USB仪器将成测量仪器主流

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（USBIF），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MassStorage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。USBIF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USB6008、DT公司的DT9810和MC公司的PMD1208FS。
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