用USB做為數(shù)據(jù)采集接口

USB（通用串行總線）已成為消費(fèi)類應(yīng)用中的低成本PC接口標(biāo)準(zhǔn)。但最近它成為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中一種流行接口。
USB1.1與USB2.0
USB2.0是USB規(guī)范的最新版本。為了保持與現(xiàn)有器件向后的兼容，USB2.0操作規(guī)范是USB1.1規(guī)范的高級(jí)形式。USB2.0可以做USB1.1的每件工作，它與USB1.1是完全兼容的。另外，USB2.0支持更快的傳輸。USB2.0的最高數(shù)據(jù)傳輸率是480Mb/s，這比USB1.1所支持的最高速度快40倍。
數(shù)據(jù)傳輸模式
USB可用在大量的應(yīng)用中，為此，USB開發(fā)者已建立了4種不同的數(shù)據(jù)模式：控制、中斷、集群和同步模式。每種模式都有優(yōu)、缺點(diǎn)，而應(yīng)用通常將確定采用哪種模式。
控制模式
控制傳輸用于配置，而所有裝置都必須支持控制傳輸?？梢耘渲脭?shù)據(jù)采集裝置所需的非常有限的數(shù)據(jù)傳輸能力只用于控制模式，盡管大多數(shù)據(jù)裝置利用其他數(shù)據(jù)傳輸模式。
中斷模式
中斷傳輸通常用在必須在將定時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)，如很多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用或鍵盤、鼠標(biāo)接口。每個(gè)USB端口提供多種中斷傳輸管道。保用定時(shí)使中斷模式用在大多數(shù)數(shù)采集應(yīng)用中是理想的。
一個(gè)單數(shù)據(jù)采集裝置，可用多中斷傳輸來提供較高的數(shù)據(jù)傳輸率。由于有大量中斷和總線帶寬受限制，所以用多中斷降低可連接到專門USB端口上的獨(dú)立裝置數(shù)量。
集總模式
集總模式通常用在傳輸率不受限制時(shí)，如到打印機(jī)的寫入。集總傳輸將采用分配給其他傳輸類型的帶寬，所以將不會(huì)減慢極限工作。
若總線是忙的，則集總傳輸將得到最低優(yōu)先級(jí)。隨著大多數(shù)數(shù)據(jù)丟失，所以，對(duì)于大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用不推薦用集總模式。
同步模式
同步傳輸正在流行于音頻或視頻中恒定數(shù)據(jù)率傳輸。這對(duì)于重新傳輸已被接收帶誤差的數(shù)據(jù)是不可能的，所以，它不適合于必須是精確的數(shù)據(jù)。這限制同步模式在大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中的采用。
總的來說，中斷模式最適合大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。同步模式被大多數(shù)應(yīng)用所排除，因?yàn)樗荒芴峁?shù)據(jù)完整性。
集總和控制模式可用于實(shí)現(xiàn)很多數(shù)據(jù)采集裝置。但是，由于它們不能提供保用的數(shù)據(jù)傳輸率，所以，若數(shù)據(jù)采集裝置不能提供非常大的數(shù)據(jù)緩沖器，則會(huì)有實(shí)際丟失數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)。
在用戶調(diào)研不同供應(yīng)商數(shù)據(jù)采集裝置時(shí)，要詢問是采用哪一種傳輸模式。若裝置所采用的模式不是中斷模式，用戶在計(jì)劃連接到多個(gè)裝置到一個(gè)給定USB端口時(shí)，應(yīng)詢問可能的系統(tǒng)限制。
數(shù)據(jù)傳輸率
現(xiàn)在，USB規(guī)范允許系統(tǒng)在三個(gè)不同數(shù)據(jù)傳輸率下運(yùn)行。USB2.0和1.1支持在低速和全速下數(shù)據(jù)傳輸。
除這些數(shù)率外，USB2.0支持總線速度在高速。表1列出理論最高傳輸率和有關(guān)低速、全速和高速傳輸?shù)钠渌阅苤笜?biāo)。
表1USB2.0理論上最高傳輸性能指標(biāo)
傳輸類型
控制
中斷
集總
同步
一般用途
控制和配置
數(shù)據(jù)采集，鼠標(biāo)和鍵盤接口
打印機(jī)和繪圖儀接口
音頻和視頻流
低速
支持
是
是
不
不
最高數(shù)據(jù)傳輸率（B/S）
24000
4800用所有6個(gè)可用的端
不支持
不支持
總線傳輸率

點(diǎn)/管線

1．5MB/S

數(shù)據(jù)信息包最大字節(jié)
8
8
不支持
不支持
全速
支持
是
是
是，但不是HID
是，但不是HID
最高數(shù)據(jù)傳輸率（B/S）總線傳輸率：12MB/S
832000
高達(dá)1216000
（用所有19個(gè)可用的端點(diǎn)/管線）
1216000
1023000
數(shù)據(jù)信息包最大字節(jié)
64
64
64
1023
高速
支持
是
是
是
是
最高數(shù)據(jù)傳輸率（B/S）
15872000
49152000
用可用的
53248000
24576000
總線傳輸率：
480MB/S

