USB:具有優(yōu)良性價比的單臺儀器接口

USB(通用串行總線)作為PC機的外設總線，由于具有串行傳輸、即插即用、可熱插拔、配置方便、連接簡單、兼有直流供電、傳輸率最高480 Mbps、價格大眾化等優(yōu)點而被廣泛使用。每部臺式 PC 機和筆記本 PC都配備2個以上USB接口，除了大量PC外圍設備之外，便攜音視頻、移動電話、消費電子等產(chǎn)品亦廣泛使用USB 接口。自從2001年 PC開始使用USB接口，它的安裝數(shù)逐年增猛，2006年的安裝數(shù)已超過20億套，至今總安裝數(shù)累計已超過50億套, USB 接口成為最普及的、也是成本最低的 PC外設接口。

　　近年來，USB接口獲得測試測量儀器業(yè)和用戶的認同，應用面從簡單的附件式儀器擴大到中髙檔臺式儀器，它們直接使用這種PC外設接口作為儀器通信互連總線。雖然USB接口不是測試測量業(yè)的通用儀器標準接口，但它是筒單、經(jīng)濟、實效的非標準接口，成為單臺儀器接口的最佳選擇。

　　USB接口的儀器應用

　　現(xiàn)今，測試測量儀器業(yè)共擁有四種開放式儀器總線標準，它們是GPIB(IEEE488) 、VXI、PXI、LXI。其中GPIB是參考早期 PC 總線構建的儀器總線, VXI、PXI都是由PC通用外設總線擴展而成的儀器總線,而 LXI是以太網(wǎng)接口擴展而成的儀器接口。因為 PC外設總線和以太網(wǎng)應用面廣泛、性能價格比高，擴大到儀器應用具有因利乘便、事半功倍的效益。

　　四種儀器標準總線的目標是實現(xiàn)由臺式儀器和/或模塊儀器組成的通信網(wǎng)絡,顯然，它們用于單臺儀器是資源過剩,并不具有高性能價格比的優(yōu)勢。在USB 接口未推出之前，單臺儀器與 PC 機的通信曾使用并行、串行、AT/XT、PCI、IEEE1394等總線接口，它們都不夠經(jīng)濟實用。例如與單臺儀器所用的GPIB 接口相比，USB接口的成本不到前者的三分之一。當前USB接口已被測試測量儀器供應商和用戶認可，成功地將這種 PC外設總線直接用作儀器總線,而無需擴展的一個成功范例。

　　幾年前只有掌上式的功能較簡單或頻率較低的 USB儀器出現(xiàn)，例如數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字示波器、數(shù)字多用表等 PC 附件式儀器，因為 USB 設備之間的通信必須通過 PC主機來實現(xiàn)，而且USB接口的直流供電電流只有100 mA/5V，不能滿足復雜儀器的連接和供電。后來增加USB接口附屬條文OTG解決了設備之間的直接通信問題，接著 USB標準1.0版本開級至2.0 , 新標準的數(shù)據(jù)傳輸率從 12 Mbps增加至480Mbps, 擴大了USB接口在測試測量儀器的應用范圍。隨著 PC時鐘頻率和外圍設備數(shù)據(jù)率的提高，今年USB接口準備增加直流供電電流值、連接器和集線器微型化、推出多種加固型連接器等有利于USB接口發(fā)展的新措施。

　　USB 接口具備良好的組網(wǎng)能力，借助星形鏈可連接127個USB設備，每條連接電纜最長5 m ，分級通過5個集線器的最長距離可達30 m。通過USB 接口組網(wǎng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來許多方便，使系統(tǒng)的通道數(shù)和取樣速率大幅度提高。近兩年來，由于已使用四十年的 GPIB 總線將由新一代的 LXI總線代替，單臺臺式儀器開始選用USB接口, 應用面擴大到中髙檔的臺式儀器。例如示波器業(yè)巨頭Tek公司的幾種經(jīng)濟型數(shù)字示波器, 如最高帶寬200 MHz和最高取樣率2GS/s 的TDS1000B和TDS2000B系列只配置 USB接口，不再安裝 GPIB接口。實現(xiàn)即插即用的與 PC的無縫連接,簡化數(shù)據(jù)收集、捕捉、分析的工作進程，達到降低儀器成本、使儀器輕巧、提高生產(chǎn)效率的要求。數(shù)字示波器還提供外接設備的 USB 接口，可連接閃存和打印機, 作數(shù)據(jù)儲存、交換和現(xiàn)場升級之用。測試測量儀器業(yè)的著名公司，如引領LXI聯(lián)合體的安捷倫、引領 PXI系統(tǒng)聯(lián)盟的NI等公司都生產(chǎn) USB儀器，包括單通道20 GHz微波功率計、中等特性的頻譜分析儀、光譜分析儀、取樣率1 MS/s的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。而且使用 LXI或 PXI作為主要接口的模塊儀器，大部分都同時安裝 USB接口作為輔助接口，以便擴大模塊儀器的連接能力。

