USB儀器成測量儀器主流
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3 USB數字示波器
USB數字示波器是USB儀器的另一類產品,大部分是掌上型的結構,可與筆記本電腦組成便攜式數字示波器。目前有多種帶寬200MHz以下的產品可供選擇,最簡單的是單通道的筆型USB,再復雜一點的是雙通道掌上型USB數字示波器。它們避開已在示波器市場中占有優勢的臺式、便攜式、手持式數字示波器,另辟微型數字示波器天地,而且售價便宜,100至200美元可購得實用的產品。這類微型數字示波器的性能并不比手持式數字示波器的性能差,當然不能要求他們具有便攜式數字示波器那樣全面的指標。
Elan公司生產的一種筆型USB數字示波器USBScope50，具有100MHz模擬帶寬，8位分辨率，單次取樣率50MS/s，重復取樣率1GS/s，單通道輸入，輸入電壓量程0.3V/3V/30V，配用X10倍採頭（1MΩ/15pF），Windows 98SE/2000/XP數字示波器軟件，輸入端與USB接口之間有300V的隔離保護，采用USB1.1或USB2.0接口。USBScope50沒有機械可調旋鈕和開關，全部電氣參數通過軟面板作程控調節。需要多路輸入時可堆疊多個同型號產品，通道間延時可程控調整至匹配，實現并行觸發。USBScope50實際上構成簡單的虛擬示波器，適于簡單的波形顯示。
Stingray公司的掌上型DS1M12屬于一機多用，是頻率響應較低的USB數字示波器，它采用分辨率12位和取樣率1MS/s的A/D轉換器，可在20MS/s重復取樣率下對兩路輸入信號同時取樣，模擬帶寬250KHz，每路輸入有32KB的波形存儲。提供兩種應用軟件：EasyScope用于數字示波器，EasyLogger用于數據采集。DS1M12具備數字示波器、數據記錄器、頻譜分析儀、數字電壓表、頻率計、任意波形發生器等多種功能。在Windows操作系統下可下載第三方的應用軟件，使用最通用的LabVIEW編程語言，提供Windows和Linux驅動器軟件。裝入EasyScope和EasyLogger兩種應用軟件后，DS1M12具有以下的主要性能：
·在EasyScope軟件下，時基2μs/格至50ms/格（共14步進），垂直量程10mV/格至5V/格（共6步進），X和Y方向光標，度量顯示（Min/Max/平均/Vrms/F），頻譜顯示，測量結果下載，屏幕下載，波形發生（正弦、方波、三角波、鋸齒波、用戶自定義波形）。
·在EasyLogger軟件下，取樣率（100K樣點/秒至100S/樣點），Y軸定標(mV/V/用戶定義),
X軸定標(時間或樣點數),3種屏幕光標,4種彈出或E?mail告警,數據下載(CSV、BMP、文本、二進制)，調用歷史文檔，為使用者加注備忘錄。
·硬件方面還有32KB波形存儲，脈沖參數觸發（邊緣、寬度、最大/最小），延時觸發，任意波形發生器（10位分辨率，±3.5V輸出），尺寸：116 mm×30 mm×100mm，重量：160克。
Acute公司的DS?1000USB數字示波器是著重模擬帶寬的衣袋式PC基示波器，在USB2.0接口下工作，具備臺式數字示波器的大部分功能：
·采用9位分辨率和200MS/s取樣率，5GS/s的等效取樣率，兩路輸入的靈敏度2mV/格至10V/格；
·外觸發和TV觸發時，帶寬可以從200MHz限制成20MHz，脈沖參數觸發和復雜波形觸發；
·最多可構成6路堆疊輸入，具有64K/512K樣點存儲容量，單次FFT變換、數學運算、記錄/回放等波形處理功能，互聯網控制；
·數據輸出方式有WORD、EXCEL、HTML等。
4 USB的儀器擴展，實時同步控制
USB作為儀器系統接口時存在一定的限制，因為USB器件是獨立運行的，多個USB器件通過單一端口連接在一起時，它們之間沒有同步關系。USB總線的設計是基于異步的點對點結構，各器件無法實時協同工作。對于儀器系統來說，往往需要實時同步控制，此時只好放棄使用USB接口，而選擇VXI或PXI這些成本較高的接口。事實上，VXI和PXI都是PC總線的擴展，最重要的擴展內容就是增加了定時和同步功能。因此，借助USB接口的現有成果，增加定時和同步功能，擴大USB接口儀器的應用范圍被提上日程。最近Fiberbyte公司推出一種USB?inSync(USB同步)技術，保留原有的USB總線的全部特性，增加了實時同步控制功能，擴大USB接口在儀器系統的應用，可視為USB接口的一項革新。它使USB總線轉換成為具有同步性、確定性和可擴展性的操作平臺，為儀器系統提供低成本、操作簡便的互連總線。USB?inSync的主要特點如下：
·可利用原來的標準USB電纜、端口、連接器、集線器等資源；
·全部USB inSync器件連接到同一個USB端口，互相連鎖成為一個同步系統；
·最多同步連接127個分立器件，同步時差在±5ns以內；
·可選擇互連器件中任一USB?inSync器件作為定時參考，用于控制其他器件；
