基于USB總線的虛擬儀器測(cè)量技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在測(cè)控領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，計(jì)算機(jī)總線從最初的只有低速的ISA總線，發(fā)展到133M的PCI總線，一直到10G帶寬的PCI-Epress總線，使應(yīng)用于高速采集的"數(shù)據(jù)傳輸總線瓶頸"逐漸得到解決。

　　另一方面，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳輸速率從10M發(fā)展到1G，使基于網(wǎng)絡(luò)的分布式得到迅速發(fā)展，但以太網(wǎng)的采集模塊無法實(shí)現(xiàn)PCI總線的中斷和DMA響應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)高速采集還需要采集模塊具有CPU等。測(cè)量總線VXI/PXI/LXI技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)高速采集、同步觸發(fā)與熱插拔功能，但價(jià)格昂貴。

　　USB總線的出現(xiàn)，恰好解決這一問題。Intel公司開發(fā)的通用串行總線架構(gòu)(USB)的目的最早是考慮基于計(jì)算機(jī)與電話之間的連接、設(shè)備連接易用性和端口擴(kuò)充，而目前應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。速度從11M到USB2.0的480Mbps，已超過百兆以太網(wǎng)，且具有總線供電、熱插拔、中斷功能等，且成本低廉、架構(gòu)開放，廣泛應(yīng)用于一般測(cè)量領(lǐng)域。

　　USB規(guī)范

　　USB傳送信號(hào)和電源是通過一種四線的電纜，兩根電源線（V-bus/GND）使用+5V電源,兩根信號(hào)線(D+/D-),采用長(zhǎng)短針的
方式可以保證熱插拔過程中的安全，同時(shí)USB規(guī)范制定了"電源管理"功能，系統(tǒng)軟件可以與主機(jī)的能源管理系統(tǒng)結(jié)合共同處理各種電源子件如掛起、喚醒，并且有特色的是，USB設(shè)備應(yīng)用特有的電源管理特性，可讓系統(tǒng)軟件控制電源管理并自動(dòng)識(shí)別USB設(shè)備。最新的USB2.0規(guī)范支持480M的傳輸速率，從PCIExpress的IO橋中引出，保證了高速傳輸。

　　USB的總線布局技術(shù)

　　USB連接了USB設(shè)備和USB主機(jī)，USB的物理連接是有層次性的星型結(jié)構(gòu)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)集線器是在星型的中心，每條線段是點(diǎn)點(diǎn)連接。從主機(jī)到集線器或其功能部件，或從集線器到集線器或其功能部件，從圖中可看出USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。USB規(guī)范規(guī)定通過使用Hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個(gè)外設(shè)，最多六層，標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長(zhǎng)度為5m，通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30m（6*5）。近些年出現(xiàn)一種"USB延長(zhǎng)器"技術(shù)，通過使用5類線可以將USB延長(zhǎng)至100M，這種技術(shù)擴(kuò)展了USB測(cè)量系統(tǒng)的靈活性，但對(duì)于要求高速和準(zhǔn)確的測(cè)量系統(tǒng)來說該技術(shù)需要進(jìn)一步檢驗(yàn)，并沒有包含在規(guī)范中。

　　USB數(shù)據(jù)傳送類型

　　USB定義了4種傳送類型：

　　·控制傳送：可靠的、非周期性的、由主機(jī)軟件發(fā)起的請(qǐng)求或者回應(yīng)的傳送，通常用于命令事務(wù)和狀態(tài)事務(wù)。

　　·同步傳送：在主機(jī)與設(shè)備之間的周期性的、連續(xù)的通信，一般用于傳送與時(shí)間相關(guān)的信息。這種類型保留了將時(shí)間概念包含于數(shù)據(jù)中的能力。但這并不意味著，傳送這樣數(shù)據(jù)的時(shí)間總是很重要的，即傳送并不一定很緊急。

　　·中斷傳送：小規(guī)模數(shù)據(jù)的、低速的、固定延遲的傳送。

　　·批傳送：非周期性的，大包的可靠的傳送。典型地用于傳送那些可以利用任何帶寬的數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)當(dāng)沒有可用帶寬時(shí)，可以容忍等待。

　　通過以上機(jī)制可以保證USB設(shè)備在保證正確的情況下高速傳輸。

　　USB數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　USB系列模塊是研華公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊，包括完整的A/D，D/A，DIO，USB轉(zhuǎn)串口，USB Hub等產(chǎn)品，采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行加固型工業(yè)設(shè)計(jì)，在各領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。

　　以USB-4718 8通道熱電偶輸入模塊為例，原理圖如下：

　　差分信號(hào)通過多路選擇開關(guān)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過USB接口芯片與計(jì)算機(jī)的USB Host相連，A/的轉(zhuǎn)換原理圖如下：

　　在提供硬件產(chǎn)品的同時(shí)，研華提供完整Windows，WinCE，Linux等操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)。不僅可以使用VC、VB、Delphi等高級(jí)語言進(jìn)行開發(fā)，通過驅(qū)動(dòng)接口也可以應(yīng)用到Labview軟件中。

　　ActiveDAQ Pro是研華新推出的圖形化測(cè)量專用組件，利用研華數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)和ActiveDAQ Pro將復(fù)雜的開發(fā)過程全部封裝起來，給使用者呈現(xiàn)的是極其強(qiáng)大的功能、穩(wěn)定的性能和簡(jiǎn)單的應(yīng)用開發(fā)，這也體現(xiàn)了成熟的產(chǎn)品公司產(chǎn)品流程的完善。

　　以下是利用研華USB-4718 8通道熱電偶輸入模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和ActiveDAQ Pro開發(fā)的虛擬萬用表的實(shí)例。可以實(shí)現(xiàn)萬用表的全部功能，界面美觀。還包括普通萬用表不具備的溫度測(cè)量、曲線顯示、數(shù)據(jù)記錄和通訊功能。