基于USB總線的虛擬儀器測量技術(shù)

　隨著計算機總線技術(shù)的發(fā)展，計算機在測控領(lǐng)域發(fā)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(fā)展到133M的PCI總線，一直到10G帶寬的PCI-Epress總線，使應(yīng)用于高速采集的"數(shù)據(jù)傳輸總線瓶頸"逐漸得到解決。

　　另一方面，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳輸速率從10M發(fā)展到1G，使基于網(wǎng)絡(luò)的分布式得到迅速發(fā)展，但以太網(wǎng)的采集模塊無法實現(xiàn)PCI總線的中斷和DMA響應(yīng)功能，實現(xiàn)高速采集還需要采集模塊具有CPU等。測量總線VXI/PXI/LXI技術(shù)雖然可以實現(xiàn)高速采集、同步觸發(fā)與熱插拔功能，但價格昂貴。

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

　　USB規(guī)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(guī)范制定了"電源管理"功能，系統(tǒng)軟件可以與主機的能源管理系統(tǒng)結(jié)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(shè)備應(yīng)用特有的電源管理特性，可讓系統(tǒng)軟件控制電源管理并自動識別USB設(shè)備。最新的USB2.0規(guī)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(shù)

　　USB連接了USB設(shè)備和USB主機，USB的物理連接是有層次性的星型結(jié)構(gòu)。每個網(wǎng)絡(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。USB規(guī)范規(guī)定通過使用Hub擴展可撥接多達127個外設(shè)，最多六層，標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為5m，通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達到30m（6*5）。近些年出現(xiàn)一種"USB延長器"技術(shù)，通過使用5類線可以將USB延長至100M，這種技術(shù)擴展了USB測量系統(tǒng)的靈活性，但對于要求高速和準(zhǔn)確的測量系統(tǒng)來說該技術(shù)需要進一步檢驗，并沒有包含在規(guī)范中。

　　USB數(shù)據(jù)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(fā)起的請求或者回應(yīng)的傳送，通常用于命令事務(wù)和狀態(tài)事務(wù)。

　　·同步傳送：在主機與設(shè)備之間的周期性的、連續(xù)的通信，一般用于傳送與時間相關(guān)的信息。這種類型保留了將時間概念包含于數(shù)據(jù)中的能力。但這并不意味著，傳送這樣數(shù)據(jù)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(guī)模數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)當(dāng)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(shè)備在保證正確的情況下高速傳輸。

　　USB數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

　　USB系列模塊是研華公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊，包括完整的A/D，D/A，DIO，USB轉(zhuǎn)串口，USB Hub等產(chǎn)品，采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，并進行加固型工業(yè)設(shè)計，在各領(lǐng)域有較多的應(yīng)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(guān)進入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB接口芯片與計算機的USB Host相連，A/的轉(zhuǎn)換原理圖如下：

　　在提供硬件產(chǎn)品的同時，研華提供完整Windows，WinCE，Linux等操作系統(tǒng)下的驅(qū)動。不僅可以使用VC、VB、Delphi等高級語言進行開發(fā)，通過驅(qū)動接口也可以應(yīng)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(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動和ActiveDAQ Pro將復(fù)雜的開發(fā)過程全部封裝起來，給使用者呈現(xiàn)的是極其強大的功能、穩(wěn)定的性能和簡單的應(yīng)用開發(fā)，這也體現(xiàn)了成熟的產(chǎn)品公司產(chǎn)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(shè)備驅(qū)動和ActiveDAQ Pro開發(fā)的虛擬萬用表的實例?？梢詫崿F(xiàn)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(shù)據(jù)記錄和通訊功能。