　　USB總線特性還在提高，值得注意的有，一是無線 USB (WUSB) 標準己經(jīng)通過，將可實現(xiàn)無線的 USB儀器互連;二是 USB的供電電流可從500 mA/5V 提高到6A/5V，便于更大功耗儀器的供電;三是準備再提高傳輸率，加快存儲媒體的數(shù)據(jù)交換能力。顯然，在今后幾年內USB總線將在試測量儀器中發(fā)揮更大作用，擴大應用范國。

　　基于 USB接口的儀器系統(tǒng)

　　USB儀器是作為PC機外設接入USB接口的，由USB總線與PC機建立主從通信聯(lián)系，同時從PC機接口獲取直流供電。實質上，USB儀器就是虛擬儀器，它借助PC機實現(xiàn)接口控制、編寫程序、數(shù)據(jù)處理、虛擬面板、數(shù)據(jù)存儲等測試測量儀器的功能。

一個 USB 接口由三個元件組成，一是主控機(PC機或筆記本機)，二是USB設備(通過USB收發(fā)器芯片)，三是USB連接電纜 (四線或無直流供電的雙線電纜)。USB接口數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包傳送，每幀1 ms ，分成8個125 us 的微幀。PC 主控機啟動對USB設備的數(shù)據(jù)傳輸時，最簡單的作業(yè)需要三至四個數(shù)據(jù)包，即主機請求、數(shù)據(jù)傳送和主機確認信息。

　　向 USB 設備發(fā)送數(shù)據(jù)或從 USB設備接收數(shù)據(jù)都要經(jīng)過USB設備端點(EP), EP 相當于單向開關，只能單方向傳送數(shù)據(jù)。主控機PC與 USB信息交換有四種基本傳輸模式：

　　1、中斷數(shù)據(jù)傳輸(INT)—要求定時和可靠地傳輸小量數(shù)據(jù)時使用

　　2、同步數(shù)據(jù)傳輸(ISO)—事前協(xié)商帶寬和允許有數(shù)據(jù)損失時使用

　　3、塊數(shù)據(jù)傳輸(BULK)—要求快速和無數(shù)據(jù)損失傳輸大量數(shù)據(jù)時使用

　　4、控制傳輸(CTL)—通常用于發(fā)送配置、命令、狀態(tài)等數(shù)據(jù)包

?

　　圖1 USB 儀器系統(tǒng)的方框圖

　　一個基于 USB接口標準的儀器系統(tǒng)方框圖如圖1所示，為了便于說明, 把它具體化為一臺通用的USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖中左邊方框是數(shù)據(jù)采集前端，收集傳感器等器件傳送來的模擬和/或數(shù)字輸出信號。圖中右邊方框是嵌入式處理器、通信和控制邏輯電路和一組EP。經(jīng)過數(shù)字處理后的多通道傳感器信號，按序列由各EP送到 USB接口和電纜，最后輸入到主控 PC機。在構建 USB 儀器系統(tǒng)時，主要考慮圖中右邊的處理器、通信和控制邏輯的選擇：

　　·數(shù)據(jù)傳輸率—USB標準有1.5 Mbps (低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)三種速率，可根據(jù)輸入信號的最髙速率和主控 PC機能夠支持的數(shù)據(jù)率，權衡和選擇 USB接口。

　　·PC 機的USB接口—臺式 PC和筆記本PC都有兩個以上USB 接口分別稱為主接口A和設備接口B。主接口A 連接 PC使用的 USB外圍設備，如閃存、硬盤和其它外設。設備接口B用于連接 USB 儀器。

　　·因為 USB接口標準沒有定義儀器的USB設備類別，為了便于測試測量儀的接入, 由 USB-IF(USB 實施者論壇)定義一個特別的設備類別，稱為測試測量儀器類別，簡稱(USBTMC)類。USB-IF將USBTMC 設備設計成模擬GPIB(IEEE488.1) 總線的設備，因而原來大量 GPIB儀器使用的程序和驅動器

完全可移植到USB接口。

　　·即插即用連接性—USB接口具有即插即用和熱插拔的特點，這是其它儀器接口所不具備的。例如，儀器在以太網(wǎng)的接入需要冷插拔，輸入 IP 地址和相關數(shù)據(jù)后才能起動。在 USB連接工具，例如 NI 公司的測量和自動化資源管理器(MAX)幫助下，USBTMC 儀器可自動完成USB測量系統(tǒng)檢測和系統(tǒng)配置。

