發布日期：2022-10-09 點擊率：138
USB是PC機的標準外設接口，擁有數以十億計的安裝量。自1998年出現USB數據采集儀器以來，數字示波器等多種多樣微型USB儀器推出市場，形成具有自身特色的儀器族，開始進入測量儀器主流。
0、引言
1993年英特爾公司的第五代微處理器奔騰問世，它使用的PCI總線達到32位，時鐘33MHz，帶寬達到132MB/s~264MB/s。1995年為解決PC機傳統外設總線不能適應奔騰芯片的瓶頸，以PC供應商康柏、DEC、IBM和軟件公司微軟為首推出了通用串行總線（USB），成立USB實施論壇（USBIF），開始對USB進行推廣和認證。USB1.1版的低速率是1.5Mbps，全速數據率是12Mbps，主控制器將總線傳輸時間劃分為幀，每幀1ms，在幀時間內傳輸多個事務處理到多個器件上。USB總線的機械連接非常簡單，電纜是4芯的屏蔽線，一對雙絞線（D+，D-）傳送信號，另一對雙絞線（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）是一個優勢，對用戶來說，第一次插入USB器件時，通過手動或自動安裝驅動程序后就可以使用該器件。一個USB主控制器端口最多可連接127個器件，各器件之間的距離不超過5米。2000年USB2.0版規范推出，將USB總線的數據率提高到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個微幀，每個微幀125μs，能完成更多事務處理，使總的數據率提高40倍。
USB接口規范將多種PC機外設具有相似特性的歸納為某一類，例如鼠標、鍵盤等屬于HID類，音響產品屬于Audio類，CD、硬盤、閃存屬于MassStorage類。微軟的Windows操作系統為常用類別提供驅動程序，實現自動安裝。不在Windows支持的USB器件（如測量儀器）需要提供自己的驅動程序，或者安裝程序將有關應用和驅動程序打包在一起，一次性完成器件的安裝。USBIF負責對符合USB接口規范的硬件和程序作認證，發給認證標志。驅動程序還可獲得微軟硬件設備質量（WHQL）認證，實現在Windows操作系統下的自動安裝。
2000年后，臺式PC都增加了USB接口，筆記本電腦甚至安裝了兩個USB接口。現在數以億計的帶有USB接口的PC機在運行，數以十億計的PC機外設和其他設備，其中包括USB測量儀器使用USB接口。正是由于USB接口擁有大量PC機外設，使得USB接口的支持產品，包括控制器芯片、集成器和橋接器、電纜和連接器、驅動程序和安裝程序、開發工具等非常普及，加上USB接口的安裝方便、數據率較寬、容易擴展、即插即用、成本較低等特點，出現了更多使用USB接口的電子產品。
1、新興的USB測量儀器族
USB接口進入測量儀器是從1998年開始的，當時IOtech和NI兩家公司首先在他們的數據采集儀器中使用了USB接口，隨后許多著名儀器公司都接納了USB接口。最簡單的做法是增加USB作為外設接口，因為臺式測量儀器大部分裝有嵌入式微處理器，并且一部分臺式測量儀器采用內置奔騰處理器的Windows平臺，所以安裝USB接口是順理成章的事情。2000年，橫河電機開始在數字示波器上安裝USB接口，之后安捷倫、力科、泰克亦在數字示波器上配備USB接口。2003年，因為安捷倫和NI在廣泛應用的虛擬儀器軟件結構（VISA）的I/O層增加了對USB的支持，所以USB接口普遍被臺式、便攜式、模塊式測量儀器接受為標準接口之一。傳統的IEEE488接口儀器和RS232接口儀器可以通過USB-IEEE488和USB-RS232轉換器與臺式和筆記本電腦連接。
