USB(通用串行總線)作為PC機(jī)的外設(shè)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(jiǎn)單、兼有直流供電、傳輸率最高480 Mbps、價(jià)格大眾化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。每部臺(tái)式 PC 機(jī)和筆記本 PC都配備2個(gè)以上USB接口，除了大量PC外圍設(shè)備之外，便攜音視頻、移動(dòng)電話、消費(fèi)電子等產(chǎn)品亦廣泛使用USB 接口。自從2001年 PC開(kāi)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(guò)20億套，至今總安裝數(shù)累計(jì)已超過(guò)50億套, USB 接口成為最普及的、也是成本最低的 PC外設(shè)接口。

　　近年來(lái)，USB接口獲得測(cè)試測(cè)量儀器業(yè)和用戶(hù)的認(rèn)同，應(yīng)用面從簡(jiǎn)單的附件式儀器擴(kuò)大到中髙檔臺(tái)式儀器，它們直接使用這種PC外設(shè)接口作為儀器通信互連總線。雖然USB接口不是測(cè)試測(cè)量業(yè)的通用儀器標(biāo)準(zhǔn)接口，但它是筒單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)效的非標(biāo)準(zhǔn)接口，成為單臺(tái)儀器接口的最佳選擇。

　　USB接口的儀器應(yīng)用

　　現(xiàn)今，測(cè)試測(cè)量?jī)x器業(yè)共擁有四種開(kāi)放式儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，它們是GPIB(IEEE488) 、VXI、PXI、LXI。其中GPIB是參考早期 PC 總線構(gòu)建的儀器總線, VXI、PXI都是由PC通用外設(shè)總線擴(kuò)展而成的儀器總線,而 LXI是以太網(wǎng)接口擴(kuò)展而成的儀器接口。因?yàn)?PC外設(shè)總線和以太網(wǎng)應(yīng)用面廣泛、性能價(jià)格比高，擴(kuò)大到儀器應(yīng)用具有因利乘便、事半功倍的效益。

　　四種儀器標(biāo)準(zhǔn)總線的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)由臺(tái)式儀器和/或模塊儀器組成的通信網(wǎng)絡(luò),顯然，它們用于單臺(tái)儀器是資源過(guò)剩,并不具有高性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)。在USB 接口未推出之前，單臺(tái)儀器與 PC 機(jī)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(jì)實(shí)用。例如與單臺(tái)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(dāng)前USB接口已被測(cè)試測(cè)量?jī)x器供應(yīng)商和用戶(hù)認(rèn)可，成功地將這種 PC外設(shè)總線直接用作儀器總線,而無(wú)需擴(kuò)展的一個(gè)成功范例。

　　幾年前只有掌上式的功能較簡(jiǎn)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?yàn)?USB 設(shè)備之間的通信必須通過(guò) PC主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且USB接口的直流供電電流只有100 mA/5V，不能滿(mǎn)足復(fù)雜儀器的連接和供電。后來(lái)增加USB接口附屬條文OTG解決了設(shè)備之間的直接通信問(wèn)題，接著 USB標(biāo)準(zhǔn)1.0版本開(kāi)級(jí)至2.0 , 新標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸率從 12 Mbps增加至480Mbps, 擴(kuò)大了USB接口在測(cè)試測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用范圍。隨著 PC時(shí)鐘頻率和外圍設(shè)備數(shù)據(jù)率的提高，今年USB接口準(zhǔn)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(gè)USB設(shè)備，每條連接電纜最長(zhǎng)5 m ，分級(jí)通過(guò)5個(gè)集線器的最長(zhǎng)距離可達(dá)30 m。通過(guò)USB 接口組網(wǎng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)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(lái)，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(tái)臺(tái)式儀器開(kāi)始選用USB接口, 應(yīng)用面擴(kuò)大到中髙檔的臺(tái)式儀器。例如示波器業(yè)巨頭Tek公司的幾種經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)即插即用的與 PC的無(wú)縫連接,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集、捕捉、分析的工作進(jìn)程，達(dá)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(shè)備的 USB 接口，可連接閃存和打印機(jī), 作數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、交換和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)之用。測(cè)試測(cè)量?jī)x器業(yè)的著名公司，如引領(lǐng)LXI聯(lián)合體的安捷倫、引領(lǐng) 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(jì)、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(shí)安裝 USB接口作為輔助接口，以便擴(kuò)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(wú)線 USB (WUSB) 標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)通過(guò)，將可實(shí)現(xiàn)無(wú)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(zhǔn)備再提高傳輸率，加快存儲(chǔ)媒體的數(shù)據(jù)交換能力。顯然，在今后幾年內(nèi)USB總線將在試測(cè)量?jī)x器中發(fā)揮更大作用，擴(kuò)大應(yīng)用范國(guó)。

