USB儀器成測量儀器主流
加入技術(shù)交流群
3 USB數(shù)字示波器
USB數(shù)字示波器是USB儀器的另一類產(chǎn)品,大部分是掌上型的結(jié)構(gòu),可與筆記本電腦組成便攜式數(shù)字示波器。目前有多種帶寬200MHz以下的產(chǎn)品可供選擇,最簡單的是單通道的筆型USB,再復(fù)雜一點的是雙通道掌上型USB數(shù)字示波器。它們避開已在示波器市場中占有優(yōu)勢的臺式、便攜式、手持式數(shù)字示波器,另辟微型數(shù)字示波器天地,而且售價便宜,100至200美元可購得實用的產(chǎn)品。這類微型數(shù)字示波器的性能并不比手持式數(shù)字示波器的性能差,當(dāng)然不能要求他們具有便攜式數(shù)字示波器那樣全面的指標。
Elan公司生產(chǎn)的一種筆型USB數(shù)字示波器USBScope50，具有100MHz模擬帶寬，8位分辨率，單次取樣率50MS/s，重復(fù)取樣率1GS/s，單通道輸入，輸入電壓量程0.3V/3V/30V，配用X10倍採頭（1MΩ/15pF），Windows 98SE/2000/XP數(shù)字示波器軟件，輸入端與USB接口之間有300V的隔離保護，采用USB1.1或USB2.0接口。USBScope50沒有機械可調(diào)旋鈕和開關(guān)，全部電氣參數(shù)通過軟面板作程控調(diào)節(jié)。需要多路輸入時可堆疊多個同型號產(chǎn)品，通道間延時可程控調(diào)整至匹配，實現(xiàn)并行觸發(fā)。USBScope50實際上構(gòu)成簡單的虛擬示波器，適于簡單的波形顯示。
Stingray公司的掌上型DS1M12屬于一機多用，是頻率響應(yīng)較低的USB數(shù)字示波器，它采用分辨率12位和取樣率1MS/s的A/D轉(zhuǎn)換器，可在20MS/s重復(fù)取樣率下對兩路輸入信號同時取樣，模擬帶寬250KHz，每路輸入有32KB的波形存儲。提供兩種應(yīng)用軟件：EasyScope用于數(shù)字示波器，EasyLogger用于數(shù)據(jù)采集。DS1M12具備數(shù)字示波器、數(shù)據(jù)記錄器、頻譜分析儀、數(shù)字電壓表、頻率計、任意波形發(fā)生器等多種功能。在Windows操作系統(tǒng)下可下載第三方的應(yīng)用軟件，使用最通用的LabVIEW編程語言，提供Windows和Linux驅(qū)動器軟件。裝入EasyScope和EasyLogger兩種應(yīng)用軟件后，DS1M12具有以下的主要性能：
·在EasyScope軟件下，時基2μs/格至50ms/格（共14步進），垂直量程10mV/格至5V/格（共6步進），X和Y方向光標，度量顯示（Min/Max/平均/Vrms/F），頻譜顯示，測量結(jié)果下載，屏幕下載，波形發(fā)生（正弦、方波、三角波、鋸齒波、用戶自定義波形）。
·在EasyLogger軟件下，取樣率（100K樣點/秒至100S/樣點），Y軸定標(mV/V/用戶定義),
X軸定標(時間或樣點數(shù)),3種屏幕光標,4種彈出或E?mail告警,數(shù)據(jù)下載(CSV、BMP、文本、二進制)，調(diào)用歷史文檔，為使用者加注備忘錄。
·硬件方面還有32KB波形存儲，脈沖參數(shù)觸發(fā)（邊緣、寬度、最大/最小），延時觸發(fā)，任意波形發(fā)生器（10位分辨率，±3.5V輸出），尺寸：116 mm×30 mm×100mm，重量：160克。
Acute公司的DS?1000USB數(shù)字示波器是著重模擬帶寬的衣袋式PC基示波器，在USB2.0接口下工作，具備臺式數(shù)字示波器的大部分功能：
·采用9位分辨率和200MS/s取樣率，5GS/s的等效取樣率，兩路輸入的靈敏度2mV/格至10V/格；
·外觸發(fā)和TV觸發(fā)時，帶寬可以從200MHz限制成20MHz，脈沖參數(shù)觸發(fā)和復(fù)雜波形觸發(fā)；
