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基於USB的數據採集設備嶄露頭角

上網時間: 2005年01月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:National Instruments  USB  data acquisition device  Sensors Plug&Play  Transducer Electronic Data Sheet 

USB的普遍採用以及USB規格的最新改進對於測量和自動化等許多其他應用也是很有幫助的,本文討論USB及其在實現測量系統中的有效性的更多細節。

通用串列匯流排(USB,Universal Serial Bus)最初是為了將鍵盤、滑鼠等週邊設備連接到PC而設計。近年來,USB的應用日益廣泛。大部份PC和可攜式電腦都配備有USB,而且目前的大部份作業系統都支援USB。事實證明,USB的普遍採用以及USB規格的最新改進對於測量和自動化等許多其他應用也是很有幫助的。

傳統上,數據採集系統由獨立的機箱設備通過串列埠或GPIB介面與電腦連接組成。隨著基於電腦的測量技術的出現,數據採集設備可以通過PCI、ISA或PXI連接到PC的數據匯流排。現在,越來越多的測量系統包含有通過USB匯流排連接的測量設備。本文的後續部份將討論USB及其在實現測量系統中關於有效性的更多細節。

USB的技術特點

USB標準是為簡化週邊設備與電腦的連接而開發的。USB 1.1規格規定的最大傳輸速率為12Mb/s,但USB的最新發展已大幅提高了這個速度。

USB主機自動檢測何時某個新設備被添加上去,並查詢設備的身份,正確配置其驅動程式。由於匯流排拓樸結構的設計,一個埠最多可同時執行127個設備。相較之下,傳統的埠在每個埠只支援一個設備。通過增加連接器(hub),可以在一個USB主機上添加更多埠,為更多的週邊設備設立連接。

USB 2.0規格根據傳輸速率將USB設備分為三類:


* 低速設備,例如鍵盤和滑鼠,工作在1.5Mb/s


* 全速設備,工作在12Mb/s


* 新的高速類設備傳輸速率可達480Mb/s,比USB1.1標準快40倍

USB 2.0和1.1規格相較,影響測試和測量設備的主要區別是,增加了低延遲480Mb/s傳輸,以及改進了主機軟體規格。但USB1.1相容設備不會被淘汰,因為所有的USB1.1設備都與USB2.0標準相容(它們被區分為全速或低速設備)。

除了速度上的變化之外,新的高速協議還包含了一些其他的不同。本文不打算深入研究USB2.0的技術細節,而將重點放在USB在測量應用中的使用方面。

USB具有易於嵌入的特點。即插即用(plug & play)特性使得USB設備的配置很簡便,由於與主機之間採用單根電纜連接,使USB設備非常可攜。這些優勢使得在數據採集中採用USB非常具有吸引力。

採用USB的測量應用

雖然目前市場上的大部份數據採集設備使用的是PCI或PXI匯流排,但USB匯流排正迅速流行起來。2003年VDC公司(Venture Development Corporation)一份關於數據採集發展趨勢的研究顯示,幾乎半數受訪者計畫在2007年前購買一件USB數據採集設備。雖然一般而言PCI和PXI數據採集設備具有更高的性能指標,但現在人們可以把USB數據採集與其他技術結合起來,在測量時充分發揮簡單、可攜和距離上的優勢。

表1:採用感應器即插即用技術來替代傳統數據採集系統時,
系統的組裝和配置步驟大幅減少。

USB比PCI和ISA等一些傳統的內部PC匯流排更容易使用。採用USB的設備可以熱拔插,免除了增減設備時必須關閉PC的麻煩。USB匯流排還具有自動的設備檢測能力,設備插入之後,作業系統軟體會自動地檢測、安裝和配置該設備。

高速數據和控制應用將得益於USB可以同步或非同步地進行數據傳輸的能力。同步傳輸時,USB通過基於時間的數據封包分發保證了頻寬。同步傳輸可以保證一次傳輸在規定的時間長度內完成,但不能保證傳輸中沒有誤碼。USB協議保證,請求了同步頻寬的設備在每一訊框中有預定數目的數據封包。數據量龐大的應用通常要求同步頻寬。

測量和控制系統往往需要對事件進行響應的能力。USB允許任何設備產生一個非同步事件。非同步傳輸能保證準確發送,具有緊急消息需要傳輸的設備可以被給予最高的優先等級。非同步傳輸應用包括發送控制消息和更改設備的參數。

USB和感應器即插即用簡化了數據採集

NI公司日前曾提出‘感應器即插即用’(Sensors Plug&Play)行動,並針對TEDS (Transducer Electronic Data Sheet,感應器電子數據表)感應器的IEEE 1451.4標準推出數據採集產品。透過採用感應器即插即用技術和新的USB數據採集設備,工程師和科學家們可以製作一個從感應器到軟體的完整的即插即用數據採集系統。目前已經有許多廠商提供經過預先測試可以無縫地與感應器即插即用硬體共同工作的感應器。

感應器即插即用與USB相結合,帶來的好處是不僅降低了成立和配置的成本,而且還降低了編程的成本。

下表顯示了在有和沒有感應器即插即用以及USB的兩種情況下,成立和配置一個數據採集系統過程的對比。表說明1:採用感應器即插即用技術來替代傳統數據採集系統時,系統的組裝和配置步驟大幅減少。由表可見,數據採集系統的成立時間可縮短50%。

USB和‘遠距離’數據採集應用

遠距離可能並不是USB技術的一項特性,因為USB規格將主機與設備之間,連接器與設備之間,以及主機與連接器之間的距離限制在5m之內。USB規格還限制總層數不超過7層,這意味著用戶可以通過最多使用5個連接器,將一個USB設備置於距離主機最遠為30m的位置。

不過,一些廠商開發出了新的技術,將主機與USB設備之間的距離擴展到了2km,同時仍然滿足USB規格。擴展距離的兩種主要方法為:

1) CAT5(乙太網路)電纜(100英呎到100m):這類擴展器提供兩個元件,即一個本地元件(主機一側)和一個遠端元件(設備一側),用CAT5電纜通過RJ45連接器進行連接。設備一側的元件起著遠端連接器的作用,而且常常具有多個埠。這是一種成本較低的USB擴展方案。提供這種技術的公司包括Network Technologies (NTI)和Icron Technologies等。


2) 光纖電纜(230英呎到2km):這種方法採用與CAT5擴展器相同的概念,使用一個本地元件和一個遠端元件。不同的是在這種方案中,二者通過光纖電纜進行連接,傳輸距離更遠。這種方案的成本比CAT5更高。提供這種技術的公司包括Icron Technologies和Opticis等。

本文小結

對於可攜式測量或簡單測量,USB數據採集已成為新的首選。隨著USB數據採集設備繼續減少體積和降低功耗,它們也變得更加可攜和經濟。隨著USB On-The-Go和無線USB等新技術的出現,未來USB在測量和自動化領域的應用必定無可限量。

作者:Chandran Nair


東盟地區管理總監


National Instruments公司





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