USB儀器將成測(cè)量?jī)x器主流

USB儀器將成測(cè)量?jī)x器主流

引言
　　1993年英特爾公司的第五代微處理器奔騰問(wèn)世，它使用的PCI總線達(dá)到32位，時(shí)鐘33MHz，帶寬達(dá)到132 MB/s ~264MB/s。1995年為解決PC機(jī)傳統(tǒng)外設(shè)總線不能適應(yīng)奔騰芯片的瓶頸，以PC供給商康柏、DEC、IBM和軟件公司微軟為首推出了通用串行總線（USB），成立USB實(shí)施論壇（USB�睮F），開(kāi)始對(duì)USB進(jìn)行推廣和認(rèn)證。USB1.1版的低速率是1.5Mbps，全速數(shù)據(jù)率是12Mbps，主控制器將總線傳輸時(shí)間劃分為幀，每幀1ms，在幀時(shí)間內(nèi)傳輸多個(gè)事務(wù)處理到多個(gè)器件上。  電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測(cè)試器| 電力計(jì)| 電力測(cè)量?jī)x| 光度計(jì)| 電壓計(jì)| 電流計(jì)|

　　USB總線的機(jī)械連接非常簡(jiǎn)單，電纜是4芯的屏蔽線，一對(duì)雙絞線（D+，D-）傳送信號(hào)，另一對(duì)雙絞線（VBUS，電源地）傳送+5V的直流電壓；連接器有A型（或小A型）和B型（或小B型）兩種。USB器件的即插即用（即熱插拔）是一個(gè)上風(fēng)，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，第一次插進(jìn)USB器件時(shí)，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)程序后就可以使用該器件。一個(gè)USB主控制器端口最多可連接127個(gè)器件，各器件之間的間隔不超過(guò)5米。2000年USB2.0版規(guī)范推出，將USB總線的數(shù)據(jù)率進(jìn)步到480Mbps的高速，并向后兼容。在高速USB總線上，主控制器將每幀1ms再劃分成8個(gè)微幀，每個(gè)微幀125μs，能完成更多事務(wù)處理，使總的數(shù)據(jù)率進(jìn)步40倍。

　　USB接口規(guī)范將多種PC機(jī)外設(shè)具有相似特性的回納為某一類，例如鼠標(biāo)、鍵盤等屬于HID類，音響產(chǎn)品屬于Audio類，CD、硬盤、閃存屬于Mass Storage類。微軟的Windows操縱系統(tǒng)為常用種別提供驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安裝。不在Windows支持的USB器件（如測(cè)量?jī)x器）需要提供自己的驅(qū)動(dòng)程序，或者安裝程序?qū)⒂嘘P(guān)應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)程序打包在一起，一次性完成器件的安裝。USB�睮F負(fù)責(zé)對(duì)符合USB接口規(guī)范的硬件和程序作認(rèn)證，發(fā)給認(rèn)證標(biāo)志。驅(qū)動(dòng)程序還可獲得微軟硬件設(shè)備質(zhì)量（WHQL）認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)在Windows操縱系統(tǒng)下的自動(dòng)安裝。

　　2000年后，臺(tái)式PC都增加了USB接口，筆記本電腦甚至安裝了兩個(gè)USB接口�，F(xiàn)在數(shù)以億計(jì)的帶有USB接口的PC機(jī)在運(yùn)行，數(shù)以十億計(jì)的PC機(jī)外設(shè)和其他設(shè)備，其中包括USB測(cè)量?jī)x器使用USB接口。正是由于USB接口擁有大量PC機(jī)外設(shè)，使得USB接口的支持產(chǎn)品，包括控制器芯片、集成器和橋接器、電纜和連接器、驅(qū)動(dòng)程序和安裝程序、開(kāi)發(fā)工具等非常普及，加上USB接口的安裝方便、數(shù)據(jù)率較寬、輕易擴(kuò)展、即插即用、本錢較低等特點(diǎn)，出現(xiàn)了更多使用USB接口的電子產(chǎn)品。