經過實際應用，證明USB接口在測量儀器中確實是簡單方便和低成本的互連技術，它在數據采集系統取得了令人矚目的成果。傳統上，PC平臺的數據采集系統卡需要占用ISA或PCI插槽，以及從插卡引出至傳感器的大量線纜，數據采集增加時受PC機插槽數目、地址、中斷等硬件和軟件資源的限制，可擴展性較差，抗電磁干擾性能差，安裝拆卸困難，成本并不經濟。隨著PC機配置USB接口和數據率的提高以及USB接口芯片價格的下降，使USB接插件和電纜較便宜，導致大量USB數據采集系統的推出，售價從100美元至1000美元，很受用戶的歡迎。事實上，這種借助PC機配置的擴充總線或外設總線成果，用于測量儀器系統的成功經驗已有先例，PCI、PXI、VXI和即將公布的LXI各種總線的儀器擴展應用，都充分發揮了PC機的普及率高、產品成本低、使用方便等顯著特點。PC機市場比測量儀器市場大得多，投入的開發和制造資源極為豐富，這些都是優勢，也是測量儀器業所不具備的。測量儀器業在20世紀60年代曾獨立開發出GPIB總線（即IEEE488），它是惠普公司經10年努力獲得的成果，值得注意的是IEEE488至今仍是臺式儀器的首選總線。自IEEE488總線之后，NI公司提出虛擬儀器的概念，并借船出海，充分發揮PC機的硬件和軟件資源用于測量儀器，成績斐然，帶動了測量儀器的發展。
但是，USB接口在測量儀器的擴展應用并無儀器公司或機構的推動，情況與IEEE488、VXI、PXI等總線有所不同，它們是有組織地制定規范和推廣，對測量儀器業具有影響和促進。而USB儀器屬于測量儀器公司的市場驅動，最初進展緩慢，近年產品明顯增多，特別是在USB2.0發布后，USB測量儀器從數據采集向數字多用表、數字示波器、邏輯分析儀、任意波形發生器、數字化儀、協議分析儀等發展，形成多種多樣的體積小型、移動輕便、價格實惠、性能適中的一類測量儀器實體。隨著PC機的普及，測量儀器中出現一類PC基儀器，它借助插入PC機外設插槽的測量用卡和PC機資源構建成虛擬面板儀器，簡稱PCI儀器。筆記本PC和口袋式PC出現后，它們沒有可供測量儀器使用的外設插槽，只有可供測量儀器使用的各種接口，包括軟盤、硬盤、PC卡、紅外、并行、串行、1394、以太網、USB等接口中的1種至4種。經過實際考驗，USB儀器在中低檔測量儀器中最受用戶歡迎，形成一類USB儀器而進入測量儀器主流
值得一提的是，USB儀器屬于普及型的產品，它以即插即用和經濟實惠而進入測量儀器市場，它的機械構件（如連接器、線纜）和電氣特性（如定時、同步）都不是與IEEE488、VXI和PXI儀器處于同一水平上，同時，至今為止還沒有USB儀器規范，只有USB規范。
2、USB數據采集器
USB儀器中以USB數據采集器面市最早，品種最多，從簡單的模塊至多插卡的機箱都有產品。簡單的USB數據采集器模塊一般具有8路以上模擬輸入通道，12至14位分辨率，100KS/s以下的取樣率，簡單的測量和記錄I/O。模塊通過USB線纜與PC機USB端口連接，從CD盤下載驅動器程序后即可工作，來自傳感器的模擬信號從模塊接線排輸入。為對比和了解這類低價位USB數據采集器的特性，《測試與測量世界》（TM&W）的高級技術編輯最近對3種低價位（150美元）的產品作了測試，它們分別是NI公司的USB6008、DT公司的DT9810和MC公司的PMD1208FS。其中USB6008的主要特性如下：
8路單端模塊輸入，分辨率12位（差分）、11位單端），取樣率最高10KS/s，逐步漸近A/D轉換器；
輸入電壓量程±20V（差分）、±10V（單端），直流電源由USB接口供給（5V/200mA）；
適用于Windows、MacOS、LinuxOS操作系統的驅動器，數據記錄軟件，即插即用安裝軟件，LabVIEW或C語言編程；
數字I/O12路，5MHz計數器；
尺寸：63.5mm×85.1mm×23.1mm，重量：59克。
