原创 USB仪器将成测量仪器主流

USB仪器将成测量仪器主流

作者：EEFOCUS    文章来源：EEFOCUS

摘要： USB是PC机的标准外设接口，拥有数以十亿计的安装量。自1998年出现USB数据采集仪器以来，数字示波器等多种多样微型USB仪器推出市场，形成具有自身特色的仪器族，开始进入测量仪器主流。

关键词： USB仪器,微型仪器,PC基仪器

USBbased  instruments reach test  and measurement mainstream status

Li Hua 

Abstract： USB is a standard PC interface. More than 10 billion USB ports have installed in electronic equipment. Since 1998 the USBbased Data Acquisition took off, more and more tiny DSO and other USBbased instruments introduced to market. At the present day USBbased instruments have become a new family and have reached the test and measurement mainstream status.

Keywords： USBbased instrument, tiny tester, PCbased instrument. 

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。