·最多可構(gòu)成6路堆疊輸入，具有64K/512K樣點存儲容量，單次FFT變換、數(shù)學(xué)運算、記錄/回放等波形處理功能，互聯(lián)網(wǎng)控制；
·數(shù)據(jù)輸出方式有WORD、EXCEL、HTML等。
4 USB的儀器擴展，實時同步控制
USB作為儀器系統(tǒng)接口時存在一定的限制，因為USB器件是獨立運行的，多個USB器件通過單一端口連接在一起時，它們之間沒有同步關(guān)系。USB總線的設(shè)計是基于異步的點對點結(jié)構(gòu)，各器件無法實時協(xié)同工作。對于儀器系統(tǒng)來說，往往需要實時同步控制，此時只好放棄使用USB接口，而選擇VXI或PXI這些成本較高的接口。事實上，VXI和PXI都是PC總線的擴展，最重要的擴展內(nèi)容就是增加了定時和同步功能。因此，借助USB接口的現(xiàn)有成果，增加定時和同步功能，擴大USB接口儀器的應(yīng)用范圍被提上日程。最近Fiberbyte公司推出一種USB?inSync(USB同步)技術(shù)，保留原有的USB總線的全部特性，增加了實時同步控制功能，擴大USB接口在儀器系統(tǒng)的應(yīng)用，可視為USB接口的一項革新。它使USB總線轉(zhuǎn)換成為具有同步性、確定性和可擴展性的操作平臺，為儀器系統(tǒng)提供低成本、操作簡便的互連總線。USB?inSync的主要特點如下：
·可利用原來的標準USB電纜、端口、連接器、集線器等資源；
·全部USB inSync器件連接到同一個USB端口，互相連鎖成為一個同步系統(tǒng)；
·最多同步連接127個分立器件，同步時差在±5ns以內(nèi)；
·可選擇互連器件中任一USB?inSync器件作為定時參考，用于控制其他器件；
·具有即插即用功能，互連器件的同步控制和處理通過USB端口由PC機管理；
·在數(shù)據(jù)采集時提供16位模擬輸入，16位數(shù)字I/O，以及數(shù)字觸發(fā)；
·普通USB器件與USB inSync器件完全兼容，共同組成測量儀器系統(tǒng)；
·PC主機需要運行Windows XP或Windows 2000操作系統(tǒng)，奔騰Ⅲ以上的處理器，128MB以上內(nèi)存，10MB以上的硬盤空間，以及USB1.1以上的主控制器。
Fiberbyte公司已開始供應(yīng)USBinSync數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，DAQ2500X是第一款產(chǎn)品，它有4個獨立的16位分辨率、取樣率100KS/s的模擬輸入通道，各通道內(nèi)置獨立的A/D轉(zhuǎn)換器，強大的先入先出（FIFO）處理能力可實施突發(fā)同時取樣，4組A/D的100KS/s取樣率構(gòu)成1MB/s的數(shù)據(jù)吞吐率，模塊同時支持程控的數(shù)字I/O和觸發(fā)，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集。應(yīng)該指出，USB接口是為多種類不同功能的器件并行工作而設(shè)計的，由PC主機通過異步總線對器件做順序交互處理，這種異步操作方式妨礙了器件之間的直接互動，建立多器件之間的同步和處理能力非常有限。使用USBinSync方式的DQA2500X擁有自己的局域時鐘，對PC的USB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的USBinSync器件建立相位鎖定。主集線器起著定時控制器的作用，實現(xiàn)器件之間的時間同步和數(shù)據(jù)處理，主集線器根據(jù)各器件的相位差做出相位補償，保證各器件完全同步工作。當(dāng)組網(wǎng)器件數(shù)目變化時，定時和同步過程自動重新調(diào)整，只要Windows操作系統(tǒng)識別出新器件，立即建立同步關(guān)系。USBinSync技術(shù)還提供決定性的數(shù)字觸發(fā)，使測量系統(tǒng)的測試啟動和停止按照可控方式執(zhí)行，而且可將定時和同步擴展到系統(tǒng)內(nèi)的其他從集線器，建立起主—從集線器的定時和同步通道。
