USB仪器将成测量仪器主流

摘要： USB是PC机的标准外设接口，拥有数以十亿计的安装量。自1998年出现USB数据采集仪器以来，数字示波器等多种多样微型USB仪器推出市场，形成具有自身特色的仪器族，开始进入测量仪器主流。 关键词： USB仪器微型仪器PC基仪器 USBbased instruments reach test and measurement mainstream status Li Hua Abstract： USB is a standard PC interface. More than 10 billion USB ports have installed in electronic equipment. Since 1998 the USBbased Data Acquisition took off, more and more tiny DSO and other USBbased instruments introduced to market. At the present day USBbased instruments have become a new family and have reached the test and measurement mainstream status. Keywords： USBbased instrument, tiny tester, PCbased instrument. 0引言 1993年英特尔公司的第五代微处理器奔腾问世，它使用的PCI总线达到32位，时钟33MHz，带宽达到132 MB/s ~264MB/s。1995年为解决PC机传统外设总线不能适应奔腾芯片的瓶颈，以PC供应商康柏、DEC、IBM和软件公司微软为首推出了通用串行总线（USB），成立USB实施论坛（USBIF），开始对USB进行推广和认证。USB1.1版的低速率是1.5Mbps，全速数据率是12Mbps，主控制器将总线传输时间划分为帧，每帧1ms，在帧时间内传输多个事务处理到多个器件上。USB总线的机械连接非常简单，电缆是4芯的屏蔽线，一对双绞线（D+，D-）传送信号，另一对双绞线（VBUS，电源地）传送+5V的直流电压；连接器有A型（或小A型）和B型（或小B型）两种。USB器件的即插即用（即热插拔）是一个优势，对用户来说，第一次插入USB器件时，通过手动或自动安装驱动程序后就可以使用该器件。一个USB主控制器端口最多可连接127个器件，各器件之间的距离不超过5米。2000年USB2.0版规范推出，将USB总线的数据率提高到480Mbps的高速，并向后兼容。在高速USB总线上，主控制器将每帧1ms再划分成8个微帧，每个微帧125μs，能完成更多事务处理，使总的数据率提高40倍。 USB接口规范将多种PC机外设具有相似特性的归纳为某一类，例如鼠标、键盘等属于HID类，音响产品属于Audio类，CD、硬盘、闪存属于Mass Storage类。微软的Windows操作系统为常用类别提供驱动程序，实现自动安装。不在Windows支持的USB器件（如测量仪器）需要提供自己的驱动程序，或者安装程序将有关应用和驱动程序打包在一起，一次性完成器件的安装。USBIF负责对符合USB接口规范的硬件和程序作认证，发给认证标志。驱动程序还可获得微软硬件设备质量（WHQL）认证，实现在Windows操作系统下的自动安装。 2000年后，台式PC都增加了USB接口，笔记本电脑甚至安装了两个USB接口。现在数以亿计的带有USB接口的PC机在运行，数以十亿计的PC机外设和其他设备，其中包括USB测量仪器使用USB接口。正是由于USB接口拥有大量PC机外设，使得USB接口的支持产品，包括控制器芯片、集成器和桥接器、电缆和连接器、驱动程序和安装程序、开发工具等非常普及，加上USB接口的安装方便、数据率较宽、容易扩展、即插即用、成本较低等特点，出现了更多使用USB接口的电子产品。 1新兴的USB测量仪器族 USB接口进入测量仪器是从1998年开始的，当时IOtech和NI两家公司首先在他们的数据采集仪器中使用了USB接口，随后许多著名仪器公司都接纳了USB接口。最简单的做法是增加USB作为外设接口，因为台式测量仪器大部分装有嵌入式微处理器，并且一部分台式测量仪器采用内置奔腾处理器的Windows平台，所以安装USB接口是顺理成章的事情。2000年，横河电机开始在数字示波器上安装USB接口，之后安捷伦、力科、泰克亦在数字示波器上配备USB接口。2003年，因为安捷伦和NI在广泛应用的虚拟仪器软件结构（VISA）的I/O层增加了对USB的支持，所以USB接口普遍被台式、便携式、模块式测量仪器接受为标准接口之一。传统的IEEE488接口仪器和RS232接口仪器可以通过USB-IEEE488和USB-RS232转换器与台式和笔记本电脑连接。 经过实际应用，证明USB接口在测量仪器中确实是简单方便和低成本的互连技术，它在数据采集系统取得了令人瞩目的成果。传统上，PC平台的数据采集系统卡需要占用ISA或PCI插槽，以及从插卡引出至传感器的大量线缆，数据采集增加时受PC机插槽数目、地址、中断等硬件和软件资源的限制，可扩展性较差，抗电磁干扰性能差，安装拆卸困难，成本并不经济。随着PC机配置USB接口和数据率的提高以及USB接口芯片价格的下降，使USB接插件和电缆较便宜，导致大量USB数据采集系统的推出，售价从100美元至1000美元，很受用户的欢迎。