　　基于 USB接口的儀器系統(tǒng)

　　USB儀器是作為PC機(jī)外設(shè)接入USB接口的，由USB總線與PC機(jī)建立主從通信聯(lián)系，同時(shí)從PC機(jī)接口獲取直流供電。實(shí)質(zhì)上，USB儀器就是虛擬儀器，它借助PC機(jī)實(shí)現(xiàn)接口控制、編寫(xiě)程序、數(shù)據(jù)處理、虛擬面板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等測(cè)試測(cè)量?jī)x器的功能。

一個(gè) USB 接口由三個(gè)元件組成，一是主控機(jī)(PC機(jī)或筆記本機(jī))，二是USB設(shè)備(通過(guò)USB收發(fā)器芯片)，三是USB連接電纜 (四線或無(wú)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(gè)125 us 的微幀。PC 主控機(jī)啟動(dòng)對(duì)USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最簡(jiǎn)單的作業(yè)需要三至四個(gè)數(shù)據(jù)包，即主機(jī)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)傳送和主機(jī)確認(rèn)信息。

　　向 USB 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)或從 USB設(shè)備接收數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)USB設(shè)備端點(diǎn)(EP), EP 相當(dāng)于單向開(kāi)關(guān)，只能單方向傳送數(shù)據(jù)。主控機(jī)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(shí)和可靠地傳輸小量數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)使用

　　3、塊數(shù)據(jù)傳輸(BULK)—要求快速和無(wú)數(shù)據(jù)損失傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)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

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　　圖1 USB 儀器系統(tǒng)的方框圖

　　一個(gè)基于 USB接口標(biāo)準(zhǔn)的儀器系統(tǒng)方框圖如圖1所示，為了便于說(shuō)明, 把它具體化為一臺(tái)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(lái)的模擬和/或數(shù)字輸出信號(hào)。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(guò)數(shù)字處理后的多通道傳感器信號(hào)，按序列由各EP送到 USB接口和電纜，最后輸入到主控 PC機(jī)。在構(gòu)建 USB 儀器系統(tǒng)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)有1.5 Mbps (低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)三種速率，可根據(jù)輸入信號(hào)的最髙速率和主控 PC機(jī)能夠支持的數(shù)據(jù)率，權(quán)衡和選擇 USB接口。

　　·PC 機(jī)的USB接口—臺(tái)式 PC和筆記本PC都有兩個(gè)以上USB 接口分別稱(chēng)為主接口A和設(shè)備接口B。主接口A 連接 PC使用的 USB外圍設(shè)備，如閃存、硬盤(pán)和其它外設(shè)。設(shè)備接口B用于連接 USB 儀器。

　　·因?yàn)?USB接口標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有定義儀器的USB設(shè)備類(lèi)別，為了便于測(cè)試測(cè)量?jī)x的接入, 由 USB-IF(USB 實(shí)施者論壇)定義一個(gè)特別的設(shè)備類(lèi)別，稱(chēng)為測(cè)試測(cè)量?jī)x器類(lèi)別，簡(jiǎn)稱(chēng)(USBTMC)類(lèi)。USB-IF將USBTMC 設(shè)備設(shè)計(jì)成模擬GPIB(IEEE488.1) 總線的設(shè)備，因而原來(lái)大量 GPIB儀器使用的程序和驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(guān)數(shù)據(jù)后才能起動(dòng)。在 USB連接工具，例如 NI 公司的測(cè)量和自動(dòng)化資源管理器(MAX)幫助下，USBTMC 儀器可自動(dòng)完成USB測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)和系統(tǒng)配置。