5 無線USB即將成為新成員
USB1.1和USB2.0的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，數(shù)字巨大。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)今有15億條USB線纜遍布不同的應(yīng)用領(lǐng)域，到2006年這個數(shù)字將翻一番而超過30億條，主要來自隨身音頻產(chǎn)品、數(shù)碼相機、打印機、移動硬盤、閃存存儲體。新的筆記本電腦開始配置無線以太網(wǎng)，大量USB外設(shè)的應(yīng)用也促使無線USB能夠早日進入市場，以減少USB器件與PC機的互連線纜。為了促進無線USB的發(fā)展，前幾年Agrere系統(tǒng)、惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導(dǎo)體、三星電子等7家公司組成了無線USB促進組織（WUSUPG），目的是制訂無線USB規(guī)范。該組織得到100多家會員的支持，無線USB規(guī)范草案已在今年提交給了USBIF，預(yù)定在今年年底之前公布。首批符合無線USB標準的產(chǎn)品將以分立芯片方式出現(xiàn)，包括控制器芯片、適配器、收發(fā)器等，然后由更高集成度的單芯片來完成。
無線USB規(guī)范是構(gòu)建在超寬帶（UWB）的無線多媒體（WiMedia）匯聚平臺上，亦即使用UWB作載體，發(fā)射和接收USB規(guī)范的信息。UWB短距離無線通信方式是無載波的超短脈沖序列調(diào)制波，占有GHz級的帶寬，UWB已成為IEEE802.15.3a標準。無線USB通過協(xié)議適配層與WiMedia匯聚平臺連接，構(gòu)建一個與USB2.0兼容的應(yīng)用軟件棧，分享UWB的射頻協(xié)議，并獲得IEEE802.15.3a的承認。通過UWB發(fā)射和接收的無線USB提供等同高速USB的數(shù)據(jù)傳輸率，在3m距離內(nèi)帶寬達到480Mbps，10m距離內(nèi)達到110Mbps。順便提及，測量儀器經(jīng)常使用的IEEE1394接口的無線方式也是構(gòu)建在UWB規(guī)范之上的?？梢灶A(yù)見，將有更多設(shè)備通過UWB射頻進行無線收發(fā)，它們在WiMedia層匯聚，不管它們原來是什么協(xié)議的信號，經(jīng)過匯聚層后都會轉(zhuǎn)換成相同的UWB信號，由UWB物理層發(fā)射，它們各自分享極寬的UWB射頻。UWB已被美國試用作為無需申請使用頻率許可的局域網(wǎng)短距離通信，分享UWB射頻的無線USB已取得滿意的無線收發(fā)效果，并保持USB2.0的特點，當(dāng)然，由于非線纜的互連，USB2.0中的直流供電不再存在了。
無線USB用到測量儀器還要等待一段時間，首先需在PC機上使用和取得成功，并且成本降低到與USB2.0差不多，然后利用成熟的無線USB芯片制成無線USB儀器。同時，無線USB需獲得政府的無線電管理部門批準作為開放頻段，無線USB測量儀器才能普及。預(yù)計這段時間是2至3年，相信此時UWB技術(shù)同樣會取得進展，發(fā)射和接收距離將超過3m，無線USB亦相應(yīng)獲益，在3m距離外保持480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。
6 結(jié)束語
USB儀器進入測量儀器市場已經(jīng)7年，早期進展較慢。自USB2.0高速接口推出后，USB儀器無論在品種、性能、應(yīng)用等方面都以更快步伐前進，不僅局限于普通指標的USB儀器，已出現(xiàn)具有特色的更高檔次的USB儀器，如定時和同步擴展，GHz級時域反射計等。如果USB儀器的小型化和微型化取得成功，肯定會出現(xiàn)更多的微型測量儀器。無線USB儀器的面市，將使測量儀器的機動性得到提高。USB儀器開始成為測量儀器的主流，同時推動傳統(tǒng)儀器向小型化和微型化方向發(fā)展。
評論