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USB儀器將成測量儀器主流

發布日期:2015年9月23日  瀏覽次數:
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132 MB/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(USBIF),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Mass Storage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。USBIF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,F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USB6008、DT公司的DT9810和MC公司的PMD1208FS。
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