原创 基于USB数据采集设备的测量应用

基于USB数据采集设备的测量应用

作者：Chandran Nair   东盟区管理总监   美国国家仪器公司

USB的普遍采用以及USB规范的最新改进对于测量和自动化等许多其他应用也是很有帮助的,本文讨论USB及其在实现测量系统中的有效性的更多细节。 <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

        通用串行总线(USB，Universal Serial Bus)最初是为了将键盘、鼠标等外设连接到PC而设计的。近年来，USB的应用日益广泛。大部分PC和便携式电脑都配备有USB，而且当今的大部分操作系统都支持USB。事实证明，USB的普遍采用以及USB规范的最新改进对于测量和自动化等许多其他应用也是很有帮助的。

        传统上， 数据采集系统由独立的机箱设备通过串口或 GPIB接口与计算机连接组成。随着基于计算机的测量技术的出现，数据采集设备可以通过 PCI、ISA或 PXI连接到PC的数据总线。现在，越来越多的测量系统包含有通过USB总线连接的测量设备。本文的后续部分将讨论USB及其在实现测量系统中关于有效性的更多细节。

USB的技术特点

        USB标准是为简化外围设备与计算机的连接而开发的。USB 1.1规范规定的最大传输速率为12Mb/s，但USB的最新发展已极大地提高了这个速度。

        USB主机自动检测何时某个新设备被添加上去，并查询设备的身份，正确配置其驱动程序。由于总线拓扑结构的设计，一个端口最多可同时运行127个设备。相比之下，传统的端口在每个端口只支持一个设备。通过增加连接器(hub)，可以在一个USB主机上添加更多端口，为更多的外设建立连接。

        USB 2.0 规范根据传输速率将USB设备分为三类：

* 低速设备，例如键盘和鼠标，工作在1.5 Mb/s

* 全速设备，工作在12Mb/s

* 新的高速类设备传输速率可达480 Mb/s，比USB 1.1标准快40倍

        USB 2.0和1.1规范相比，影响测试和测量设备的主要区别是，增加了低延迟480 Mb/s传输，以及改进了主机软件规范。但USB 1.1兼容设备不会被淘汰，因为所有的USB 1.1设备都与USB 2.0标准兼容(它们被区分为全速或低速设备)。

        除了速度上的变化之外，新的高速协议还包含了一些其他的不同。本文不打算深入研究USB 2.0的技术细节，而将重点放在USB在测量应用中的使用方面。

        USB具有易于嵌入的特点。即插即用(plug & play)特性使得USB设备的配置很简便，由于与主机之间采用单根电缆连接，使USB设备非常便携。这些优势使得在数据采集中采用USB非常具有吸引力。

采用USB的测量应用

        虽然目前市场上的大部分数据采集设备使用的是PCI或 PXI总线，但USB总线正在迅速流行起来。2003年VDC公司(Venture Development Corporation)一份关于数据采集发展趋势的研究表明，几乎半数受访者计划在2007年前购买一件USB数据采集设备。虽然一般而言PCI和PXI数据采集设备具有更高的性能指标，但现在人们可以把USB数据采集与其他技术结合起来，在测量时充分发挥简单、便携和距离上的优势。

        USB比PCI和ISA等一些传统的内部PC总线更容易使用。采用USB的设备可以热拔插，免除了增减设备时必须关闭PC机的麻烦。USB总线还具有自动的设备检测能力，设备插入之后，操作系统软件会自动地检测、安装和配置该设备。

        高速数据和控制应用将得益于USB可以同步或异步地进行数据传输的能力。同步传输时，USB通过基于时间的数据包分发保证了带宽。同步传输可以保证一次传输在规定的时间长度内完成，但不能保证传输中没有误码。USB协议保证，请求了同步带宽的设备在每一帧中有预定数目的数据包。数据量庞大的应用通常要求同步带宽。

表1：采用传感器即插即用技术来替代传统数据采集系统时，系统的组装和配置步骤大大减少。

        测量和控制系统往往需要对事件进行响应的能力。USB允许任何设备产生一个异步事件。异步传输能保证准确发送，具有紧急消息需要传输的设备可以被给予最高的优先级别。异步传输应用包括发送控制消息和更改设备的参数。

USB和传感器即插即用简化了数据采集

        2004年5月，NI公司发起了一波“传感器即插即用”(Sensors Plug&Play)行动，在针对灵巧的TEDS (Transducer Electronic Data Sheet，传感器电子数据表) 传感器的IEEE 1451.4标准的基础上推出了一系列数据采集产品。通过采用传感器即插即用技术和新的USB数据采集设备，工程师和科学家们可以创建一个从传感器到软件的完整的即插即用数据采集系统。现在有许多厂商提供经过预先测试可以无缝地与传感器即插即用硬件共同工作的传感器，开发人员可以使用NI LabVIEW、Microsoft Visual Basic和C来开发软件应用，以迅速、方便地进行测量。读者可以在ni.com/sensors网址上找到有关灵巧传感器的更多信息。

        传感器即插即用与USB相结合，带来的好处是不仅降低了组建和配置的成本，而且还降低了编程的成本。

        下表显示了在有和没有传感器即插即用以及USB的两种情况下，组建和配置一个数据采集系统过程的对比。表说明1：采用传感器即插即用技术来替代传统数据采集系统时，系统的组装和配置步骤大大减少。由表可见，数据采集系统的组建时间可缩短50％。

USB和“远距离”数据采集应用

        远距离可能并不是USB技术的一项特性，因为USB规范将主机与设备之间，连接器与设备之间，以及主机与连接器之间的距离限制在<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />5m之内。USB规范还限制总层数不超过7层，这意味着用户可以通过最多使用5个连接器，将一个USB设备置于距离主机最远为30m的位置。

        不过，一些厂商开发出了新的技术，将主机与USB设备之间的距离扩展到了2km，同时仍然满足USB规范。扩展距离的两种主要方法为：

1) CAT5(以太网)电缆(100英尺到100m)：这类扩展器提供两个部件，即一个本地部件(主机一侧)和一个远端部件(设备一侧)，用CAT5电缆通过RJ45连接器进行连接。设备一侧的部件起着远端连接器的作用，而且常常具有多个端口。这是一种成本较低的USB扩展方案。提供这种技术的公司包括Network Technologies, Inc. (NTI)和Icron Technologies等。

2) 光纤电缆(230英尺到2km) ：这种方法采用与CAT5扩展器相同的概念，使用一个本地部件和一个远端部件。不同的是在这种方案中，二者通过光纤电缆进行连接，传输距离更远。这种方案的成本比CAT5更高。提供这种技术的公司包括Icron Technologies和Opticis等。

本文小结

        对于便携式测量或简单测量，USB数据采集已成为新的首选。随着USB数据采集设备继续减小体积和降低功耗，它们也变得更加便携和经济。通过兼容传感器即插即用特性和多种扩展技术，NI公司USB数据采集设备的功能更超越了它们自己本身。随着USB On-The-Go和无线USB等新技术的出现，未来USB在测量和自动化领域的应用必定无可限量。