USB:具有优良性价比的单台仪器接口

USB(通用串行总线)作为PC机的外设总线，由于具有串行传输、即插即用、可热插拔、配置方便、连接简单、兼有直流供电、传输率最高480 Mbps、价格大众化等优点而被广泛使用。每部台式 PC 机和笔记本 PC都配备2个以上USB接口，除了大量PC外围设备之外，便携音视频、移动电话、消费电子等产品亦广泛使用USB 接口。自从2001年 PC开始使用USB接口，它的安装数逐年增猛，2006年的安装数已超过20亿套，至今总安装数累计已超过50亿套, USB 接口成为最普及的、也是成本最低的 PC外设接口。

　　近年来，USB接口获得测试测量仪器业和用户的认同，应用面从简单的附件式仪器扩大到中髙档台式仪器，它们直接使用这种PC外设接口作为仪器通信互连总线。虽然USB接口不是测试测量业的通用仪器标准接口，但它是筒单、经济、实效的非标准接口，成为单台仪器接口的最佳选择。

　　USB接口的仪器应用

　　现今，测试测量仪器业共拥有四种开放式仪器总线标准，它们是GPIB(IEEE488) 、VXI、PXI、LXI。其中GPIB是参考早期 PC 总线构建的仪器总线, VXI、PXI都是由PC通用外设总线扩展而成的仪器总线,而 LXI是以太网接口扩展而成的仪器接口。因为 PC外设总线和以太网应用面广泛、性能价格比高，扩大到仪器应用具有因利乘便、事半功倍的效益。

　　四种仪器标准总线的目标是实现由台式仪器和/或模块仪器组成的通信网络,显然，它们用于单台仪器是资源过剩,并不具有高性能价格比的优势。在USB 接口未推出之前，单台仪器与 PC 机的通信曾使用并行、串行、AT/XT、PCI、IEEE1394等总线接口，它们都不够经济实用。例如与单台仪器所用的GPIB 接口相比，USB接口的成本不到前者的三分之一。当前USB接口已被测试测量仪器供应商和用户认可，成功地将这种 PC外设总线直接用作仪器总线,而无需扩展的一个成功范例。

　　几年前只有掌上式的功能较简单或频率较低的 USB仪器出现，例如数据采集器、数字示波器、数字多用表等 PC 附件式仪器，因为 USB 设备之间的通信必须通过 PC主机来实现，而且USB接口的直流供电电流只有100 mA/5V，不能满足复杂仪器的连接和供电。后来增加USB接口附属条文OTG解决了设备之间的直接通信问题，接着 USB标准1.0版本开级至2.0 , 新标准的数据传输率从 12 Mbps增加至480Mbps, 扩大了USB接口在测试测量仪器的应用范围。随着 PC时钟频率和外围设备数据率的提高，今年USB接口准备增加直流供电电流值、连接器和集线器微型化、推出多种加固型连接器等有利于USB接口发展的新措施。

　　USB 接口具备良好的组网能力，借助星形链可连接127个USB设备，每条连接电缆最长5 m ，分级通过5个集线器的最长距离可达30 m。通过USB 接口组网为数据采集系统带来许多方便，使系统的通道数和取样速率大幅度提高。近两年来，由于已使用四十年的 GPIB 总线将由新一代的 LXI总线代替，单台台式仪器开始选用USB接口, 应用面扩大到中髙档的台式仪器。例如示波器业巨头Tek公司的几种经济型数字示波器, 如最高带宽200 MHz和最高取样率2GS/s 的TDS1000B和TDS2000B系列只配置 USB接口，不再安装 GPIB接口。实现即插即用的与 PC的无缝连接,简化数据收集、捕捉、分析的工作进程，达到降低仪器成本、使仪器轻巧、提高生产效率的要求。数字示波器还提供外接设备的 USB 接口，可连接闪存和打印机, 作数据储存、交换和现场升级之用。测试测量仪器业的著名公司，如引领LXI联合体的安捷伦、引领 PXI系统联盟的NI等公司都生产 USB仪器，包括单通道20 GHz微波功率计、中等特性的频谱分析仪、光谱分析仪、取样率1 MS/s的多通道数据采集系统等。而且使用 LXI或 PXI作为主要接口的模块仪器，大部分都同时安装 USB接口作为辅助接口，以便扩大模块仪器的连接能力。