對比測試認為，它們的電學指標處于同等檔次，只是DT9810的輸入電壓量程是+2.4V,更高輸入電壓量程要選用價位較高的USB產品。它們在軟件方面略有差異，雖然都提供數據記錄軟件，用戶從PC顯示器可閱讀存儲的數據，但只有DT9810具有可控制模塊的數字I/O口，而且提供示波器顯示和數字多用表軟件，以及Windows下的應用編程界面和LabVIEW虛擬儀器。PMD1208FS的TracerDAQ軟件可用EXCEL或有限文件格式存儲和顯示數據，提供示波器顯示，并具有內部自校準能力。這類USB數據采集模塊為工程技術人員和學生提供低價位、高質量、體積輕巧、連接簡易的數據記錄和采集工具。
中高檔的USB數據采集器具有與PCI/VXI/PXI數據采集器基本相同的特性，例如16位分辨率，取樣率為100KS/s級，32路模擬輸入，32路數字I/O的產品。由于USB接口的互連比較簡單，使中高檔的USB數據采集器具有價格優勢，當前生產PCI/VXI/PXI數據采集器的測量儀器公司都供應USB接口的同類產品。值得注意的是，還有數據采集公司生產獨立機箱的內置數字信號處理器DSP接口和閃存體的USB數據采集系統，例如Hacker公司的USB2DAQ/DIO數據采集系統，由于具有很強的運算和控制能力，插卡式16至32路模擬輸入，12至16位分辨率，100KS/s取樣率，24位數字I/O線，每個機箱可配置12個插卡，適用于馬達系統的實時控制。另外，生產數字多用表的頂級供應商同樣重視USB接口的運用，吉時利公司推出KUSB3116數據采集模塊，指標是8路模擬輸入，16位分辨率，500KS/s取樣率。福祿克公司在原來銷量很多的189數字多用表上配置USB接口，增強數據記錄功能，通過FlukeView3.0軟件包，使189DMM具有存儲、顯示和分析數據的能力，由筆記本電腦和USB線纜可連接6臺189DMM并組成數據記錄系統。189DMM具有0.025%的電壓讀數準確度和20多種不同的測量功能，大量的傳感器資源，使得組成的數據記錄系統比單個數字多用表更受用戶歡迎。
3、USB數字示波器
USB數字示波器是USB儀器的另一類產品,大部分是掌上型的結構,可與筆記本電腦組成便攜式數字示波器。目前有多種帶寬200MHz以下的產品可供選擇,最簡單的是單通道的筆型USB,再復雜一點的是雙通道掌上型USB數字示波器。它們避開已在示波器市場中占有優勢的臺式、便攜式、手持式數字示波器,另辟微型數字示波器天地,而且售價便宜,100至200美元可購得實用的產品。這類微型數字示波器的性能并不比手持式數字示波器的性能差,當然不能要求他們具有便攜式數字示波器那樣全面的指標。
Elan公司生產的一種筆型USB數字示波器USBScope50，具有100MHz模擬帶寬，8位分辨率，單次取樣率50MS/s，重復取樣率1GS/s，單通道輸入，輸入電壓量程0.3V/3V/30V，配用X10倍採頭（1MΩ/15pF），Windows98SE/2000/XP數字示波器軟件，輸入端與USB接口之間有300V的隔離保護，采用USB1.1或USB2.0接口。USBScope50沒有機械可調旋鈕和開關，全部電氣參數通過軟面板作程控調節。需要多路輸入時可堆疊多個同型號產品，通道間延時可程控調整至匹配，實現并行觸發。USBScope50實際上構成簡單的虛擬示波器，適于簡單的波形顯示。
Stingray公司的掌上型DS1M12屬于一機多用，是頻率響應較低的USB數字示波器，它采用分辨率12位和取樣率1MS/s的A/D轉換器，可在20MS/s重復取樣率下對兩路輸入信號同時取樣，模擬帶寬250KHz，每路輸入有32KB的波形存儲。提供兩種應用軟件：EasyScope用于數字示波器，EasyLogger用于數據采集。DS1M12具備數字示波器、數據記錄器、頻譜分析儀、數字電壓表、頻率計、任意波形發生器等多種功能。在Windows操作系統下可下載第三方的應用軟件，使用最通用的LabVIEW編程語言，提供Windows和Linux驅動器軟件。裝入EasyScope和EasyLogger兩種應用軟件后，DS1M12具有以下的主要性能：