·具有即插即用功能，互連器件的同步控制和處理通過USB端口由PC機管理；
·在數據采集時提供16位模擬輸入，16位數字I/O，以及數字觸發；
·普通USB器件與USB inSync器件完全兼容，共同組成測量儀器系統；
·PC主機需要運行Windows XP或Windows 2000操作系統，奔騰Ⅲ以上的處理器，128MB以上內存，10MB以上的硬盤空間，以及USB1.1以上的主控制器。
Fiberbyte公司已開始供應USBinSync數據采集系統，DAQ2500X是第一款產品，它有4個獨立的16位分辨率、取樣率100KS/s的模擬輸入通道，各通道內置獨立的A/D轉換器，強大的先入先出（FIFO）處理能力可實施突發同時取樣，4組A/D的100KS/s取樣率構成1MB/s的數據吞吐率，模塊同時支持程控的數字I/O和觸發，實現實時的數據采集。應該指出，USB接口是為多種類不同功能的器件并行工作而設計的，由PC主機通過異步總線對器件做順序交互處理，這種異步操作方式妨礙了器件之間的直接互動，建立多器件之間的同步和處理能力非常有限。使用USBinSync方式的DQA2500X擁有自己的局域時鐘，對PC的USB網絡內部的USBinSync器件建立相位鎖定。主集線器起著定時控制器的作用，實現器件之間的時間同步和數據處理，主集線器根據各器件的相位差做出相位補償，保證各器件完全同步工作。當組網器件數目變化時，定時和同步過程自動重新調整，只要Windows操作系統識別出新器件，立即建立同步關系。USBinSync技術還提供決定性的數字觸發，使測量系統的測試啟動和停止按照可控方式執行，而且可將定時和同步擴展到系統內的其他從集線器，建立起主—從集線器的定時和同步通道。
5 無線USB即將成為新成員
USB1.1和USB2.0的應用已經十分普遍，數字巨大。據不完全統計，現今有15億條USB線纜遍布不同的應用領域，到2006年這個數字將翻一番而超過30億條，主要來自隨身音頻產品、數碼相機、打印機、移動硬盤、閃存存儲體。新的筆記本電腦開始配置無線以太網，大量USB外設的應用也促使無線USB能夠早日進入市場，以減少USB器件與PC機的互連線纜。為了促進無線USB的發展，前幾年Agrere系統、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導體、三星電子等7家公司組成了無線USB促進組織（WUSUPG），目的是制訂無線USB規范。該組織得到100多家會員的支持，無線USB規范草案已在今年提交給了USBIF，預定在今年年底之前公布。首批符合無線USB標準的產品將以分立芯片方式出現，包括控制器芯片、適配器、收發器等，然后由更高集成度的單芯片來完成。
無線USB規范是構建在超寬帶（UWB）的無線多媒體（WiMedia）匯聚平臺上，亦即使用UWB作載體，發射和接收USB規范的信息。UWB短距離無線通信方式是無載波的超短脈沖序列調制波，占有GHz級的帶寬，UWB已成為IEEE802.15.3a標準。無線USB通過協議適配層與WiMedia匯聚平臺連接，構建一個與USB2.0兼容的應用軟件棧，分享UWB的射頻協議，并獲得IEEE802.15.3a的承認。通過UWB發射和接收的無線USB提供等同高速USB的數據傳輸率，在3m距離內帶寬達到480Mbps，10m距離內達到110Mbps。順便提及，測量儀器經常使用的IEEE1394接口的無線方式也是構建在UWB規范之上的。可以預見，將有更多設備通過UWB射頻進行無線收發，它們在WiMedia層匯聚，不管它們原來是什么協議的信號，經過匯聚層后都會轉換成相同的UWB信號，由UWB物理層發射，它們各自分享極寬的UWB射頻。UWB已被美國試用作為無需申請使用頻率許可的局域網短距離通信，分享UWB射頻的無線USB已取得滿意的無線收發效果，并保持USB2.0的特點，當然，由于非線纜的互連，USB2.0中的直流供電不再存在了。
無線USB用到測量儀器還要等待一段時間，首先需在PC機上使用和取得成功，并且成本降低到與USB2.0差不多，然后利用成熟的無線USB芯片制成無線USB儀器。同時，無線USB需獲得政府的無線電管理部門批準作為開放頻段，無線USB測量儀器才能普及。預計這段時間是2至3年，相信此時UWB技術同樣會取得進展，發射和接收距離將超過3m，無線USB亦相應獲益，在3m距離外保持480Mbps的數據傳輸率。
6 結束語
USB儀器進入測量儀器市場已經7年，早期進展較慢。自USB2.0高速接口推出后，USB儀器無論在品種、性能、應用等方面都以更快步伐前進，不僅局限于普通指標的USB儀器，已出現具有特色的更高檔次的USB儀器，如定時和同步擴展，GHz級時域反射計等。如果USB儀器的小型化和微型化取得成功，肯定會出現更多的微型測量儀器。無線USB儀器的面市，將使測量儀器的機動性得到提高。USB儀器開始成為測量儀器的主流，同時推動傳統儀器向小型化和微型化方向發展。
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