使用USB進(jìn)行測(cè)量應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和潛在危險(xiǎn)

引言：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。

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

圖1：典型的應(yīng)用設(shè)置。

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。

我們來(lái)更仔細(xì)分析這些應(yīng)用環(huán)境，從每個(gè)案例中了解隔離的作用。

案例1： ESD、閃電或電源浪涌

圖1展示了一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，其中一個(gè)傳感器正在測(cè)量待測(cè)設(shè)備的電壓。該傳感器一頭連接到USB數(shù)據(jù)采集模塊，另一頭連接到PC。

ESD、閃電以及電源浪涌產(chǎn)生突發(fā)的瞬時(shí)過(guò)壓，即使時(shí)間很短，也可能損害整個(gè)系統(tǒng)中的電子元件。如果USB數(shù)據(jù)采集模塊沒(méi)有隔離(見(jiàn)圖2)，這些事件產(chǎn)生的電流回流通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)，最后到達(dá)PC并且可能損害PC和其他系統(tǒng)部件。

一些數(shù)據(jù)采集方案供應(yīng)商所提供的未隔離模塊在出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)壓時(shí)事實(shí)上會(huì)鎖死整個(gè)系統(tǒng)，從而不得不重啟系統(tǒng)。在測(cè)量應(yīng)用中這種行為是不能接受的。

與之對(duì)比的是，隔離的模塊(圖3中顯示)通過(guò)模塊的地平面釋放有害的電流，來(lái)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。

即使引入的瞬時(shí)電壓很小不足以損害系統(tǒng)，也要小心你的數(shù)據(jù)可能包含很大的錯(cuò)誤，特別在高分辨率的情況下。例如，如果使用具有16位分辨率的USB模塊來(lái)測(cè)量±10V 電壓范圍的信號(hào)，LSB值是0.31mV(見(jiàn)表1)。如果這個(gè)模塊未隔離，同時(shí)電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬時(shí)電壓，數(shù)據(jù)因此可能偏差數(shù)百毫伏。甚至在靜態(tài)環(huán)境中，你的數(shù)據(jù)也可能偏差幾十毫伏。當(dāng)測(cè)量低電平的信號(hào)時(shí)這算得上是巨大的差錯(cuò)。

如果需要高精度、低噪聲的測(cè)量，隔離至關(guān)重要。Data Translation公司所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，都提供高達(dá)500V的電氣隔離。電氣隔離把輸入信號(hào)中的能量轉(zhuǎn)化成輸出信號(hào)在模塊的地平面上流走。結(jié)果，你的計(jì)算機(jī)保持安全，測(cè)量結(jié)果更加精確。

以DT9801模塊為例，通過(guò)使用下列的元件提供高達(dá)500V的電氣隔離：

1. 變壓器：從無(wú)延遲的快速時(shí)鐘信號(hào)中轉(zhuǎn)換能量；

2. 光隔離器：從帶有幾十毫秒延遲的較慢的控制信號(hào)中轉(zhuǎn)化能量；

3. 差分容性耦合：從帶有1毫秒延遲的慢速數(shù)據(jù)通道中轉(zhuǎn)化能量。

案例2 ：不同的地電位

單端模擬輸入是參考大地的未隔離的輸入。在未隔離系統(tǒng)中，甚至數(shù)字I/O信號(hào)都連到同樣的地上。如果待測(cè)系統(tǒng)和USB數(shù)據(jù)采集模塊共享同樣的地(通過(guò)連到建筑物的電源系統(tǒng))，兩個(gè)設(shè)備地電位間的差別是實(shí)際存在的(超過(guò)100mV)?？焖匍_(kāi)關(guān)電流必須沿著5米長(zhǎng)的USB線纜流到PC。

根據(jù)如何將單端輸入連接到該模塊，你可能引入地環(huán)路誤差，即當(dāng)在最長(zhǎng)達(dá)5米的USB線纜中添加信號(hào)和其他地電位時(shí)，不僅僅帶來(lái)了高度不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，而且還可能會(huì)損害待測(cè)系統(tǒng)。圖5顯示了不恰當(dāng)?shù)膯味溯斎脒B接實(shí)例。

圖6是更好的單端輸入的連接方案，能減少地環(huán)路誤差。

為了最精確的測(cè)量結(jié)果，可使用差分輸入(顯示在圖7中)。差分輸入是帶隔離的輸入，因?yàn)樗鼈儏⒖嫉牡貐⒖键c(diǎn)不連接到大地上。結(jié)果，它們消除了共模電壓誤差，這種誤差會(huì)在地電位差出現(xiàn)時(shí)發(fā)生。

因此，如果你正在測(cè)量低電平的信號(hào)，這種情況下噪聲是測(cè)量中非常重要的環(huán)節(jié)?；蛘呷绻材ｋ妷捍嬖?，則要確保USB數(shù)據(jù)采集模塊提供差分輸入連接。Data Translation所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，提供了上至8或16個(gè)差分輸入連接以提供最大程度的地環(huán)路保護(hù)。

案例3：良好的情況下

在良好的環(huán)境中，瞬時(shí)電氣信號(hào)毛刺和地電位差不存在，因此不需要隔離。在未隔離的系統(tǒng)中，PC直接與傳感器的地系統(tǒng)相連，所以只要沒(méi)有噪聲或其它誤差加到電壓源上，測(cè)量就會(huì)是準(zhǔn)確的。

盡管未隔離的解決方案購(gòu)買(mǎi)時(shí)可能會(huì)更便宜，但測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用很少是處于良好情況。所以要小心，如果你選擇了未隔離的解決方案，可能會(huì)導(dǎo)致可估算的后端成本，這是由于數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確或系統(tǒng)出現(xiàn)故障引起的額外開(kāi)支。