USB:具有优良性价比的单台仪器接口

USB(通用串行总线)作为PC机的外设总线，由于具有串行传输、即插即用、可热插拔、配置方便、连接简单、兼有直流供电、传输率最高480 Mbps、价格大众化等优点而被广泛使用。每部台式 PC 机和笔记本 PC都配备2个以上USB接口，除了大量PC外围设备之外，便携音视频、移动电话、消费电子等产品亦广泛使用USB接口。自从2001年 PC开始使用USB接口，它的安装数逐年增猛，2006年的安装数已超过20亿套，至今总安装数累计已超过50亿套,USB接口成为最普及的、也是成本最低的 PC外设接口。

　　近年来，USB接口获得测试测量仪器业和用户的认同，应用面从简单的附件式仪器扩大到中髙档台式仪器，它们直接使用这种PC外设接口作为仪器通信互连总线。虽然USB接口不是测试测量业的通用仪器标准接口，但它是筒单、经济、实效的非标准接口，成为单台仪器接口的最佳选择。

　　USB接口的仪器应用

　　现今，测试测量仪器业共拥有四种开放式仪器总线标准，它们是GPIB(IEEE488) 、VXI、PXI、LXI。其中GPIB是参考早期 PC 总线构建的仪器总线, VXI、PXI都是由PC通用外设总线扩展而成的仪器总线,而 LXI是以太网接口扩展而成的仪器接口。因为 PC外设总线和以太网应用面广泛、性能价格比高，扩大到仪器应用具有因利乘便、事半功倍的效益。

　　四种仪器标准总线的目标是实现由台式仪器和/或模块仪器组成的通信网络,显然，它们用于单台仪器是资源过剩,并不具有高性能价格比的优势。在USB接口未推出之前，单台仪器与 PC 机的通信曾使用并行、串行、AT/XT、PCI、IEEE1394等总线接口，它们都不够经济实用。例如与单台仪器所用的GPIB接口相比，USB接口的成本不到前者的三分之一。当前USB接口已被测试测量仪器供应商和用户认可，成功地将这种 PC外设总线直接用作仪器总线,而无需扩展的一个成功范例。

　　几年前只有掌上式的功能较简单或频率较低的USB仪器出现，例如数据采集器、数字示波器、数字多用表等 PC 附件式仪器，因为USB设备之间的通信必须通过 PC主机来实现，而且USB接口的直流供电电流只有100 mA/5V，不能满足复杂仪器的连接和供电。后来增加USB接口附属条文OTG解决了设备之间的直接通信问题，接着USB标准1.0版本开级至2.0 , 新标准的数据传输率从 12 Mbps增加至480Mbps, 扩大了USB接口在测试测量仪器的应用范围。随着 PC时钟频率和外围设备数据率的提高，今年USB接口准备增加直流供电电流值、连接器和集线器微型化、推出多种加固型连接器等有利于USB接口发展的新措施。

　　USB接口具备良好的组网能力，借助星形链可连接127个USB设备，每条连接电缆最长5 m ，分级通过5个集线器的最长距离可达30 m。通过USB接口组网为数据采集系统带来许多方便，使系统的通道数和取样速率大幅度提高。近两年来，由于已使用四十年的 GPIB 总线将由新一代的 LXI总线代替，单台台式仪器开始选用USB接口, 应用面扩大到中髙档的台式仪器。例如示波器业巨头Tek公司的几种经济型数字示波器, 如最高带宽200 MHz和最高取样率2GS/s 的TDS1000B和TDS2000B系列只配置USB接口，不再安装 GPIB接口。实现即插即用的与 PC的无缝连接,简化数据收集、捕捉、分析的工作进程，达到降低仪器成本、使仪器轻巧、提高生产效率的要求。数字示波器还提供外接设备的USB接口，可连接闪存和打印机, 作数据储存、交换和现场升级之用。测试测量仪器业的著名公司，如引领LXI联合体的安捷伦、引领 PXI系统联盟的NI等公司都生产USB仪器，包括单通道20 GHz微波功率计、中等特性的频谱分析仪、光谱分析仪、取样率1 MS/s的多通道数据采集系统等。而且使用 LXI或 PXI作为主要接口的模块仪器，大部分都同时安装USB接口作为辅助接口，以便扩大模块仪器的连接能力。

　　USB总线特性还在提高，值得注意的有，一是无线USB(WUSB) 标准己经通过，将可实现无线的USB仪器互连;二是USB的供电电流可从500 mA/5V 提高到6A/5V，便于更大功耗仪器的供电;三是准备再提高传输率，加快存储媒体的数据交换能力。显然，在今后几年内USB总线将在试测量仪器中发挥更大作用，扩大应用范国。

　　基于USB接口的仪器系统

　　USB仪器是作为PC机外设接入USB接口的，由USB总线与PC机建立主从通信联系，同时从PC机接口获取直流供电。实质上，USB仪器就是虚拟仪器，它借助PC机实现接口控制、编写程序、数据处理、虚拟面板、数据存储等测试测量仪器的功能。

一个USB接口由三个元件组成，一是主控机(PC机或笔记本机)，二是USB设备(通过USB收发器芯片)，三是USB连接电缆 (四线或无直流供电的双线电缆)。USB接口数据采用数据包传送，每帧1 ms ，分成8个125 us 的微帧。PC 主控机启动对USB设备的数据传输时，最简单的作业需要三至四个数据包，即主机请求、数据传送和主机确认信息。

　　向USB设备发送数据或从USB设备接收数据都要经过USB设备端点(EP), EP 相当于单向开关，只能单方向传送数据。主控机PC与USB信息交换有四种基本传输模式：

　　1、中断数据传输(INT)—要求定时和可靠地传输小量数据时使用

　　2、同步数据传输(ISO)—事前协商带宽和允许有数据损失时使用

　　3、块数据传输(BULK)—要求快速和无数据损失传输大量数据时使用

　　4、控制传输(CTL)—通常用于发送配置、命令、状态等数据包

　　图1USB仪器系统的方框图

　　一个基于USB接口标准的仪器系统方框图如图1所示，为了便于说明, 把它具体化为一台通用的USB数据采集系统。图中左边方框是数据采集前端，收集传感器等器件传送来的模拟和/或数字输出信号。图中右边方框是嵌入式处理器、通信和控制逻辑电路和一组EP。经过数字处理后的多通道传感器信号，按序列由各EP送到USB接口和电缆，最后输入到主控 PC机。在构建USB仪器系统时，主要考虑图中右边的处理器、通信和控制逻辑的选择：

　　·数据传输率—USB标准有1.5 Mbps (低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)三种速率，可根据输入信号的最髙速率和主控 PC机能够支持的数据率，权衡和选择USB接口。

　　·PC 机的USB接口—台式 PC和笔记本PC都有两个以上USB接口分别称为主接口A和设备接口B。主接口A 连接 PC使用的USB外围设备，如闪存、硬盘和其它外设。设备接口B用于连接USB仪器。

　　·因为USB接口标准没有定义仪器的USB设备类别，为了便于测试测量仪的接入, 由USB-IF(USB实施者论坛)定义一个特别的设备类别，称为测试测量仪器类别，简称(USBTMC)类。USB-IF将USBTMC 设备设计成模拟GPIB(IEEE488.1) 总线的设备，因而原来大量 GPIB仪器使用的程序和驱动器