USB仪器将成测量仪器主流
发布于:2009-4-2 已被阅读: 次 

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数字示波器是USB仪器的另一类产品,大部分是掌上型的结构,可与笔记本电脑组成便携式数字示波器。目前有多种带宽200MHz以下的产品可供选择,最简单的是单通道的笔型USB,再复杂一点的是双通道掌上型USB数字示波器。它们避开已在示波器市场中占有优势的台式、便携式、手持式数字示波器,另辟微型数字示波器天地,而且售价便宜,100至200美元可购得实用的产品。这类微型数字示波器的性能并不比手持式数字示波器的性能差,当然不能要求他们具有便携式数字示波器那样全面的指标。

    Elan公司生产的一种笔型USB数字示波器USBScope50,具有100MHz模拟带宽,8位分辨率,单次取样率50MS/s,重复取样率1GS/s,单通道输入,输入电压量程0.3V/3V/30V,配用X10倍採头(1MΩ/15pF),Windows 98SE/2000/XP数字示波器软件,输入端与USB接口之间有300V的隔离保护,采用USB1.1或USB2.0接口。USBScope50没有机械可调旋钮和开关,全部电气参数通过软面板作程控调节。需要多路输入时可堆叠多个同型号产品,通道间延时可程控调整至匹配,实现并行触发。USBScope50实际上构成简单的虚拟示波器,适于简单的波形显示。

Stingray公司的掌上型DS1M12属于一机多用,是频率响应较低的USB数字示波器,它采用分辨率12位和取样率1MS/s的A/D转换器,可在20MS/s重复取样率下对两路输入信号同时取样,模拟带宽250KHz,每路输入有32KB的波形存储。提供两种应用软件:EasyScope用于数字示波器,EasyLogger用于数据采集。DS1M12具备数字示波器、数据记录器、频谱分析仪、数字电压表、频率计、任意波形发生器等多种功能。在Windows操作系统下可下载第三方的应用软件,使用最通用的LabVIEW编程语言,提供Windows和Linux驱动器软件。装入EasyScope和EasyLogger两种应用软件后,DS1M12具有以下的主要性能:

    ◆ 在EasyScope软件下,时基2μs/格至50ms/格(共14步进),垂直量程10mV/格至5V/格(共6步进),X和Y方向光标,度量显示(Min/Max/平均/Vrms/F),频谱显示,测量结果下载,屏幕下载,波形发生(正弦、方波、三角波、锯齿波、用户自定义波形)。

    ◆ 在EasyLogger软件下,取样率(100K样点/秒至100S/样点),Y轴定标(mV/V/用户定义),X轴定标(时间或样点数),3种屏幕光标,4种弹出或Email告警,数据下载(CSV、BMP、文本、二进制),调用历史文档,为使用者加注备忘录。

    ◆ 硬件方面还有32KB波形存储,脉冲参数触发(边缘、宽度、最大/最小),延时触发,任意波形发生器(10位分辨率,±3.5V输出),尺寸:116 mm×30 mm×100mm,重量:160克。

    Acute公司的DS1000USB数字示波器是着重模拟带宽的衣袋式PC基示波器,在USB2.0接口下工作,具备台式数字示波器的大部分功能:

    ◆ 采用9位分辨率和200MS/s取样率,5GS/s的等效取样率,两路输入的灵敏度2mV/格至10V/格;

    ◆ 外触发和TV触发时,带宽可以从200MHz限制成20MHz,脉冲参数触发和复杂波形触发;

    ◆ 最多可构成6路堆叠输入,具有64K/512K样点存储容量,单次FFT变换、数学运算、记录/回放等波形处理功能,互联网控制;

    ◆ 数据输出方式有WORD、EXCEL、HTML等。

    4、USB的仪器扩展,实时同步控制

    USB作为仪器系统接口时存在一定的限制,因为USB器件是独立运行的,多个USB器件通过单一端口连接在一起时,它们之间没有同步关系。USB总线的设计是基于异步的点对点结构,各器件无法实时协同工作。对于仪器系统来说,往往需要实时同步控制,此时只好放弃使用USB接口,而选择VXI或PXI这些成本较高的接口。事实上,VXI和PXI都是PC总线的扩展,最重要的扩展内容就是增加了定时和同步功能。因此,借助USB接口的现有成果,增加定时和同步功能,扩大USB接口仪器的应用范围被提上日程。最近Fiberbyte公司推出一种USBinSync(USB同步)技术,保留原有的USB总线的全部特性,增加了实时同步控制功能,扩大USB接口在仪器系统的应用,可视为USB接口的一项革新。它使USB总线转换成为具有同步性、确定性和可扩展性的操作平台,为仪器系统提供低成本、操作简便的互连总线。USBinSync的主要特点如下:

