USB儀器成測量儀器主流
加入技術交流群
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。現在數以億計的帶有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USB6008、DT公司的DT9810和MC公司的PMD1208FS。其中USB6008的主要特性如下：
·8路單端模塊輸入，分辨率12位（差分）、11位（單端），取樣率最高10KS/s，逐步漸近A/D轉換器；
·輸入電壓量程±20V（差分）、±10V（單端），直流電源由USB接口供給（5V/200mA）；
·適用于Windows、Mac OS、LinuxOS操作系統的驅動器，數據記錄軟件，即插即用安裝軟件；LabVIEW或C語言編程；
·數字I/O 12路，5MHz計數器；
·尺寸：63.5 mm×85.1 mm×23.1mm，重量：59克。
對比測試認為，它們的電學指標處于同等檔次，只是DT9810的輸入電壓量程是+2.4V,更高輸入電壓量程要選用價位較高的USB產品。它們在軟件方面略有差異，雖然都提供數據記錄軟件，用戶從PC顯示器可閱讀存儲的數據，但只有DT9810具有可控制模塊的數字I/O口，而且提供示波器顯示和數字多用表軟件，以及Windows下的應用編程界面和LabVIEW虛擬儀器。PMD1208FS的Tracer DAQ軟件可用EXCEL或有限文件格式存儲和顯示數據，提供示波器顯示，并具有內部自校準能力。這類USB數據采集模塊為工程技術人員和學生提供低價位、高質量、體積輕巧、連接簡易的數據記錄和采集工具。
中高檔的USB數據采集器具有與PCI/VXI/PXI數據采集器基本相同的特性，例如16位分辨率，取樣率為100KS/s級，32路模擬輸入，32路數字I/O的產品。由于USB接口的互連比較簡單，使中高檔的USB數據采集器具有價格優勢，當前生產PCI/VXI/PXI數據采集器的測量儀器公司都供應USB接口的同類產品。值得注意的是，還有數據采集公司生產獨立機箱的內置數字信號處理器DSP接口和閃存體的USB數據采集系統，例如Hacker公司的USB2DAQ/DIO數據采集系統，由于具有很強的運算和控制能力，插卡式16至32路模擬輸入，12至16位分辨率，100KS/s取樣率，24位數字I/O線，每個機箱可配置12個插卡，適用于馬達系統的實時控制。另外，生產數字多用表的頂級供應商同樣重視USB接口的運用，吉時利公司推出KUSB3116數據采集模塊，指標是8路模擬輸入，16位分辨率，500KS/s取樣率。福祿克公司在原來銷量很多的189數字多用表上配置USB接口，增強數據記錄功能，通過FlukeView 3.0軟件包，使189DMM具有存儲、顯示和分析數據的能力，由筆記本電腦和USB線纜可連接6臺189DMM并組成數據記錄系統。189DMM具有0.025%的電壓讀數準確度和20多種不同的測量功能,大量的傳感器資源,使得組成的數據記錄系統比單個數字多用表更受用戶歡迎。
評論