端點(diǎn)/管線

數(shù)據(jù)信息包最大字節(jié)
64
1024
512
1024
低速、全速和高速
保用數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r(shí)間
無
有
無
有
誤差檢查/校正
有
有
有
無
基于輔助操作和處理延遲問題，實(shí)際上這些傳輸率不可能達(dá)到。也應(yīng)記住，大多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用是基于12b字或16b字而不是字節(jié)，所以這些數(shù)在從每秒字節(jié)轉(zhuǎn)換到每秒取樣數(shù)之前必須進(jìn)行換算。
低速
低速傳輸采用1.5Mb/b總線傳輸率。這是在總線上傳輸位的實(shí)際速率，而不包括控制和誤差檢驗(yàn)所需的輔助操作。在低速系統(tǒng)中實(shí)際的可能數(shù)據(jù)傳輸率將低于1.5Mb/s。
低速也限制所允許的中斷和控制模式。數(shù)據(jù)信息包只可能是8b（最大）。中斷傳輸?shù)淖畲蟮却龝r(shí)間可低到10ms?？刂贫它c(diǎn)的最大傳輸為24B/ms，中斷端點(diǎn)最大傳輸為8B/10ms。
因此，采用低速傳輸?shù)难b置通常不采用數(shù)據(jù)采集應(yīng)用需要每秒幾千取樣以上的?，F(xiàn)在，很多包含PMD-1208LS和QUANCOM(r) USBOPTOREL 16的可用USB基數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品采用低速傳輸。
全速
全速傳輸提供最大12MB/S數(shù)據(jù)傳輸率。這是在總線上傳輸數(shù)位的實(shí)際速度，但實(shí)際上可用的數(shù)據(jù)傳輸率將低于此值。所有4種傳輸模式都是允許的。不過，標(biāo)準(zhǔn)Windows人接口裝置（HID）驅(qū)動(dòng)器只支持控制和中斷模式。
對(duì)于控制，中斷和集總傳輸其數(shù)據(jù)信息包可以是64B（最大），對(duì)于同步傳輸最大為1023B。中斷傳輸?shù)淖畲蟮却龝r(shí)間可以低到1ms?？刂贫它c(diǎn)最大傳輸為832B/ms（高達(dá)19個(gè)中斷端點(diǎn)管線是可用的），同步端點(diǎn)為1.023B/ms。
全速傳模式實(shí)現(xiàn)具有100KHz范圍（基于中斷傳輸）的數(shù)據(jù)采集裝置。PMD-1608FS和softDSP SDS200采用全速數(shù)據(jù)傳輸。基于集總或同步傳輸可開發(fā)更快的裝置，但是，對(duì)于保證精確數(shù)據(jù)無損失危險(xiǎn)或FIFO超出，其中斷傳輸方法是最可靠的方法。
高速
高速傳輸提供最高480Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率，而只有USB2.0支持高速傳輸。象低速和全速性能指標(biāo)那樣，這是實(shí)際的在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位，輔助操作和誤差檢查使可達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸率將低于此值。
高速支持所有4種傳輸模式?？刂苽鬏?shù)臄?shù)據(jù)信息包括最大可以是64B，集總傳輸最大為512B，中斷傳輸最大為1024B，同步傳輸最大為1024B。中斷傳輸?shù)淖畲蟮却龝r(shí)間可低到125μs。
控制端點(diǎn)傳輸最大為15872B/ms，集總端點(diǎn)為53248B/ms，中斷端點(diǎn)為24576B/ms，同步端點(diǎn)為24576B/ms。其于高速USB傳輸?shù)腢SB基數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品可望支持Hz范圍的取樣率。
USB總線不能支持在PCI或Compact PCI 總線上可能的80Mb/S傳輸率。然而，高速USB能適應(yīng)當(dāng)今大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
優(yōu)先選用方法是中斷模式，因?yàn)樗梢员ＷC采集定時(shí)。
在單端口上混合不同速度的裝置
若正在用每個(gè)計(jì)算機(jī)端口的一個(gè)USB裝置或單個(gè)USB，則連接不同速度的混合裝置不會(huì)有問題。若有一個(gè)USB2.0端口，則可簡單地插入到任何USB裝置中。系統(tǒng)將重新組織裝置的速度和相應(yīng)的通信。
若插入一個(gè)高速2.0裝置到1.0端口，則將重新組織、裝配裝置并實(shí)際地工作。然而，將達(dá)不到2.0端口的取樣率。
為了連接多個(gè)USB裝置到計(jì)算機(jī)的單端口，必須安裝一個(gè)USB插座。插座可用在1.1和2.0配置中，可以插1.1和2.0裝置的任意組合任何一個(gè)插座，并且它們將工作。
也可以在單個(gè)插座上混合低速、全速、高速裝置，通常不會(huì)降低較高速度裝置的性能。為了利用高速傳輸、裝置、插座和計(jì)算機(jī)端口都必須是2.0。