◆在EasyScope軟件下，時基2μs/格至50ms/格（共14步進），垂直量程10mV/格至5V/格（共6步進），X和Y方向光標，度量顯示（Min/Max/平均/Vrms/F），頻譜顯示，測量結果下載，屏幕下載，波形發生（正弦、方波、三角波、鋸齒波、用戶自定義波形）。
◆在EasyLogger軟件下，取樣率（100K樣點/秒至100S/樣點），Y軸定標(mV/V/用戶定義),X軸定標(時間或樣點數),3種屏幕光標,4種彈出或Email告警,數據下載(CSV、BMP、文本、二進制)，調用歷史文檔，為使用者加注備忘錄。
◆硬件方面還有32KB波形存儲，脈沖參數觸發（邊緣、寬度、最大/最小），延時觸發，任意波形發生器（10位分辨率，±3.5V輸出），尺寸：116mm×30mm×100mm，重量：160克。
Acute公司的DS1000USB數字示波器是著重模擬帶寬的衣袋式PC基示波器，在USB2.0接口下工作，具備臺式數字示波器的大部分功能：
◆采用9位分辨率和200MS/s取樣率，5GS/s的等效取樣率，兩路輸入的靈敏度2mV/格至10V/格；
◆外觸發和TV觸發時，帶寬可以從200MHz限制成20MHz，脈沖參數觸發和復雜波形觸發；
◆最多可構成6路堆疊輸入，具有64K/512K樣點存儲容量，單次FFT變換、數學運算、記錄/回放等波形處理功能，互聯網控制；
◆數據輸出方式有WORD、EXCEL、HTML等。
4、USB的儀器擴展，實時同步控制
USB作為儀器系統接口時存在一定的限制，因為USB器件是獨立運行的，多個USB器件通過單一端口連接在一起時，它們之間沒有同步關系。USB總線的設計是基于異步的點對點結構，各器件無法實時協同工作。對于儀器系統來說，往往需要實時同步控制，此時只好放棄使用USB接口，而選擇VXI或PXI這些成本較高的接口。事實上，VXI和PXI都是PC總線的擴展，最重要的擴展內容就是增加了定時和同步功能。因此，借助USB接口的現有成果，增加定時和同步功能，擴大USB接口儀器的應用范圍被提上日程。最近Fiberbyte公司推出一種USBinSync(USB同步)技術，保留原有的USB總線的全部特性，增加了實時同步控制功能，擴大USB接口在儀器系統的應用，可視為USB接口的一項革新。它使USB總線轉換成為具有同步性、確定性和可擴展性的操作平臺，為儀器系統提供低成本、操作簡便的互連總線。USBinSync的主要特點如下：
可利用原來的標準USB電纜、端口、連接器、集線器等資源；
全部USBinSync器件連接到同一個USB端口，互相連鎖成為一個同步系統；
最多同步連接127個分立器件，同步時差在±5ns以內；
可選擇互連器件中任一USBinSync器件作為定時參考，用于控制其他器件；
具有即插即用功能，互連器件的同步控制和處理通過USB端口由PC機管理；
在數據采集時提供16位模擬輸入，16位數字I/O，以及數字觸發；
普通USB器件與USBinSync器件完全兼容，共同組成測量儀器系統；
PC主機需要運行WindowsXP或Windows2000操作系統，奔騰Ⅲ以上的處理器，128MB以上內存，10MB以上的硬盤空間，以及USB1.1以上的主控制器。
Fiberbyte公司已開始供應USBinSync數據采集系統，DAQ2500X是第一款產品，它有4個獨立的16位分辨率、取樣率100KS/s的模擬輸入通道，各通道內置獨立的A/D轉換器，強大的先入先出（FIFO）處理能力可實施突發同時取樣，4組A/D的100KS/s取樣率構成1MB/s的數據吞吐率，模塊同時支持程控的數字I/O和觸發，實現實時的數據采集。應該指出，USB接口是為多種類不同功能的器件并行工作而設計的，由PC主機通過異步總線對器件做順序交互處理，這種異步操作方式妨礙了器件之間的直接互動，建立多器件之間的同步和處理能力非常有限。使用USBinSync方式的DQA2500X擁有自己的局域時鐘，對PC的USB網絡內部的USBinSync器件建立相位鎖定。主集線器起著定時控制器的作用，實現器件之間的時間同步和數據處理，主集線器根據各器件的相位差做出相位補償，保證各器件完全同步工作。當組網器件數目變化時，定時和同步過程自動重新調整，只要Windows操作系統識別出新器件，立即建立同步關系。USBinSync技術還提供決定性的數字觸發，使測量系統的測試啟動和停止按照可控方式執行，而且可將定時和同步擴展到系統內的其他從集線器，建立起主—從集線器的定時和同步通道。