　　·保護用戶的USB資源—USB接口是當前PC最通行的接口，但是技術的進步一日千里，技求不斷創(chuàng)新，今后肯定有更先進的PC外設總線出現(xiàn)。為了保護用戶的投資，遇到儀器使用的通信總線過時的情況下，USB儀器能夠立刻轉換到新總線上。

　　最好的選擇是在USB接口協(xié)儀上層增加虛擬儀器軟件結構(VISA)，或者NI公司的 LabVIEW 即插即用儀器驅動器。在標準應用編程接口( API )的幫助下，USB接口可方便地轉換到其它儀器接口。目前可以實現(xiàn)的轉換包括 GPIB/USB/串口/以太局域網(wǎng)四類儀器。原有 GPIB儀器接入USB儀器系統(tǒng)還有更簡單的方法，即采用GPIB--USB轉換直接將GPIB儀器變成USB儀器，達到接口轉換和升級, 以保護單臺過時的GPIB 儀器繼續(xù)發(fā)揮作用。

　　USB儀器系統(tǒng)的驅動程序

　　USB協(xié)議是一種共享式的總線，當USB設備接入PC時，PC與USB設備之間啟動枚舉過程。PC檢測到有 USB設備接入，首先自動發(fā)出查詢請求，USB設備應答查詢請求，發(fā)回設備生產(chǎn)商的識別碼ID和產(chǎn)品識別碼 ID。PC根據(jù)這兩個ID裝載驅動程序，完成枚舉過程，建立通信聯(lián)系。

　　當前，市場供應許多種USB協(xié)議的接口芯片，不帶微控制器內核的有Philips公司的PDIUSBD12系列、NS公司的USBN9602系列等;帶微控制器內核的有Cypress公司的EZ- USB系列、Atmel公司的AT83C5134系列等。智能USB接口芯片將微控制器內核、USB接口引擎、USB收發(fā)模塊、存儲器、閃存或FPGA、串行口等功能集成在一起，從而減少芯片接口時序，減小引腳數(shù)和占用面積，是 USB接口芯片的發(fā)展方向。一種智能 USB接口芯片的方框圖如圖2所示。此外，還有 USB設備組網(wǎng)使用的集線器芯片、USB路由器芯片可供使用。

?

　　圖2 一種智能 USB接口芯片方框圖

　　USB接口芯片完成枚舉后便可作為一個USB設備(缺省USB設備)與PC通信，由微控制器內核與PC建立通信聯(lián)系。缺省USB設備接口中包括一組14個EP 端點，如表1所示。

表1 缺省USB設備的 EP端點

　　從表1可知，一組EP中由1個控制 ( CTL)EP，1個中斷(INT)EP，3對(1進、1出)塊數(shù)據(jù)(BULK) EP,3對 (1進1出)同步數(shù)據(jù)(ISO) EP組成。PC與USB設備的通信主要包括兩個方面：一是讀取數(shù)據(jù);二是給USB設備發(fā)送控制命令。發(fā)送控制命令先發(fā)送一個命令包，然后發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)或從設備讀取響應數(shù)據(jù)。例如，使用缺省配置中的6個EP來完成：

　　.EP OUT2 BULK：發(fā)送控制命令包

　　.EP IN2 BULK：接收USB設備發(fā)來的消息

　　.EP IN4 BULK：從USB設備讀取數(shù)據(jù)

　　.EP OUT4 BULK：向USB設備發(fā)送數(shù)據(jù)

　　.EP OUT6 BULK：向USB設備發(fā)送輔助指令

　　.EP IN1 INT：從USB設備讀取響應信號

　　由于接口協(xié)議內容復雜，從底層向上開發(fā)只有軟件工程師才能勝任。為了簡化 USB接口的編程，芯片生產(chǎn)商提供的 USB接口驅動程序執(zhí)行從頂層向下分層處理，用戶無需直接與硬件打交道。有關USB 接口的命令、讀寫等操作全部由 USB接口驅動程序傳送給 USB設備。儀器電路設計工程師只要設定一個消息序列，當接收到 PC主機發(fā)來的消息時, 通過中斷程序將消息放入序列，處理完華后再處理消息序列中的下一個消息，直至結束。此外，測試測量儀器業(yè)的 IVI 　(可互換虛擬儀器)基金會擁有2000多種不同類型的驅動程序可供參考，為非軟件專業(yè)的儀器電路設計工程師編寫 USB接口驅動程序提供方便。

　　結語

　　USB接口在虛擬儀器和臺式儀器中的應用日益擴大，由于具有優(yōu)良的性價比，從早期的附件式低檔儀器開始，當前己進入到中高檔儀器，成為測試測量儀器的重要非標準接口。

　　借助性能價格比的提高，諸如無線傳送、定時觸發(fā)、髙傳輸率等，USB接口今后還有發(fā)展空間。作為電路設計的工程技術人員，有必要重視 USB 接口技術，在測試測量儀器中充分發(fā)揮其潛力。