一、什么是USB儀器？

USB儀器，顧名思義就是利用USB接口即插即用和熱插拔的性能而設計的，具有采集、捕獲、處理等功能的高速和高性能硬件。該硬件通過USB接口與PC電腦互連，再結合高效靈活的軟件，在電腦里完成對硬件的控制、分析和顯示等測試測量工作，因此USB儀器也叫電腦儀器，例如：電腦示波器。

USB是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一種外部總線標準，用于規范電腦與外部設備的連接和通訊。USB是PC機的標準外設接口，擁有數以十億計的安裝量。自1998年出現USB數據采集器以來，USB數字示波器、USB頻譜分析儀等多種多樣微型USB儀器陸續推向市場，形成具有自身特色的儀器族，未來USB儀器將成為測量儀器的主流。

二、USB儀器與VI虛擬儀器的關系

USB儀器是VI虛擬儀器的一種。虛擬儀器也稱為PC儀器或個人儀器，是一個相對于傳統獨立儀器的比較概念，它有別于傳統儀器把信號采集、處理、控制、分析、顯示等放在一個整體設備內。虛擬儀器就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應用的設備。

八十年代初就有了以個人計算機為基礎，在微機內部增加一些插件（現為板卡）或外附插件箱（現最流行USB儀器），將各種測量電路插件接入PC內部總線，用某些軟件來實現傳統儀器的功能。由于計算機系統的硬軟件資源可代替一般自動測試系統和智能儀表中的微處理器、存儲器、接口電路和顯示器，因而減少了儀器的許多硬件，降低了儀器成本。所以在PC技術基礎上發展起來的虛擬儀器，完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新技術優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O性能，使數據高速導入磁盤的同時也能進行復雜的實時分析。

1986年美國國家儀器公司NI提出了虛擬儀器的概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域。計算機和網絡技術、儀器技術結合起來，開創出“儀器模塊化”、“軟件即是儀器”等全新測量儀器概念。與傳統獨立儀器相比，虛擬儀器具有高效的性能、強大的擴展功能、節約開發時間、操作性強、易用靈活、應用性強、成本低、智能化程度高、處理能力強以及完美的集成性能等多種技術優勢。例如：USB儀器本身不配備顯示器、控制旋鈕和處理器等硬件，借助電腦來實現上述功能，除降低成本、靈活應用外，還可消除傳統獨立儀器的顯示器、控制旋鈕和處理器等的常見故障，進而提高可靠性。傳統儀器與虛擬儀器構成比較見圖1。

圖1：傳統儀器與虛擬儀器構成比較

三、USB儀器與板卡式儀器的關系

虛擬儀器主要由計算機、軟件、A/D采集卡及調理放大器三個重要因素組成。其中計算機是載體，軟件是核心，高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。隨著微機的發展，根據采用總線方式的不同，虛擬儀器主要分為板卡式和總線式兩種。板卡式適合于普及型的廉價系統，有廣闊的應用發展前景；總線式適合大型高精度集成系統。以上兩種形式主要發展過程如下：

1、總線方式為GPIB→VXI→PXI。其中GPIB總線（也為488總線）于1978年問世；VXI總線于1987年問世；PXI總線于1997年問世。

2、卡式為PC插卡→并口式→串口USB方式。其中PC插卡式于80年代初問世；并行口方式于1995年問世；串口USB方式于1999年問世。具體分類見圖2：

圖2：虛擬儀器系統框圖

下面海洋儀器主要就USB儀器與板卡式儀器的區別進行具體說明：

1、PCI總線插卡型虛擬儀器：也為板卡式儀器，早期為ISA總線插卡型儀器。板卡式儀器借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件（如SeeSharpTools）兩者相結合構成測試系統。插卡型虛擬儀器充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點相比于USB外置儀器其安裝與使用也不方便，并且高頻性能和測試精度也要差一些。

圖3：PCIe-5111

2、串行口式虛擬儀器：是可連接到計算機串口上的測量裝置，把儀器硬件集成在一個采集盒內，儀器軟件裝在計算機上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能。可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發生器、矢量網絡分析儀、數字萬用表、功率計、FFT分析儀、數據記錄儀、數據采集器等。早期為RS232接口型儀器，現在最流行的為USB儀器。

USB儀器充分利用USB串口的即插即用和熱插拔兩項優越性能，不用打開計算機進行插槽式安裝，做到即插即用。而且既可以與筆記本電腦相連，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。由于是外置與計算機相連，不是內插到計算機內，是準獨立式儀器，比板卡式儀器要靈活方便，并且易實現高頻，其性能要強于板卡式儀器。USB儀器價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發部門和各種教學實驗室應用。

表1 USB儀器與板卡式儀器