測量儀器發(fā)展新趨勢 USB儀器將成主流

     USB是PC機的標準外設(shè)接口，擁有數(shù)以十億計的安裝量。自1998年出現(xiàn)USB數(shù)據(jù)采集儀器以來，數(shù)字示波器等多種多樣微型USB儀器推出市場，形成具有自身特色的儀器族，開始進入測量儀器主流。 
    0、引言 

    1993年英特爾公司的第五代微處理器奔騰問世，它使用的PCI總線達到32位，時鐘33MHz，帶寬達到132MB/s~264MB/s。1995年為解決PC機傳統(tǒng)外設(shè)總線不能適應(yīng)奔騰芯片的瓶頸，以PC供應(yīng)商康柏、DEC、IBM和軟件公司微軟為首推出了通用串行總線（USB），成立USB實施論壇（USBIF），開始對USB進行推廣和認證。USB1.1版的低速率是1.5Mbps，全速數(shù)據(jù)率是12Mbps，主控制器將總線傳輸時間劃分為幀，每幀1ms，在幀時間內(nèi)傳輸多個事務(wù)處理到多個器件上。USB總線的機械連接非常簡單，電纜是4芯的屏蔽線，一對雙絞線（D+，D-）傳送信號，另一對雙絞線（VBUS，電源地）傳送+5V的直流電壓；連接器有A型（或小A型）和B型（或小B型）兩種。USB器件的即插即用（即熱插拔）是一個優(yōu)勢，對用戶來說，第一次插入USB器件時，通過手動或自動安裝驅(qū)動程序后就可以使用該器件。一個USB主控制器端口最多可連接127個器件，各器件之間的距離不超過5米。2000年USB2.0版規(guī)范推出，將USB總線的數(shù)據(jù)率提高到480Mbps的高速，并向后兼容。在高速USB總線上，主控制器將每幀1ms再劃分成8個微幀，每個微幀125μs，能完成更多事務(wù)處理，使總的數(shù)據(jù)率提高40倍。 

    USB接口規(guī)范將多種PC機外設(shè)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(chǎn)品屬于Audio類，CD、硬盤、閃存屬于MassStorage類。微軟的Windows操作系統(tǒng)為常用類別提供驅(qū)動程序，實現(xiàn)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(qū)動程序，或者安裝程序?qū)⒂嘘P(guān)應(yīng)用和驅(qū)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(guī)范的硬件和程序作認證，發(fā)給認證標志。驅(qū)動程序還可獲得微軟硬件設(shè)備質(zhì)量（WHQL）認證，實現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)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?，F(xiàn)在數(shù)以億計的帶有USB接口的PC機在運行，數(shù)以十億計的PC機外設(shè)和其他設(shè)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(shè)，使得USB接口的支持產(chǎn)品，包括控制器芯片、集成器和橋接器、電纜和連接器、驅(qū)動程序和安裝程序、開發(fā)工具等非常普及，加上USB接口的安裝方便、數(shù)據(jù)率較寬、容易擴展、即插即用、成本較低等特點，出現(xiàn)了更多使用USB接口的電子產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shè)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(nèi)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(shù)字示波器上安裝USB接口，之后安捷倫、力科、泰克亦在數(shù)字示波器上配備USB接口。2003年，因為安捷倫和NI在廣泛應(yīng)用的虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（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(tǒng)的IEEE488接口儀器和RS232接口儀器可以通過USB-IEEE488和USB-RS232轉(zhuǎn)換器與臺式和筆記本電腦連接。 

    經(jīng)過實際應(yīng)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(shù)，它在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得了令人矚目的成果。傳統(tǒng)上，PC平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集增加時受PC機插槽數(shù)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(jīng)濟。隨著PC機配置USB接口和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shè)總線成果，用于測量儀器系統(tǒng)的成功經(jīng)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(yīng)用，都充分發(fā)揮了PC機的普及率高、產(chǎn)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(fā)和制造資源極為豐富，這些都是優(yōu)勢，也是測量儀器業(yè)所不具備的。測量儀器業(yè)在20世紀60年代曾獨立開發(fā)出GPIB總線（即IEEE488），它是惠普公司經(jīng)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(fā)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(fā)展。 

    但是，USB接口在測量儀器的擴展應(yīng)用并無儀器公司或機構(gòu)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(guī)范和推廣，對測量儀器業(yè)具有影響和促進。而USB儀器屬于測量儀器公司的市場驅(qū)動，最初進展緩慢，近年產(chǎn)品明顯增多，特別是在USB2.0發(fā)布后，USB測量儀器從數(shù)據(jù)采集向數(shù)字多用表、數(shù)字示波器、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、數(shù)字化儀、協(xié)議分析儀等發(fā)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(xiàn)一類PC基儀器，它借助插入PC機外設(shè)插槽的測量用卡和PC機資源構(gòu)建成虛擬面板儀器，簡稱PCI儀器。筆記本PC和口袋式PC出現(xiàn)后，它們沒有可供測量儀器使用的外設(shè)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(wǎng)、USB等接口中的1種至4種。經(jīng)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(chǎn)品，它以即插即用和經(jīng)濟實惠而進入測量儀器市場，它的機械構(gòu)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(guī)范，只有USB規(guī)范。

   2、USB數(shù)據(jù)采集器 

    USB儀器中以USB數(shù)據(jù)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(chǎn)品。簡單的USB數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)據(jù)采集器的特性，《測試與測量世界》（TM&W）的高級技術(shù)編輯最近對3種低價位（150美元）的產(chǎn)品作了測試，它們分別是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(zhuǎn)換器； 

    輸入電壓量程