可消除USB數據采集模塊潛在危險的方法

USB用于測試與測量應用的優(yōu)勢很多，但是在選擇USB數據采集模塊之前，仔細考慮目標應用。如果瞬時(shí)電壓或地電位差存在，通過(guò)選擇帶隔離措施的USB數據采集模塊可保護PC并保持信號數據的完整性。本文詳細分析了使用USB數據采集模塊的優(yōu)勢和潛在的危險，介紹了消除這種潛在危險的方法－隔離，并通過(guò)實(shí)際的應用案例了解隔離的不同作用。

由于USB的易用性，如今它已成為是計算機和電子工業(yè)增長(cháng)最快的總線(xiàn)之一。對于測試和測量應用，USB數據采集模塊具有幾個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)勢。但是要警惕，根據具體應用，它們可能也包含一些潛在的危險，甚至會(huì )導致災難性的后果。

圖1：典型的應用設置。

圖2 ：未隔離的USB數據采集模塊在ESD、閃電、電源浪涌的時(shí)候可能損害系統并導致數據不正確。

圖3 ：隔離的USB數據采集模塊應用。

圖4：不恰當的連接單端輸入可能損害你的系統并導致不正確的測量結果。

圖5：正確的單端輸入連接。

圖6：差分輸入被隔離，通過(guò)提供未連到大地的參考地源點(diǎn)消除了共模電壓誤差。

表1：不同分辨率的電壓范圍。

使用USB進(jìn)行測試和測量的優(yōu)勢

USB由于具備下面幾個(gè)優(yōu)勢，從而成為使用者開(kāi)發(fā)測試和測量測量應用的簡(jiǎn)單選擇。
1.真正的即插即用：使用標準的低成本線(xiàn)纜簡(jiǎn)單地將數據采集模塊和PC的USB端口相連。當模塊插入時(shí)，PC會(huì )自動(dòng)識別該模塊，并安裝必要的軟件來(lái)操作該模塊。這種連接方式極大地減少了啟動(dòng)時(shí)間。

2.不再需要打開(kāi)PC機箱來(lái)添加電路板、配置跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)和中斷設置、搜索正確的設備驅動(dòng)程序或者重啟系統，而是簡(jiǎn)單地將傳感器連接到模塊上就不用管了。幾分鐘內，就可不斷獲取數據、溫度、壓力、聲音等任何所需信息。

3.更少地被PC的噪聲影響：USB數據采集模塊為噪聲敏感的測量應用帶來(lái)性能優(yōu)勢。因為USB線(xiàn)纜通常長(cháng)度是1至5米，I/O電路距離計算機的充滿(mǎn)電磁噪聲的主板和電源距離更遠，而距離要測量的傳感器更近。

4.全速和高速傳輸速率：具有USB1.1端口的計算機能夠從USB數據采集模塊輸入和輸出數據，傳輸速度最高達到12Mbps。這種全速速率對于數據流應用很有用，能夠支持高達400KHz的數據采集速率。

對于高性能的應用，必須確保PC有一個(gè)高速的USB2.0端口。憑借 USB2.0，就能夠在PC和USB數據采集模塊間以最高達480Mbps的速度傳輸數據。這種增加的帶寬允許同時(shí)執行多路I/O操作，每路的流量速率可以高達500kHz，這種方式與PCI測量系統相似。

5.節約成本：許多USB數據采集模塊包含可移除的終端模塊或BNC連接器，這些器件用來(lái)方便地處理所有的用戶(hù)I/O連接。這種設計不僅僅使用方便，而且節省成本，因為你不再需要購買(mǎi)可選的螺絲固定的終端配件。

6.便攜性：USB數據采集模塊體積很小，方便攜帶，這使得使用者甚至能把最復雜的的測試與測量應用帶出實(shí)驗室，搬入現場(chǎng)。

7.容易擴展：使用低成本的擴展集線(xiàn)器和USB線(xiàn)纜，最多能連接127個(gè)數據采集模塊到一個(gè)USB端口上。

8.可熱插拔：USB數據采集模塊能在計算機運行時(shí)安裝或移除。只是使用時(shí)插上設備，完成工作后拔出設備，不需要關(guān)計算機了。因為USB模塊能自己計數和自己識別，當模塊插上后，設備驅動(dòng)自動(dòng)加載；當設備拔出后，設備驅動(dòng)自動(dòng)卸載。

9.簡(jiǎn)單的電源連接：USB數據采集模塊能通過(guò)USB總線(xiàn)或通過(guò)簡(jiǎn)單連接到外部電源獲得供電。低耗電的模塊在5V電壓下吸收少于100mA的電流，可通過(guò)USB線(xiàn)纜獲得供電。自身供電的模塊在5V電壓下吸收高達500mA的電流，使用模塊自己的電源。

USB用于測試與測量的潛在危險

盡管USB提供了許多優(yōu)勢，但不是所有的USB數據采集模塊都能采取一樣的的方式進(jìn)行設計。根據應用不同，可能存在潛在的危險，一款USB模塊設計可能造成災難性的后果。

不像PCI電路板具有到PC背板的距離很短的真實(shí)的地系統，USB模塊在線(xiàn)纜兩端有距離很長(cháng)的地連接(最長(cháng)達5米)和有源電路。如果模塊設計得不合適，這可能導致系統鎖死、性能不穩定和電磁干擾，這對噪聲敏感的測量是個(gè)重大問(wèn)題。

在選擇USB數據采集模塊之前，針對目標應用考慮以下一些問(wèn)題：

1.數據采集模塊易受靜電放電(ESD)、閃電或來(lái)自馬達、開(kāi)關(guān)設備或其他設備的電源浪涌的影響？

2.該應用是否涉及到具有不同地電位的電壓？

3.該模塊將在良好的環(huán)境下工作？

如果對以上問(wèn)題1或2的答案是肯定的，就需要確保你的系統具有隔離措施。隔離能保護PC免受損害，通過(guò)在電路間物理隔離電氣連接來(lái)保護你的數據完整性，即限制可能有害的電壓或電流經(jīng)過(guò)你的系統。也可通過(guò)給系統添加信號調理配件來(lái)提供隔離，這樣價(jià)格會(huì )很昂貴，或者一開(kāi)始就選擇帶隔離的USB數據采集模塊。