터페이스 버스를 사용하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 제조 현장에서는 케이블 래칭 및 견고한 차폐 사양으로 인해 GPIB 또는 USB가 더 적합한 선택이 될 것입니다.

 

버스를 얼마나 쉽게 설정하고 구성할 수 있습니까?

버스 인터페이스를 선택할 때 설정 및 설치를 염두에 두십시오. 많은 사용자가 시스템과 상호 작용하는 실험실과 같은 영역에 배치될 기기 제어 배포의 경우 사용 편의성과 일관된 사용자 경험을 위해 USB 버스 인터페이스를 사용하는 것이 좋습니다. 보안이 문제가 될 수 있는 계측기 제어 시스템의 경우 정보 기술 부서에서 Ethernet/LAN/LXI를 허용하지 않을 수 있음을 알고 있어야 합니다. Ethernet/LAN/LXI가 계측기 제어 시스템에 가장 적합한 버스 인터페이스이고 보안에 민감한 환경에 배포될 예정이라면 설계 구현 프로세스 전반에 걸쳐 정보 기술 부서와 협력해야 합니다.

 

가장 일반적인 버스에 대한 선택 가이드

버스대역폭 (MB/s)대기 시간(μs)범위(m)(익스텐더 제외)설정 및 설치커넥터 견고성

 

GPIB (GPIB)	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	좋다	제일
USB의	60(고속)	1,000개(USB) 125(고속)	5	제일	좋다
이더넷/ 근거리 통신망	12.5 (빠름) 125(기가비트)	1,000 (빠름) 1,000(기가비트)	100	좋다	좋다
증권 시세 표시기	132	1.7	내부 PC 버스	더 좋은	더 좋은 최고 (PXI용)
PCI 익스프레스	250(x1) 4,000(x16)	0.7 (1 개) 1.7 (4 개)	내부 PC 버스	더 좋은	더 좋은 최고 (PXI용)

표 1. 가장 일반적인 계측기 하드웨어 버스

 

계측기 제어 하드웨어 버스 개요

GPIB (GPIB)

범용 인터페이스 버스 (GPIB)는 독립형 계측기에서 가장 일반적인 I/O 인터페이스 중 하나입니다. GPIB는 최고 8 Mb/s의 데이터 전송 속도를 가진 디지털 8비트 병렬 통신 인터페이스입니다. 버스는 최대 14개의 계측기를 위한 하나의 시스템 컨트롤러를 제공하며 케이블 연결은 20m 미만으로 제한됩니다. GPIB 익스팬더와 익스텐더를 사용하여 이러한 두 가지 한계를 극복할 수 있습니다. GPIB 케이블 및 커넥터는 모든 환경에서 사용할 수 있도록 다목적이며 산업 등급이 매겨져 있습니다.

GPIB는 PC 산업용 버스가 아니기 때문에 PC에서 기본적으로 사용할 수 있는 경우가 거의 없습니다. 대신, PCI-GPIB와 같은 플러그인 보드 또는 NI GPIB-USB와 같은 외부 컨버터를 사용하여 GPIB 인스트루먼트 컨트롤 기능을 PC에 추가할 수 있습니다.

 

 

직렬

직렬은 주로 구형 데스크톱 및 랩톱 PC에서 볼 수 있는 장치 통신 프로토콜입니다. USB와 혼동하지 마십시오. 시리얼은 여러 디바이스에서 계측을 위한 일반적인 통신 프로토콜이며, 많은 GPIB 호환 디바이스에는 EIA232 포트가 있습니다. EIA232 및 EIA485/EIA422는 RS232 및 RS485/RS422라고도 합니다.

직렬 통신의 개념은 간단합니다. 직렬 포트는 한 번에 한 비트씩 바이트 단위의 정보를 보내고 받습니다. 이것은 한 번에 전체 바이트를 전송하는 병렬 통신보다 느리지만 더 간단하고 더 먼 거리에서 사용할 수 있습니다.

일반적으로 엔지니어는 직렬을 사용하여 ASCII 데이터를 전송합니다. 접지, 송신, 수신의 세 가지 전송 라인을 사용하여 통신을 완료합니다. 직렬은 비동기식이기 때문에 포트는 한 회선에서 데이터를 전송하고 다른 회선에서 데이터를 수신할 수 있습니다. 다른 라인은 핸드셰이킹에 사용할 수 있지만 필수는 아닙니다. 중요한 직렬 특성은 전송 속도, 데이터 비트, 정지 비트 및 패리티입니다. 두 포트가 통신하려면 이러한 매개 변수가 일치해야 합니다.

 

USB

USB(범용 직렬 버스)는 주로 키보드, 마우스, 스캐너 및 디스크 드라이브와 같은 PC 주변 장치를 PC에 연결하도록 설계되었습니다. 지난 몇 년 동안 USB 연결을 지원하는 장치의 수가 급격히 증가했습니다. USB는 USB 호스트가 새 장치가 추가되었을 때 자동으로 감지하고, 식별을 위해 장치를 쿼리하고, 장치 드라이버를 적절하게 구성하는 플러그 앤 플레이 기술입니다.