事实上，这种借助PC机配置的扩充总线或外设总线成果，用于测量仪器系统的成功经验已有先例，PCI、PXI、VXI和即将公布的LXI各种总线的仪器扩展应用，都充分发挥了PC机的普及率高、产品成本低、使用方便等显著特点。PC机市场比测量仪器市场大得多，投入的开发和制造资源极为丰富，这些都是优势，也是测量仪器业所不具备的。测量仪器业在20世纪60年代曾独立开发出GPIB总线（即IEEE488），它是惠普公司经10年努力获得的成果，值得注意的是IEEE488至今仍是台式仪器的首选总线。自IEEE488总线之后，NI公司提出虚拟仪器的概念，并借船出海，充分发挥PC机的硬件和软件资源用于测量仪器，成绩斐然，带动了测量仪器的发展。 但是，USB接口在测量仪器的扩展应用并无仪器公司或机构的推动，情况与IEEE488、VXI、PXI等总线有所不同，它们是有组织地制定规范和推广，对测量仪器业具有影响和促进。而USB仪器属于测量仪器公司的市场驱动，最初进展缓慢，近年产品明显增多，特别是在USB2.0发布后，USB测量仪器从数据采集向数字多用表、数字示波器、逻辑分析仪、任意波形发生器、数字化仪、协议分析仪等发展，形成多种多样的体积小型、移动轻便、价格实惠、性能适中的一类测量仪器实体。随着PC机的普及，测量仪器中出现一类PC基仪器，它借助插入PC机外设插槽的测量用卡和PC机资源构建成虚拟面板仪器，简称PCI仪器。笔记本PC和口袋式PC出现后，它们没有可供测量仪器使用的外设插槽，只有可供测量仪器使用的各种接口，包括软盘、硬盘、PC卡、红外、并行、串行、1394、以太网、USB等接口中的1种至4种。经过实际考验，USB仪器在中低档测量仪器中最受用户欢迎，形成一类USB仪器而进入测量仪器主流。 值得一提的是，USB仪器属于普及型的产品，它以即插即用和经济实惠而进入测量仪器市场，它的机械构件（如连接器、线缆）和电气特性（如定时、同步）都不是与IEEE488、VXI和PXI仪器处于同一水平上，同时，至今为止还没有USB仪器规范，只有USB规范。 2 USB数据采集器 USB仪器中以USB数据采集器面市最早，品种最多，从简单的模块至多插卡的机箱都有产品。简单的USB数据采集器模块一般具有8路以上模拟输入通道，12至14位分辨率，100KS/s以下的取样率，简单的测量和记录I/O。模块通过USB线缆与PC机USB端口连接，从CD盘下载驱动器程序后即可工作，来自传感器的模拟信号从模块接线排输入。为对比和了解这类低价位USB数据采集器的特性，《测试与测量世界》（TM&W）的高级技术编辑最近对3种低价位（150美元）的产品作了测试，它们分别是NI公司的USB6008、DT公司的DT9810和MC公司的PMD1208FS。其中USB6008的主要特性如下： ·8路单端模块输入，分辨率12位（差分）、11位（单端），取样率最高10KS/s，逐步渐近A/D转换器； ·输入电压量程±20V（差分）、±10V（单端），直流电源由USB接口供给（5V/200mA）； ·适用于Windows、Mac OS、Linux OS操作系统的驱动器，数据记录软件，即插即用安装软件，LabVIEW或C语言编程； ·数字I/O 12路，5MHz计数器； ·尺寸：63.5 mm×85.1 mm×23.1mm，重量：59克。 对比测试认为，它们的电学指标处于同等档次，只是DT9810的输入电压量程是+2.4V,更高输入电压量程要选用价位较高的USB产品。它们在软件方面略有差异，虽然都提供数据记录软件，用户从PC显示器可阅读存储的数据，但只有DT9810具有可控制模块的数字I/O口，而且提供示波器显示和数字多用表软件，以及Windows下的应用编程界面和LabVIEW虚拟仪器。PMD1208FS的Tracer DAQ软件可用EXCEL或有限文件格式存储和显示数据，提供示波器显示，并具有内部自校准能力。这类USB数据采集模块为工程技术人员和学生提供低价位、高质量、体积轻巧、连接简易的数据记录和采集工具。 中高档的USB数据采集器具有与PCI/VXI/PXI数据采集器基本相同的特性，例如16位分辨率，取样率为100KS/s级，32路模拟输入，32路数字I/O的产品。由于USB接口的互连比较简单，使中高档的USB数据采集器具有价格优势，当前生产PCI/VXI/PXI数据采集器的测量仪器公司都供应USB接口的同类产品。值得注意的是，还有数据采集公司生产独立机箱的内置数字信号处理器DSP接口和闪存体的USB数据采集系统，例如Hacker公司的USB2DAQ/DIO数据采集系统，由于具有很强的运算和控制能力，插卡式16至32路模拟输入，12至16位分辨率，100KS/s取样率，24位数字I/O线，每个机箱可配置12个插卡，适用于马达系统的实时控制。另外，生产数字多用表的顶级供应商同样重视USB接口的运用，吉时利公司推出KUSB3116数据采集模块，指标是8路模拟输入，16位分辨率，500KS/s取样率。福禄克公司在原来销量很多的189数字多用表上配置USB接口，增强数据记录功能，通过Fluke View 3.0软件包，使189DMM具有存储、显示和分析数据的能力，由笔记本电脑和USB线缆可连接6台189DMM并组成数据记录系统。189DMM具有0.025%的电压读数准确度和20多种不同的测量功能,大量的传感器资源,使得组成的数据记录系统比单个数字多用表更受用户欢迎。 3 USB数字示波器 USB数字示<