使用USB進行測量應用的優勢和潛在危險

引言：USB用于測試與測量應用的優勢很多，但是在選擇USB數據采集模塊之前，仔細考慮目標應用。如果瞬時電壓或地電位差存在，通過選擇帶隔離措施的USB數據采集模塊可保護PC并保持信號數據的完整性。本文詳細分析了使用USB數據采集模塊的優勢和潛在的危險，介紹了消除這種潛在危險的方法－隔離，并通過實際的應用案例了解隔離的不同作用。

由于USB的易用性，如今它已成為是計算機和電子工業增長最快的總線之一。對于測試和測量應用，USB數據采集模塊具有幾個顯著的優勢。但是要警惕，根據具體應用，它們可能也包含一些潛在的危險，甚至會導致災難性的后果。

使用USB進行測試和測量的優勢

圖1：典型的應用設置。

USB由于具備下面幾個優勢，從而成為使用者開發測試和測量測量應用的簡單選擇。

1. 真正的即插即用：使用標準的低成本線纜簡單地將數據采集模塊和PC的USB端口相連。當模塊插入時，PC會自動識別該模塊，并安裝必要的軟件來操作該模塊。這種連接方式極大地減少了啟動時間。

2. 不再需要打開PC機箱來添加電路板、配置跳線開關和中斷設置、搜索正確的設備驅動程序或者重啟系統，而是簡單地將傳感器連接到模塊上就不用管了。幾分鐘內，就可不斷獲取數據、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數據采集模塊為噪聲敏感的測量應用帶來性能優勢。因為USB線纜通常長度是1至5米，I/O電路距離計算機的充滿電磁噪聲的主板和電源距離更遠，而距離要測量的傳感器更近。

4. 全速和高速傳輸速率：具有USB1.1端口的計算機能夠從USB數據采集模塊輸入和輸出數據，傳輸速度最高達到12Mbps。這種全速速率對于數據流應用很有用，能夠支持高達400KHz的數據采集速率。

   對于高性能的應用，必須確保PC有一個高速的USB2.0端口。憑借 USB2.0，就能夠在PC和USB數據采集模塊間以最高達480Mbps的速度傳輸數據。這種增加的帶寬允許同時執行多路I/O操作，每路的流量速率可以高達500kHz，這種方式與PCI測量系統相似。

5. 節約成本：許多USB數據采集模塊包含可移除的終端模塊或BNC連接器，這些器件用來方便地處理所有的用戶I/O連接。這種設計不僅僅使用方便，而且節省成本，因為你不再需要購買可選的螺絲固定的終端配件。

6. 便攜性：USB數據采集模塊體積很小，方便攜帶，這使得使用者甚至能把最復雜的的測試與測量應用帶出實驗室，搬入現場。

7. 容易擴展：使用低成本的擴展集線器和USB線纜，最多能連接127個數據采集模塊到一個USB端口上。

8. 可熱插拔：USB數據采集模塊能在計算機運行時安裝或移除。只是使用時插上設備，完成工作后拔出設備，不需要關計算機了。因為USB模塊能自己計數和自己識別，當模塊插上后，設備驅動自動加載；當設備拔出后，設備驅動自動卸載。

9. 簡單的電源連接：USB數據采集模塊能通過USB總線或通過簡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USB線纜獲得供電。自身供電的模塊在5V電壓下吸收高達500mA的電流，使用模塊自己的電源。

USB用于測試與測量的潛在危險

盡管USB提供了許多優勢，但不是所有的USB數據采集模塊都能采取一樣的的方式進行設計。根據應用不同，可能存在潛在的危險，一款USB模塊設計可能造成災難性的后果。

不像PCI電路板具有到PC背板的距離很短的真實的地系統，USB模塊在線纜兩端有距離很長的地連接(最長達5米)和有源電路。如果模塊設計得不合適，這可能導致系統鎖死、性能不穩定和電磁干擾，這對噪聲敏感的測量是個重大問題。

