USB:具有優(yōu)良性?xún)r(jià)比的單臺儀器接口

USB(通用串行總線(xiàn))作為PC機的外設總線(xiàn)，由于具有串行傳輸、即插即用、可熱插拔、配置方便、連接簡(jiǎn)單、兼有直流供電、傳輸率最高480 Mbps、價(jià)格大眾化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。每部臺式 PC 機和筆記本 PC都配備2個(gè)以上USB接口，除了大量PC外圍設備之外，便攜音視頻、移動(dòng)電話(huà)、消費電子等產(chǎn)品亦廣泛使用USB接口。自從2001年 PC開(kāi)始使用USB接口，它的安裝數逐年增猛，2006年的安裝數已超過(guò)20億套，至今總安裝數累計已超過(guò)50億套,USB接口成為最普及的、也是成本最低的 PC外設接口。

　　近年來(lái)，USB接口獲得測試測量?jì)x器業(yè)和用戶(hù)的認同，應用面從簡(jiǎn)單的附件式儀器擴大到中髙檔臺式儀器，它們直接使用這種PC外設接口作為儀器通信互連總線(xiàn)。雖然USB接口不是測試測量業(yè)的通用儀器標準接口，但它是筒單、經(jīng)濟、實(shí)效的非標準接口，成為單臺儀器接口的最佳選擇。

　　USB接口的儀器應用

　　現今，測試測量?jì)x器業(yè)共擁有四種開(kāi)放式儀器總線(xiàn)標準，它們是GPIB(IEEE488) 、VXI、PXI、LXI。其中GPIB是參考早期 PC 總線(xiàn)構建的儀器總線(xiàn), VXI、PXI都是由PC通用外設總線(xiàn)擴展而成的儀器總線(xiàn),而 LXI是以太網(wǎng)接口擴展而成的儀器接口。因為 PC外設總線(xiàn)和以太網(wǎng)應用面廣泛、性能價(jià)格比高，擴大到儀器應用具有因利乘便、事半功倍的效益。

　　四種儀器標準總線(xiàn)的目標是實(shí)現由臺式儀器和/或模塊儀器組成的通信網(wǎng)絡(luò ),顯然，它們用于單臺儀器是資源過(guò)剩,并不具有高性能價(jià)格比的優(yōu)勢。在USB接口未推出之前，單臺儀器與 PC 機的通信曾使用并行、串行、AT/XT、PCI、IEEE1394等總線(xiàn)接口，它們都不夠經(jīng)濟實(shí)用。例如與單臺儀器所用的GPIB接口相比，USB接口的成本不到前者的三分之一。當前USB接口已被測試測量?jì)x器供應商和用戶(hù)認可，成功地將這種 PC外設總線(xiàn)直接用作儀器總線(xiàn),而無(wú)需擴展的一個(gè)成功范例。

　　幾年前只有掌上式的功能較簡(jiǎn)單或頻率較低的USB儀器出現，例如數據采集器、數字示波器、數字多用表等 PC 附件式儀器，因為USB設備之間的通信必須通過(guò) PC主機來(lái)實(shí)現，而且USB接口的直流供電電流只有100 mA/5V，不能滿(mǎn)足復雜儀器的連接和供電。后來(lái)增加USB接口附屬條文OTG解決了設備之間的直接通信問(wèn)題，接著(zhù)USB標準1.0版本開(kāi)級至2.0 , 新標準的數據傳輸率從 12 Mbps增加至480Mbps, 擴大了USB接口在測試測量?jì)x器的應用范圍。隨著(zhù) PC時(shí)鐘頻率和外圍設備數據率的提高，今年USB接口準備增加直流供電電流值、連接器和集線(xiàn)器微型化、推出多種加固型連接器等有利于USB接口發(fā)展的新措施。

　　USB接口具備良好的組網(wǎng)能力，借助星形鏈可連接127個(gè)USB設備，每條連接電纜最長(cháng)5 m ，分級通過(guò)5個(gè)集線(xiàn)器的最長(cháng)距離可達30 m。通過(guò)USB接口組網(wǎng)為數據采集系統帶來(lái)許多方便，使系統的通道數和取樣速率大幅度提高。近兩年來(lái)，由于已使用四十年的 GPIB 總線(xiàn)將由新一代的 LXI總線(xiàn)代替，單臺臺式儀器開(kāi)始選用USB接口, 應用面擴大到中髙檔的臺式儀器。例如示波器業(yè)巨頭Tek公司的幾種經(jīng)濟型數字示波器, 如最高帶寬200 MHz和最高取樣率2GS/s 的TDS1000B和TDS2000B系列只配置USB接口，不再安裝 GPIB接口。實(shí)現即插即用的與 PC的無(wú)縫連接,簡(jiǎn)化數據收集、捕捉、分析的工作進(jìn)程，達到降低儀器成本、使儀器輕巧、提高生產(chǎn)效率的要求。數字示波器還提供外接設備的USB接口，可連接閃存和打印機, 作數據儲存、交換和現場(chǎng)升級之用。測試測量?jì)x器業(yè)的著(zhù)名公司，如引領(lǐng)LXI聯(lián)合體的安捷倫、引領(lǐng) PXI系統聯(lián)盟的NI等公司都生產(chǎn)USB儀器，包括單通道20 GHz微波功率計、中等特性的頻譜分析儀、光譜分析儀、取樣率1 MS/s的多通道數據采集系統等。而且使用 LXI或 PXI作為主要接口的模塊儀器，大部分都同時(shí)安裝USB接口作為輔助接口，以便擴大模塊儀器的連接能力。