5、無線USB即將成為新成員
USB1.1和USB2.0的應用已經十分普遍，數字巨大。據不完全統計，現今有15億條USB線纜遍布不同的應用領域，到2006年這個數字將翻一番而超過30億條，主要來自隨身音頻產品、數碼相機、打印機、移動硬盤、閃存存儲體。新的筆記本電腦開始配置無線以太網，大量USB外設的應用也促使無線USB能夠早日進入市場，以減少USB器件與PC機的互連線纜。為了促進無線USB的發展，前幾年Agrere系統、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導體、三星電子等7家公司組成了無線USB促進組織（WUSUPG），目的是制訂無線USB規范。該組織得到100多家會員的支持，無線USB規范草案已在今年提交給了USBIF，預定在今年年底之前公布。首批符合無線USB標準的產品將以分立芯片方式出現，包括控制器芯片、適配器、收發器等，然后由更高集成度的單芯片來完成。
無線USB規范是構建在超寬帶（UWB）的無線多媒體（WiMedia）匯聚平臺上，亦即使用UWB作載體，發射和接收USB規范的信息。UWB短距離無線通信方式是無載波的超短脈沖序列調制波，占有GHz級的帶寬，UWB已成為IEEE802.15.3a標準。無線USB通過協議適配層與WiMedia匯聚平臺連接，構建一個與USB2.0兼容的應用軟件棧，分享UWB的射頻協議，并獲得IEEE802.15.3a的承認。通過UWB發射和接收的無線USB提供等同高速USB的數據傳輸率，在3m距離內帶寬達到480Mbps，10m距離內達到110Mbps。順便提及，測量儀器經常使用的IEEE1394接口的無線方式也是構建在UWB規范之上的。可以預見，將有更多設備通過UWB射頻進行無線收發，它們在WiMedia層匯聚，不管它們原來是什么協議的信號，經過匯聚層后都會轉換成相同的UWB信號，由UWB物理層發射，它們各自分享極寬的UWB射頻。UWB已被美國試用作為無需申請使用頻率許可的局域網短距離通信，分享UWB射頻的無線USB已取得滿意的無線收發效果，并保持USB2.0的特點，當然，由于非線纜的互連，USB2.0中的直流供電不再存在了。
無線USB用到測量儀器還要等待一段時間，首先需在PC機上使用和取得成功，并且成本降低到與USB2.0差不多，然后利用成熟的無線USB芯片制成無線USB儀器。同時，無線USB需獲得政府的無線電管理部門批準作為開放頻段，無線USB測量儀器才能普及。預計這段時間是2至3年，相信此時UWB技術同樣會取得進展，發射和接收距離將超過3m，無線USB亦相應獲益，在3m距離外保持480Mbps的數據傳輸率。
6、結束語
USB儀器進入測量儀器市場已經7年，早期進展較慢。自USB2.0高速接口推出后，USB儀器無論在品種、性能、應用等方面都以更快步伐前進，不僅局限于普通指標的USB儀器，已出現具有特色的更高檔次的USB儀器，如定時和同步擴展，GHz級時域反射計等。如果USB儀器的小型化和微型化取得成功，肯定會出現更多的微型測量儀器。無線USB儀器的面市，將使測量儀器的機動性得到提高。USB儀器開始成為測量儀器的主流，同時推動傳統儀器向小型化和微型化方向發展。
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