基于USB總線的虛擬儀器測量技術

隨著計算機總線技術的發展，計算機在測控領域發揮越來越重要的作用，計算機總線從最初的只有低速的ISA總線，發展到133M的PCI總線，一直到10G帶寬的PCI-Epress總線，使應用于高速采集的"數據傳輸總線瓶頸"逐漸得到解決。

　　另一方面，以太網技術的發展，傳輸速率從10M發展到1G，使基于網絡的分布式得到迅速發展，但以太網的采集模塊無法實現PCI總線的中斷和DMA響應功能，實現高速采集還需要采集模塊具有CPU等。測量總線VXI/PXI/LXI技術雖然可以實現高速采集、同步觸發與熱插拔功能，但價格昂貴。

　　USB總線的出現，恰好解決這一問題。Intel公司開發的通用串行總線架構(USB)的目的最早是考慮基于計算機與電話之間的連接、設備連接易用性和端口擴充，而目前應用到各個領域。速度從11M到USB2.0的480Mbps，已超過百兆以太網，且具有總線供電、熱插拔、中斷功能等，且成本低廉、架構開放，廣泛應用于一般測量領域。

　　USB規范

　　USB傳送信號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,兩根信號線(D+/D-),采用長短針的
方式可以保證熱插拔過程中的安全，同時USB規范制定了"電源管理"功能，系統軟件可以與主機的能源管理系統結合共同處理各種電源子件如掛起、喚醒，并且有特色的是，USB設備應用特有的電源管理特性，可讓系統軟件控制電源管理并自動識別USB設備。最新的USB2.0規范支持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

　　USB連接了USB設備和USB主機，USB的物理連接是有層次性的星型結構。每個網絡集線器是在星型的中心，每條線段是點點連接。從主機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的拓撲結構。USB規范規定通過使用Hub擴展可撥接多達127個外設，最多六層，標準USB電纜長度為5m，通過Hub或中繼器可以使外設距離達到30m（6*5）。近些年出現一種"USB延長器"技術，通過使用5類線可以將USB延長至100M，這種技術擴展了USB測量系統的靈活性，但對于要求高速和準確的測量系統來說該技術需要進一步檢驗，并沒有包含在規范中。

　　USB數據傳送類型

　　USB定義了4種傳送類型：

　　·控制傳送：可靠的、非周期性的、由主機軟件發起的請求或者回應的傳送，通常用于命令事務和狀態事務。

　　·同步傳送：在主機與設備之間的周期性的、連續的通信，一般用于傳送與時間相關的信息。這種類型保留了將時間概念包含于數據中的能力。但這并不意味著，傳送這樣數據的時間總是很重要的，即傳送并不一定很緊急。

　　·中斷傳送：小規模數據的、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據，而且這些數據當沒有可用帶寬時，可以容忍等待。

　　通過以上機制可以保證USB設備在保證正確的情況下高速傳輸。

　　USB數據采集模塊設計

　　USB系列模塊是研華公司開發的數據采集模塊，包括完整的A/D，D/A，DIO，USB轉串口，USB Hub等產品，采用USB2.0標準，并進行加固型工業設計，在各領域有較多的應用。

　　以USB-4718 8通道熱電偶輸入模塊為例，原理圖如下：

　　差分信號通過多路選擇開關進入A/D轉換器，轉換后的數字信號通過USB接口芯片與計算機的USB Host相連，A/的轉換原理圖如下：

　　在提供硬件產品的同時，研華提供完整Windows，WinCE，Linux等操作系統下的驅動。不僅可以使用VC、VB、Delphi等高級語言進行開發，通過驅動接口也可以應用到Labview軟件中。

　　ActiveDAQ Pro是研華新推出的圖形化測量專用組件，利用研華數據采集卡驅動和ActiveDAQ Pro將復雜的開發過程全部封裝起來，給使用者呈現的是極其強大的功能、穩定的性能和簡單的應用開發，這也體現了成熟的產品公司產品流程的完善。

　　以下是利用研華USB-4718 8通道熱電偶輸入模塊、設備驅動和ActiveDAQ Pro開發的虛擬萬用表的實例。可以實現萬用表的全部功能，界面美觀。還包括普通萬用表不具備的溫度測量、曲線顯示、數據記錄和通訊功能。