　　USB總線(xiàn)特性還在提高，值得注意的有，一是無(wú)線(xiàn)USB(WUSB) 標準己經(jīng)通過(guò)，將可實(shí)現無(wú)線(xiàn)的USB儀器互連;二是USB的供電電流可從500 mA/5V 提高到6A/5V，便于更大功耗儀器的供電;三是準備再提高傳輸率，加快存儲媒體的數據交換能力。顯然，在今后幾年內USB總線(xiàn)將在試測量?jì)x器中發(fā)揮更大作用，擴大應用范國。

　　基于USB接口的儀器系統

　　USB儀器是作為PC機外設接入USB接口的，由USB總線(xiàn)與PC機建立主從通信聯(lián)系，同時(shí)從PC機接口獲取直流供電。實(shí)質(zhì)上，USB儀器就是虛擬儀器，它借助PC機實(shí)現接口控制、編寫(xiě)程序、數據處理、虛擬面板、數據存儲等測試測量?jì)x器的功能。

一個(gè)USB接口由三個(gè)元件組成，一是主控機(PC機或筆記本機)，二是USB設備(通過(guò)USB收發(fā)器芯片)，三是USB連接電纜 (四線(xiàn)或無(wú)直流供電的雙線(xiàn)電纜)。USB接口數據采用數據包傳送，每幀1 ms ，分成8個(gè)125 us 的微幀。PC 主控機啟動(dòng)對USB設備的數據傳輸時(shí)，最簡(jiǎn)單的作業(yè)需要三至四個(gè)數據包，即主機請求、數據傳送和主機確認信息。

　　向USB設備發(fā)送數據或從USB設備接收數據都要經(jīng)過(guò)USB設備端點(diǎn)(EP), EP 相當于單向開(kāi)關(guān)，只能單方向傳送數據。主控機PC與USB信息交換有四種基本傳輸模式：

　　1、中斷數據傳輸(INT)—要求定時(shí)和可靠地傳輸小量數據時(shí)使用

　　2、同步數據傳輸(ISO)—事前協(xié)商帶寬和允許有數據損失時(shí)使用

　　3、塊數據傳輸(BULK)—要求快速和無(wú)數據損失傳輸大量數據時(shí)使用

　　4、控制傳輸(CTL)—通常用于發(fā)送配置、命令、狀態(tài)等數據包

　　圖1USB儀器系統的方框圖

　　一個(gè)基于USB接口標準的儀器系統方框圖如圖1所示，為了便于說(shuō)明, 把它具體化為一臺通用的USB數據采集系統。圖中左邊方框是數據采集前端，收集傳感器等器件傳送來(lái)的模擬和/或數字輸出信號。圖中右邊方框是嵌入式處理器、通信和控制邏輯電路和一組EP。經(jīng)過(guò)數字處理后的多通道傳感器信號，按序列由各EP送到USB接口和電纜，最后輸入到主控 PC機。在構建USB儀器系統時(shí)，主要考慮圖中右邊的處理器、通信和控制邏輯的選擇：

　　·數據傳輸率—USB標準有1.5 Mbps (低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)三種速率，可根據輸入信號的最髙速率和主控 PC機能夠支持的數據率，權衡和選擇USB接口。

　　·PC 機的USB接口—臺式 PC和筆記本PC都有兩個(gè)以上USB接口分別稱(chēng)為主接口A和設備接口B。主接口A 連接 PC使用的USB外圍設備，如閃存、硬盤(pán)和其它外設。設備接口B用于連接USB儀器。

　　·因為USB接口標準沒(méi)有定義儀器的USB設備類(lèi)別，為了便于測試測量?jì)x的接入, 由USB-IF(USB實(shí)施者論壇)定義一個(gè)特別的設備類(lèi)別，稱(chēng)為測試測量?jì)x器類(lèi)別，簡(jiǎn)稱(chēng)(USBTMC)類(lèi)。USB-IF將USBTMC 設備設計成模擬GPIB(IEEE488.1) 總線(xiàn)的設備，因而原來(lái)大量 GPIB儀器使用的程序和驅動(dòng)器