　　USB总线特性还在提高，值得注意的有，一是无线 USB (WUSB) 标准己经通过，将可实现无线的 USB仪器互连;二是 USB的供电电流可从500 mA/5V 提高到6A/5V，便于更大功耗仪器的供电;三是准备再提高传输率，加快存储媒体的数据交换能力。显然，在今后几年内USB总线将在试测量仪器中发挥更大作用，扩大应用范国。

　　基于 USB接口的仪器系统

　　USB仪器是作为PC机外设接入USB接口的，由USB总线与PC机建立主从通信联系，同时从PC机接口获取直流供电。实质上，USB仪器就是虚拟仪器，它借助PC机实现接口控制、编写程序、数据处理、虚拟面板、数据存储等测试测量仪器的功能。

一个 USB 接口由三个元件组成，一是主控机(PC机或笔记本机)，二是USB设备(通过USB收发器芯片)，三是USB连接电缆 (四线或无直流供电的双线电缆)。USB接口数据采用数据包传送，每帧1 ms ，分成8个125 us 的微帧。PC 主控机启动对USB设备的数据传输时，最简单的作业需要三至四个数据包，即主机请求、数据传送和主机确认信息。

　　向 USB 设备发送数据或从 USB设备接收数据都要经过USB设备端点(EP), EP 相当于单向开关，只能单方向传送数据。主控机PC与 USB信息交换有四种基本传输模式：

　　1、中断数据传输(INT)—要求定时和可靠地传输小量数据时使用

　　2、同步数据传输(ISO)—事前协商带宽和允许有数据损失时使用

　　3、块数据传输(BULK)—要求快速和无数据损失传输大量数据时使用

　　4、控制传输(CTL)—通常用于发送配置、命令、状态等数据包

 

　　图1 USB 仪器系统的方框图

　　一个基于 USB接口标准的仪器系统方框图如图1所示，为了便于说明, 把它具体化为一台通用的USB 数据采集系统。图中左边方框是数据采集前端，收集传感器等器件传送来的模拟和/或数字输出信号。图中右边方框是嵌入式处理器、通信和控制逻辑电路和一组EP。经过数字处理后的多通道传感器信号，按序列由各EP送到 USB接口和电缆，最后输入到主控 PC机。在构建 USB 仪器系统时，主要考虑图中右边的处理器、通信和控制逻辑的选择：

　　·数据传输率—USB标准有1.5 Mbps (低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)三种速率，可根据输入信号的最髙速率和主控 PC机能够支持的数据率，权衡和选择 USB接口。

　　·PC 机的USB接口—台式 PC和笔记本PC都有两个以上USB 接口分别称为主接口A和设备接口B。主接口A 连接 PC使用的 USB外围设备，如闪存、硬盘和其它外设。设备接口B用于连接 USB 仪器。

　　·因为 USB接口标准没有定义仪器的USB设备类别，为了便于测试测量仪的接入, 由 USB-IF(USB 实施者论坛)定义一个特别的设备类别，称为测试测量仪器类别，简称(USBTMC)类。USB-IF将USBTMC 设备设计成模拟GPIB(IEEE488.1) 总线的设备，因而原来大量 GPIB仪器使用的程序和驱动器

完全可移植到USB接口。

　　·即插即用连接性—USB接口具有即插即用和热插拔的特点，这是其它仪器接口所不具备的。例如，仪器在以太网的接入需要冷插拔，输入 IP 地址和相关数据后才能起动。在 USB连接工具，例如 NI 公司的测量和自动化资源管理器(MAX)帮助下，USBTMC 仪器可自动完成USB测量系统检测和系统配置。

　　·保护用户的USB资源—USB接口是当前PC最通行的接口，但是技术的进步一日千里，技求不断创新，今后肯定有更先进的PC外设总线出现。为了保护用户的投资，遇到仪器使用的通信总线过时的情况下，USB仪器能够立刻转换到新总线上。