在選擇USB數據采集模塊之前，針對目標應用考慮以下一些問題：

1. 數據采集模塊易受靜電放電(ESD)、閃電或來自馬達、開關設備或其他設備的電源浪涌的影響？

2. 該應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境下工作？

如果對以上問題1或2的答案是肯定的，就需要確保你的系統具有隔離措施。隔離能保護PC免受損害，通過在電路間物理隔離電氣連接來保護你的數據完整性，即限制可能有害的電壓或電流經過你的系統。也可通過給系統添加信號調理配件來提供隔離，這樣價格會很昂貴，或者一開始就選擇帶隔離的USB數據采集模塊。

我們來更仔細分析這些應用環境，從每個案例中了解隔離的作用。

案例1： ESD、閃電或電源浪涌

圖1展示了一個典型的應用場景，其中一個傳感器正在測量待測設備的電壓。該傳感器一頭連接到USB數據采集模塊，另一頭連接到PC。

ESD、閃電以及電源浪涌產生突發的瞬時過壓，即使時間很短，也可能損害整個系統中的電子元件。如果USB數據采集模塊沒有隔離(見圖2)，這些事件產生的電流回流通過整個系統，最后到達PC并且可能損害PC和其他系統部件。

一些數據采集方案供應商所提供的未隔離模塊在出現瞬時過壓時事實上會鎖死整個系統，從而不得不重啟系統。在測量應用中這種行為是不能接受的。

與之對比的是，隔離的模塊(圖3中顯示)通過模塊的地平面釋放有害的電流，來保護整個系統。

即使引入的瞬時電壓很小不足以損害系統，也要小心你的數據可能包含很大的錯誤，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模塊來測量±10V 電壓范圍的信號，LSB值是0.31mV(見表1)。如果這個模塊未隔離，同時電氣系統中出現瞬時電壓，數據因此可能偏差數百毫伏。甚至在靜態環境中，你的數據也可能偏差幾十毫伏。當測量低電平的信號時這算得上是巨大的差錯。

如果需要高精度、低噪聲的測量，隔離至關重要。Data Translation公司所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，都提供高達500V的電氣隔離。電氣隔離把輸入信號中的能量轉化成輸出信號在模塊的地平面上流走。結果，你的計算機保持安全，測量結果更加精確。

以DT9801模塊為例，通過使用下列的元件提供高達500V的電氣隔離：

1. 變壓器：從無延遲的快速時鐘信號中轉換能量；

2. 光隔離器：從帶有幾十毫秒延遲的較慢的控制信號中轉化能量；

3. 差分容性耦合：從帶有1毫秒延遲的慢速數據通道中轉化能量。

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。在未隔離系統中，甚至數字I/O信號都連到同樣的地上。如果待測系統和USB數據采集模塊共享同樣的地(通過連到建筑物的電源系統)，兩個設備地電位間的差別是實際存在的(超過100mV)。快速開關電流必須沿著5米長的USB線纜流到PC。

根據如何將單端輸入連接到該模塊，你可能引入地環路誤差，即當在最長達5米的USB線纜中添加信號和其他地電位時，不僅僅帶來了高度不準確的測量結果，而且還可能會損害待測系統。圖5顯示了不恰當的單端輸入連接實例。

圖6是更好的單端輸入的連接方案，能減少地環路誤差。

為了最精確的測量結果，可使用差分輸入(顯示在圖7中)。差分輸入是帶隔離的輸入，因為它們參考的地參考點不連接到大地上。結果，它們消除了共模電壓誤差，這種誤差會在地電位差出現時發生。

因此，如果你正在測量低電平的信號，這種情況下噪聲是測量中非常重要的環節。或者如果共模電壓存在，則要確保USB數據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個差分輸入連接以提供最大程度的地環路保護。

案例3：良好的情況下

在良好的環境中，瞬時電氣信號毛刺和地電位差不存在，因此不需要隔離。在未隔離的系統中，PC直接與傳感器的地系統相連，所以只要沒有噪聲或其它誤差加到電壓源上，測量就會是準確的。

盡管未隔離的解決方案購買時可能會更便宜，但測試與測量應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，可能會導致可估算的后端成本，這是由于數據不夠準確或系統出現故障引起的額外開支。