USB 2.0은 저속 및 전속 장치 모두와 완벽하게 역호환됩니다. 고속 모드는 최대 480Mbit/s(60MB/s)의 데이터 전송 속도를 지원합니다. 최신 USB 사양인 USB 3.0에는 이론상 최대 5.0Gbit/s의 데이터 전송 속도를 제공하는 SuperSpeed 모드가 있습니다.

 

USB는 원래 PC 주변기기 버스로 설계되었지만, 그 속도, 폭넓은 가용성 및 사용 편의성으로 인해 계측기 제어 어플리케이션에 사용하기에 매력적입니다. 그러나 기기 제어에 사용하는 데에는 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, USB 케이블은 산업 등급이 아니므로 시끄러운 환경에서 데이터 손실이 발생할 수 있습니다. 또한 USB 케이블에는 래칭 메커니즘이 없어 케이블을 PC 또는 계측기에서 비교적 쉽게 빼낼 수 있습니다. 또한 USB 시스템의 최대 케이블 길이는 인라인 리피터 사용을 포함하여 30m입니다.

 

이더넷

이더넷은 일반 네트워킹 및 원격 데이터 저장을 포함한 다른 용량의 측정 시스템에 널리 사용되는 성숙한 기술입니다. 전 세계적으로 100억 대 이상의 이더넷 지원 컴퓨터를 보유한 Ethernet은 계측기 제어를 위한 매력적인 옵션도 제공합니다. IEEE 표준 802.3으로 정의되며 이론상 10Mbit/s(10BASE-T), 100Mbit/s(100BASE-T) 및 1Gbit/s(1000BASE-T)의 데이터 전송 속도를 지원하는 네트워크 구성을 제공합니다. 가장 일반적인 네트워크는 100BASE-T입니다.

Ethernet을 통한 계측기 제어 어플리케이션은 계측기 원격 제어, 간소화된 계측기 공유, 손쉬운 데이터 결과 게시 등 버스의 고유한 특성을 활용할 수 있습니다. 또한 사용자는 회사 및 실험실에서 기존의 광범위한 이더넷 네트워크의 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 이러한 이점은 기존 엔지니어링 애플리케이션에 네트워크 관리자의 참여를 강요하기 때문에 일부 회사에서는 문제가 될 수 있습니다.

계측기 제어 버스로서 이더넷의 또 다른 단점은 실제 전송 속도, 결정성 및 보안입니다. 이더넷 네트워크는 이론적으로 1Gbit/s의 전송 속도를 달성할 수 있지만 다른 네트워크 트래픽 오버헤드와 비효율적인 데이터 전송으로 인해 실제 네트워크에서는 이러한 속도가 거의 실현되지 않습니다. 또한, 전송 속도의 불확실성으로 인해, 이더넷을 통한 통신에서 결정론이 보장되지 않는다. 마지막으로 민감한 데이터의 경우 사용자는 데이터 무결성 및 개인 정보 보호를 위해 추가 보안 조치를 취해야 합니다.

 

PCI(Peripheral Component Interconnect)

PCI 버스는 일반적으로 계측기 제어에 직접 사용되지 않지만 계측기 제어를 위해 GPIB 또는 시리얼 디바이스를 연결하기 위한 주변 버스로 사용됩니다. 또한, PCI는 대역폭이 높기 때문에 I/O 버스가 측정 디바이스에 내장된 모듈형 계측기의 캐리어 버스로 사용됩니다.

 

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation)

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation)는 측정 및 자동화 시스템을 위한 견고한 PC 기반 플랫폼입니다. PXI는 PCI 전기 버스 기능을 CompactPCI의 견고한 모듈형 Eurocard 기계 패키징과 결합한 후, 특수 동기화 버스 및 주요 소프트웨어 기능을 추가합니다. 따라서 측정 및 자동화 시스템을 위한 고성능 및 저비용 배포 플랫폼이 됩니다.

이 시스템은 제조 테스트, 군사 및 항공 우주, 기계 모니터링, 자동차 및 산업 테스트와 같은 어플리케이션에 사용됩니다. 1997년에 개발되어 1998년에 출시된 PXI는 복합 계측 시스템의 증가하는 요구를 충족하기 위해 개방형 산업 표준으로 도입되었습니다. 현재 PXI는 PXI 표준을 홍보하고 상호 운용성을 보장하며 PXI 스펙을 유지하기 위해 인가된 65개 이상의 기업으로 구성된 PXI Systems Alliance (PXISA)의 관리를 받고 있습니다. PXI는 모듈형 계측을 위한 플랫폼으로 많이 사용되며, 타이밍 및 동기화 리소스가 통합된 소형, 고성능 측정 하드웨어 디바이스를 통해 기존의 독립형 계측에 대한 매력적인 대안을 제공합니다.

 

PCI Express

PCI와 마찬가지로 PCI Express는 일반적으로 인스트루먼트 컨트롤에 직접 사용되지 않고 인스트루먼트 컨트롤을 위해 GPIB 디바이스를 PC에 연결하기 위한 주변 버스로 사용됩니다. 그러나 PCI Express는 속도가 매우 빠르기 때문에 모듈형 계측기의 캐리어 버스로 사용할 수 있습니다.