  • 可利用原来的标准USB电缆、端口、连接器、集线器等资源;
  • 全部USB inSync器件连接到同一个USB端口,互相连锁成为一个同步系统;
  • 最多同步连接127个分立器件,同步时差在±5ns以内;
  • 可选择互连器件中任一USBinSync器件作为定时参考,用于控制其他器件;
  • 具有即插即用功能,互连器件的同步控制和处理通过USB端口由PC机管理;
  • 在数据采集时提供16位模拟输入,16位数字I/O,以及数字触发;
  • 普通USB器件与USBinSync器件完全兼容,共同组成测量仪器系统;
  • PC主机需要运行Windows XP或Windows 2000操作系统,奔腾Ⅲ以上的处理器,128MB以上内存,10MB以上的硬盘空间,以及USB1.1以上的主控制器。

    Fiberbyte公司已开始供应USBinSync数据采集系统,DAQ2500X是第一款产品,它有4个独立的16位分辨率、取样率100KS/s的模拟输入通道,各通道内置独立的A/D转换器,强大的先入先出(FIFO)处理能力可实施突发同时取样,4组A/D的100KS/s取样率构成1MB/s的数据吞吐率,模块同时支持程控的数字I/O和触发,实现实时的数据采集。应该指出,USB接口是为多种类不同功能的器件并行工作而设计的,由PC主机通过异步总线对器件做顺序交互处理,这种异步操作方式妨碍了器件之间的直接互动,建立多器件之间的同步和处理能力非常有限。使用USBinSync方式的DQA2500X拥有自己的局域时钟,对PC的USB网络内部的USBinSync器件建立相位锁定。主集线器起着定时控制器的作用,实现器件之间的时间同步和数据处理,主集线器根据各器件的相位差做出相位补偿,保证各器件完全同步工作。当组网器件数目变化时,定时和同步过程自动重新调整,只要Windows操作系统识别出新器件,立即建立同步关系。USBinSync技术还提供决定性的数字触发,使测量系统的测试启动和停止按照可控方式执行,而且可将定时和同步扩展到系统内的其他从集线器,建立起主—从集线器的定时和同步通道。

    5、无线USB即将成为新成员

    USB1.1和USB2.0的应用已经十分普遍,数字巨大。据不完全统计,现今有15亿条USB线缆遍布不同的应用领域,到2006年这个数字将翻一番而超过30亿条,主要来自随身音频产品、数码相机、打印机、移动硬盘、闪存存储体。新的笔记本电脑开始配置无线以太网,大量USB外设的应用也促使无线USB能够早日进入市场,以减少USB器件与PC机的互连线缆。为了促进无线USB的发展,前几年Agrere系统、惠普、英特尔、微软、NEC、飞利浦半导体、三星电子等7家公司组成了无线USB促进组织(WUSUPG),目的是制订无线USB规范。该组织得到100多家会员的支持,无线USB规范草案已在今年提交给了USBIF,预定在今年年底之前公布。首批符合无线USB标准的产品将以分立芯片方式出现,包括控制器芯片、适配器、收发器等,然后由更高集成度的单芯片来完成。

    无线USB规范是构建在超宽带(UWB)的无线多媒体(WiMedia)汇聚平台上,亦即使用UWB作载体,发射和接收USB规范的信息。UWB短距离无线通信方式是无载波的超短脉冲序列调制波,占有GHz级的带宽,UWB已成为IEEE802.15.3a标准。无线USB通过协议适配层与WiMedia汇聚平台连接,构建一个与USB2.0兼容的应用软件栈,分享UWB的射频协议,并获得IEEE802.15.3a的承认。通过UWB发射和接收的无线USB提供等同高速USB的数据传输率,在3m距离内带宽达到480Mbps,10m距离内达到110Mbps。顺便提及,测量仪器经常使用的IEEE1394接口的无线方式也是构建在UWB规范之上的。可以预见,将有更多设备通过UWB射频进行无线收发,它们在WiMedia层汇聚,不管它们原来是什么协议的信号,经过汇聚层后都会转换成相同的UWB信号,由UWB物理层发射,它们各自分享极宽的UWB射频。UWB已被美国试用作为无需申请使用频率许可的局域网短距离通信,分享UWB射频的无线USB已取得满意的无线收发效果,并保持USB2.0的特点,当然,由于非线缆的互连,USB2.0中的直流供电不再存在了。

    无线USB用到测量仪器还要等待一段时间,首先需在PC机上使用和取得成功,并且成本降低到与USB2.0差不多,然后利用成熟的无线USB芯片制成无线USB仪器。同时,无线USB需获得政府的无线电管理部门批准作为开放频段,无线USB测量仪器才能普及。预计这段时间是2至3年,相信此时UWB技术同样会取得进展,发射和接收距离将超过3m,无线USB亦相应获益,在3m距离外保持480Mbps的数据传输率。

    6、结束语

    USB仪器进入测量仪器市场已经7年,早期进展较慢。自USB2.0高速接口推出后,USB仪器无论在品种、性能、应用等方面都以更快步伐前进,不仅局限于普通指标的USB仪器,已出现具有特色的更高档次的USB仪器,如定时和同步扩展,GHz级时域反射计等。如果USB仪器的小型化和微型化取得成功,肯定会出现更多的微型测量仪器。无线USB仪器的面市,将使测量仪器的机动性得到提高。USB仪器开始成为测量仪器的主流,同时推动传统仪器向小型化和微型化方向发展。

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