　　最好的选择是在USB接口协仪上层增加虚拟仪器软件结构(VISA)，或者NI公司的 LabVIEW 即插即用仪器驱动器。在标准应用编程接口( API )的帮助下，USB接口可方便地转换到其它仪器接口。目前可以实现的转换包括 GPIB/USB/串口/以太局域网四类仪器。原有 GPIB仪器接入USB仪器系统还有更简单的方法，即采用GPIB--USB转换直接将GPIB仪器变成USB仪器，达到接口转换和升级, 以保护单台过时的GPIB 仪器继续发挥作用。

　　USB仪器系统的驱动程序

　　USB协议是一种共享式的总线，当USB设备接入PC时，PC与USB设备之间启动枚举过程。PC检测到有 USB设备接入，首先自动发出查询请求，USB设备应答查询请求，发回设备生产商的识别码ID和产品识别码 ID。PC根据这两个ID装载驱动程序，完成枚举过程，建立通信联系。

　　当前，市场供应许多种USB协议的接口芯片，不带微控制器内核的有Philips公司的PDIUSBD12系列、NS公司的USBN9602系列等;带微控制器内核的有Cypress公司的EZ- USB系列、Atmel公司的AT83C5134系列等。智能USB接口芯片将微控制器内核、USB接口引擎、USB收发模块、存储器、闪存或FPGA、串行口等功能集成在一起，从而减少芯片接口时序，减小引脚数和占用面积，是 USB接口芯片的发展方向。一种智能 USB接口芯片的方框图如图2所示。此外，还有 USB设备组网使用的集线器芯片、USB路由器芯片可供使用。

 

　　图2 一种智能 USB接口芯片方框图

　　USB接口芯片完成枚举后便可作为一个USB设备(缺省USB设备)与PC通信，由微控制器内核与PC建立通信联系。缺省USB设备接口中包括一组14个EP 端点，如表1所示。

表1 缺省USB设备的 EP端点

　　从表1可知，一组EP中由1个控制 ( CTL)EP，1个中断(INT)EP，3对(1进、1出)块数据(BULK) EP,3对 (1进1出)同步数据(ISO) EP组成。PC与USB设备的通信主要包括两个方面：一是读取数据;二是给USB设备发送控制命令。发送控制命令先发送一个命令包，然后发送后续数据或从设备读取响应数据。例如，使用缺省配置中的6个EP来完成：

　　.EP OUT2 BULK：发送控制命令包

　　.EP IN2 BULK：接收USB设备发来的消息

　　.EP IN4 BULK：从USB设备读取数据

　　.EP OUT4 BULK：向USB设备发送数据

　　.EP OUT6 BULK：向USB设备发送辅助指令

　　.EP IN1 INT：从USB设备读取响应信号

　　由于接口协议内容复杂，从底层向上开发只有软件工程师才能胜任。为了简化 USB接口的编程，芯片生产商提供的 USB接口驱动程序执行从顶层向下分层处理，用户无需直接与硬件打交道。有关USB 接口的命令、读写等操作全部由 USB接口驱动程序传送给 USB设备。仪器电路设计工程师只要设定一个消息序列，当接收到 PC主机发来的消息时, 通过中断程序将消息放入序列，处理完华后再处理消息序列中的下一个消息，直至结束。此外，测试测量仪器业的 IVI 　(可互换虚拟仪器)基金会拥有2000多种不同类型的驱动程序可供参考，为非软件专业的仪器电路设计工程师编写 USB接口驱动程序提供方便。

　　结语

　　USB接口在虚拟仪器和台式仪器中的应用日益扩大，由于具有优良的性价比，从早期的附件式低档仪器开始，当前己进入到中高档仪器，成为测试测量仪器的重要非标准接口。

　　借助性能价格比的提高，诸如无线传送、定时触发、髙传输率等，USB接口今后还有发展空间。作为电路设计的工程技术人员，有必要重视 USB 接口技术，在测试测量仪器中充分发挥其潜力。