　　·保護(hù)用戶(hù)的USB資源—USB接口是當(dāng)前PC最通行的接口，但是技術(shù)的進(jìn)步一日千里，技求不斷創(chuàng)新，今后肯定有更先進(jìn)的PC外設(shè)總線出現(xiàn)。為了保護(hù)用戶(hù)的投資，遇到儀器使用的通信總線過(guò)時(shí)的情況下，USB儀器能夠立刻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)(VISA)，或者NI公司的 LabVIEW 即插即用儀器驅(qū)動(dòng)器。在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口( API )的幫助下，USB接口可方便地轉(zhuǎn)換到其它儀器接口。目前可以實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換包括 GPIB/USB/串口/以太局域網(wǎng)四類(lèi)儀器。原有 GPIB儀器接入USB儀器系統(tǒng)還有更簡(jiǎn)單的方法，即采用GPIB--USB轉(zhuǎn)換直接將GPIB儀器變成USB儀器，達(dá)到接口轉(zhuǎn)換和升級(jí), 以保護(hù)單臺(tái)過(guò)時(shí)的GPIB 儀器繼續(xù)發(fā)揮作用。

　　USB儀器系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序

　　USB協(xié)議是一種共享式的總線，當(dāng)USB設(shè)備接入PC時(shí)，PC與USB設(shè)備之間啟動(dòng)枚舉過(guò)程。PC檢測(cè)到有 USB設(shè)備接入，首先自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請(qǐng)求，USB設(shè)備應(yīng)答查詢(xún)請(qǐng)求，發(fā)回設(shè)備生產(chǎn)商的識(shí)別碼ID和產(chǎn)品識(shí)別碼 ID。PC根據(jù)這兩個(gè)ID裝載驅(qū)動(dòng)程序，完成枚舉過(guò)程，建立通信聯(lián)系。

　　當(dāng)前，市場(chǎng)供應(yīng)許多種USB協(xié)議的接口芯片，不帶微控制器內(nèi)核的有Philips公司的PDIUSBD12系列、NS公司的USBN9602系列等;帶微控制器內(nèi)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(nèi)核、USB接口引擎、USB收發(fā)模塊、存儲(chǔ)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(shí)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(shè)備組網(wǎng)使用的集線器芯片、USB路由器芯片可供使用。

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　　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(gè)USB設(shè)備(缺省USB設(shè)備)與PC通信，由微控制器內(nèi)核與PC建立通信聯(lián)系。缺省USB設(shè)備接口中包括一組14個(gè)EP 端點(diǎn)，如表1所示。

表1 缺省USB設(shè)備的 EP端點(diǎn)

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

　　.EP OUT2 BULK：發(fā)送控制命令包

　　.EP IN2 BULK：接收USB設(shè)備發(fā)來(lái)的消息

　　.EP IN4 BULK：從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)

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

　　.EP OUT6 BULK：向USB設(shè)備發(fā)送輔助指令

　　.EP IN1 INT：從USB設(shè)備讀取響應(yīng)信號(hào)

　　由于接口協(xié)議內(nèi)容復(fù)雜，從底層向上開(kāi)發(fā)只有軟件工程師才能勝任。為了簡(jiǎn)化 USB接口的編程，芯片生產(chǎn)商提供的 USB接口驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行從頂層向下分層處理，用戶(hù)無(wú)需直接與硬件打交道。有關(guān)USB 接口的命令、讀寫(xiě)等操作全部由 USB接口驅(qū)動(dòng)程序傳送給 USB設(shè)備。儀器電路設(shè)計(jì)工程師只要設(shè)定一個(gè)消息序列，當(dāng)接收到 PC主機(jī)發(fā)來(lái)的消息時(shí), 通過(guò)中斷程序?qū)⑾⒎湃胄蛄?，處理完華后再處理消息序列中的下一個(gè)消息，直至結(jié)束。此外，測(cè)試測(cè)量?jī)x器業(yè)的 IVI 　(可互換虛擬儀器)基金會(huì)擁有2000多種不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)程序可供參考，為非軟件專(zhuān)業(yè)的儀器電路設(shè)計(jì)工程師編寫(xiě) USB接口驅(qū)動(dòng)程序提供方便。

　　結(jié)語(yǔ)

　　USB接口在虛擬儀器和臺(tái)式儀器中的應(yīng)用日益擴(kuò)大，由于具有優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，從早期的附件式低檔儀器開(kāi)始，當(dāng)前己進(jìn)入到中高檔儀器，成為測(cè)試測(cè)量?jī)x器的重要非標(biāo)準(zhǔn)接口。

　　借助性能價(jià)格比的提高，諸如無(wú)線傳送、定時(shí)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(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，有必要重視 USB 接口技術(shù)，在測(cè)試測(cè)量?jī)x器中充分發(fā)揮其潛力。