1新興的USB測(cè)量?jī)x器族

　　USB接口進(jìn)進(jìn)測(cè)量?jī)x器是從1998年開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)IOtech和NI兩家公司首先在他們的數(shù)據(jù)采集儀器中使用了USB接口，隨后很多著名儀器公司都接納了USB接口。最簡(jiǎn)單的做法是增加USB作為外設(shè)接口，由于臺(tái)式測(cè)量?jī)x器大部分裝有嵌進(jìn)式微處理器，并且一部分臺(tái)式測(cè)量?jī)x器采用內(nèi)置奔騰處理器的Windows平臺(tái)，所以安裝USB接口是順理成章的事情。2000年，橫河電機(jī)開(kāi)始在數(shù)字示波器上安裝USB接口，之后安捷倫、力科、泰克亦在數(shù)字示波器上配備USB接口。2003年，由于安捷倫和NI在廣泛應(yīng)用的虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（VISA）的I/O層增加了對(duì)USB的支持，所以USB接口普遍被臺(tái)式、便攜式、模塊式測(cè)量?jī)x器接受為標(biāo)準(zhǔn)接口之一。傳統(tǒng)的IEEE488接口儀器和RS232接口儀器可以通過(guò)USB-IEEE488和USB-RS232轉(zhuǎn)換器與臺(tái)式和筆記本電腦連接。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，證實(shí)USB接口在測(cè)量?jī)x器中確實(shí)是簡(jiǎn)單方便和低本錢的互連技術(shù)，它在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得了令人矚目的成果。傳統(tǒng)上，PC平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)卡需要占用ISA或PCI插槽，以及從插卡引出至傳感器的大量線纜，數(shù)據(jù)采集增加時(shí)受PC機(jī)插槽數(shù)目、地址、中斷等硬件和軟件資源的限制，可擴(kuò)展性較差，抗電磁干擾性能差，安裝拆卸困難，本錢并不經(jīng)濟(jì)。隨著PC機(jī)配置USB接口和數(shù)據(jù)率的進(jìn)步以及USB接口芯片價(jià)格的下降，使USB接插件和電纜較便宜，導(dǎo)致大量USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的推出，售價(jià)從100美元至1000美元，很受用戶的歡迎。事實(shí)上，這種借助PC機(jī)配置的擴(kuò)充總線或外設(shè)總線成果，用于測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)已有先例，PCI、PXI、VXI和即將公布的LXI各種總線的儀器擴(kuò)展應(yīng)用，都充分發(fā)揮了PC機(jī)的普及率高、產(chǎn)品本錢低、使用方便等明顯特點(diǎn)。PC機(jī)市場(chǎng)比測(cè)量?jī)x器市場(chǎng)大得多，投進(jìn)的開(kāi)發(fā)和制造資源極為豐富，這些都是上風(fēng)，也是測(cè)量?jī)x器業(yè)所不具備的。測(cè)量?jī)x器業(yè)在20世紀(jì)60年代曾獨(dú)立開(kāi)發(fā)出GPIB總線（即IEEE488），它是惠普公司經(jīng)10年努力獲得的成果，值得留意的是IEEE488至今還是臺(tái)式儀器的首選總線。自IEEE488總線之后，NI公司提出虛擬儀器的概念，并借船出海，充分發(fā)揮PC機(jī)的硬件和軟件資源用于測(cè)量?jī)x器，成績(jī)斐然，帶動(dòng)了測(cè)量?jī)x器的發(fā)展。

　　但是，USB接口在測(cè)量?jī)x器的擴(kuò)展應(yīng)用并無(wú)儀器公司或機(jī)構(gòu)的推動(dòng)，情況與IEEE488、VXI、PXI等總線有所不同，它們是有組織地制定規(guī)范和推廣，對(duì)測(cè)量?jī)x器業(yè)具有影響和促進(jìn)。而USB儀器屬于測(cè)量?jī)x器公司的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，最初進(jìn)展緩慢，近年產(chǎn)品明顯增多，特別是在USB2.0發(fā)布后，USB測(cè)量?jī)x器從數(shù)據(jù)采集向數(shù)字多用表、數(shù)字示波器、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、數(shù)字化儀、協(xié)議分析儀等發(fā)展，形成多種多樣的體積小型、移動(dòng)輕便、價(jià)格實(shí)惠、性能適中的一類測(cè)量?jī)x器實(shí)體。隨著PC機(jī)的普及，測(cè)量?jī)x器中出現(xiàn)一類PC基儀器，它借助插進(jìn)PC機(jī)外設(shè)插槽的測(cè)量用卡和PC機(jī)資源構(gòu)建成虛擬面板儀器，簡(jiǎn)稱PCI儀器。筆記本PC和口袋式PC出現(xiàn)后，它們沒(méi)有可供測(cè)量?jī)x器使用的外設(shè)插槽，只有可供測(cè)量?jī)x器使用的各種接口，包括軟盤、硬盤、PC卡、紅外、并行、串行、1394、以太網(wǎng)、USB等接口中的1種至4種。經(jīng)過(guò)實(shí)際考驗(yàn)，USB儀器在中低檔測(cè)量?jī)x器中最受用戶歡迎，形成一類USB儀器而進(jìn)進(jìn)測(cè)量?jī)x器主流。

　　值得一提的是，USB儀器屬于普及型的產(chǎn)品，它以即插即用和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而進(jìn)進(jìn)測(cè)量?jī)x器市場(chǎng)，它的機(jī)械構(gòu)件（如連接器、線纜）和電氣特性（如定時(shí)、同步）都不是與IEEE488、VXI和PXI儀器處于同一水平上，同時(shí)，至今為止還沒(méi)有USB儀器規(guī)范，只有USB規(guī)范。

2 USB數(shù)據(jù)采集器

　　USB儀器中以USB數(shù)據(jù)采集器面市最早，品種最多，從簡(jiǎn)單的模塊至多插卡的機(jī)箱都有產(chǎn)品。簡(jiǎn)單的USB數(shù)據(jù)采集器模塊一般具有8路以上模擬輸進(jìn)通道，12至14位分辨率，100KS/s以下的取樣率，簡(jiǎn)單的測(cè)量和記錄I/O。模塊通過(guò)USB線纜與PC機(jī)USB端口連接，從CD盤下載驅(qū)動(dòng)器程序后即可工作，來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)從模塊接線排輸進(jìn)。為對(duì)比和了解這類低價(jià)位USB數(shù)據(jù)采集器的特性，《測(cè)試與測(cè)量世界》（TM&W）的高級(jí)技術(shù)編輯最近對(duì)3種低價(jià)位（150美元）的產(chǎn)品作了測(cè)試，它們分別是NI公司的USB��6008、DT公司的DT��9810和MC公司的PMD��1208FS。