可消除USB數(shù)據(jù)采集模塊潛在危險(xiǎn)的方法

USB用于測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)很多，但是在選擇USB數(shù)據(jù)采集模塊之前，仔細(xì)考慮目標(biāo)應(yīng)用。如果瞬時(shí)電壓或地電位差存在，通過(guò)選擇帶隔離措施的USB數(shù)據(jù)采集模塊可保護(hù)PC并保持信號(hào)數(shù)據(jù)的完整性。本文詳細(xì)分析了使用USB數(shù)據(jù)采集模塊的優(yōu)勢(shì)和潛在的危險(xiǎn)，介紹了消除這種潛在危險(xiǎn)的方法－隔離，并通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用案例了解隔離的不同作用。

由于USB的易用性，如今它已成為是計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)增長(zhǎng)最快的總線之一。對(duì)于測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用，USB數(shù)據(jù)采集模塊具有幾個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。但是要警惕，根據(jù)具體應(yīng)用，它們可能也包含一些潛在的危險(xiǎn)，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性的后果。

圖1：典型的應(yīng)用設(shè)置。

圖2 ：未隔離的USB數(shù)據(jù)采集模塊在ESD、閃電、電源浪涌的時(shí)候可能損害系統(tǒng)并導(dǎo)致數(shù)據(jù)不正確。

圖3 ：隔離的USB數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用。

圖4：不恰當(dāng)?shù)倪B接單端輸入可能損害你的系統(tǒng)并導(dǎo)致不正確的測(cè)量結(jié)果。

圖5：正確的單端輸入連接。

圖6：差分輸入被隔離，通過(guò)提供未連到大地的參考地源點(diǎn)消除了共模電壓誤差。

表1：不同分辨率的電壓范圍。

使用USB進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

USB由于具備下面幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，從而成為使用者開(kāi)發(fā)測(cè)試和測(cè)量測(cè)量應(yīng)用的簡(jiǎn)單選擇。
1.真正的即插即用：使用標(biāo)準(zhǔn)的低成本線纜簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)采集模塊和PC的USB端口相連。當(dāng)模塊插入時(shí)，PC會(huì)自動(dòng)識(shí)別該模塊，并安裝必要的軟件來(lái)操作該模塊。這種連接方式極大地減少了啟動(dòng)時(shí)間。

2.不再需要打開(kāi)PC機(jī)箱來(lái)添加電路板、配置跳線開(kāi)關(guān)和中斷設(shè)置、搜索正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或者重啟系統(tǒng)，而是簡(jiǎn)單地將傳感器連接到模塊上就不用管了。幾分鐘內(nèi)，就可不斷獲取數(shù)據(jù)、溫度、壓力、聲音等任何所需信息。

3.更少地被PC的噪聲影響：USB數(shù)據(jù)采集模塊為噪聲敏感的測(cè)量應(yīng)用帶來(lái)性能優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閁SB線纜通常長(zhǎng)度是1至5米，I/O電路距離計(jì)算機(jī)的充滿電磁噪聲的主板和電源距離更遠(yuǎn)，而距離要測(cè)量的傳感器更近。

4.全速和高速傳輸速率：具有USB1.1端口的計(jì)算機(jī)能夠從USB數(shù)據(jù)采集模塊輸入和輸出數(shù)據(jù)，傳輸速度最高達(dá)到12Mbps。這種全速速率對(duì)于數(shù)據(jù)流應(yīng)用很有用，能夠支持高達(dá)400KHz的數(shù)據(jù)采集速率。

對(duì)于高性能的應(yīng)用，必須確保PC有一個(gè)高速的USB2.0端口。憑借 USB2.0，就能夠在PC和USB數(shù)據(jù)采集模塊間以最高達(dá)480Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種增加的帶寬允許同時(shí)執(zhí)行多路I/O操作，每路的流量速率可以高達(dá)500kHz，這種方式與PCI測(cè)量系統(tǒng)相似。

5.節(jié)約成本：許多USB數(shù)據(jù)采集模塊包含可移除的終端模塊或BNC連接器，這些器件用來(lái)方便地處理所有的用戶I/O連接。這種設(shè)計(jì)不僅僅使用方便，而且節(jié)省成本，因?yàn)槟悴辉傩枰?gòu)買(mǎi)可選的螺絲固定的終端配件。

6.便攜性：USB數(shù)據(jù)采集模塊體積很小，方便攜帶，這使得使用者甚至能把最復(fù)雜的的測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用帶出實(shí)驗(yàn)室，搬入現(xiàn)場(chǎng)。

7.容易擴(kuò)展：使用低成本的擴(kuò)展集線器和USB線纜，最多能連接127個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊到一個(gè)USB端口上。

8.可熱插拔：USB數(shù)據(jù)采集模塊能在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)安裝或移除。只是使用時(shí)插上設(shè)備，完成工作后拔出設(shè)備，不需要關(guān)計(jì)算機(jī)了。因?yàn)閁SB模塊能自己計(jì)數(shù)和自己識(shí)別，當(dāng)模塊插上后，設(shè)備驅(qū)動(dòng)自動(dòng)加載；當(dāng)設(shè)備拔出后，設(shè)備驅(qū)動(dòng)自動(dòng)卸載。

9.簡(jiǎn)單的電源連接：USB數(shù)據(jù)采集模塊能通過(guò)USB總線或通過(guò)簡(jiǎn)單連接到外部電源獲得供電。低耗電的模塊在5V電壓下吸收少于100mA的電流，可通過(guò)USB線纜獲得供電。自身供電的模塊在5V電壓下吸收高達(dá)500mA的電流，使用模塊自己的電源。

USB用于測(cè)試與測(cè)量的潛在危險(xiǎn)

盡管USB提供了許多優(yōu)勢(shì)，但不是所有的USB數(shù)據(jù)采集模塊都能采取一樣的的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用不同，可能存在潛在的危險(xiǎn)，一款USB模塊設(shè)計(jì)可能造成災(zāi)難性的后果。

不像PCI電路板具有到PC背板的距離很短的真實(shí)的地系統(tǒng)，USB模塊在線纜兩端有距離很長(zhǎng)的地連接(最長(zhǎng)達(dá)5米)和有源電路。如果模塊設(shè)計(jì)得不合適，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)鎖死、性能不穩(wěn)定和電磁干擾，這對(duì)噪聲敏感的測(cè)量是個(gè)重大問(wèn)題。

在選擇USB數(shù)據(jù)采集模塊之前，針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用考慮以下一些問(wèn)題：

1.數(shù)據(jù)采集模塊易受靜電放電(ESD)、閃電或來(lái)自馬達(dá)、開(kāi)關(guān)設(shè)備或其他設(shè)備的電源浪涌的影響？

2.該應(yīng)用是否涉及到具有不同地電位的電壓？

3.該模塊將在良好的環(huán)境下工作？

如果對(duì)以上問(wèn)題1或2的答案是肯定的，就需要確保你的系統(tǒng)具有隔離措施。隔離能保護(hù)PC免受損害，通過(guò)在電路間物理隔離電氣連接來(lái)保護(hù)你的數(shù)據(jù)完整性，即限制可能有害的電壓或電流經(jīng)過(guò)你的系統(tǒng)。也可通過(guò)給系統(tǒng)添加信號(hào)調(diào)理配件來(lái)提供隔離，這樣價(jià)格會(huì)很昂貴，或者一開(kāi)始就選擇帶隔離的USB數(shù)據(jù)采集模塊。