USB儀器成測(cè)量?jī)x器主流
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時(shí)間：2017-02-06
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3 USB數(shù)字示波器
USB數(shù)字示波器是USB儀器的另一類(lèi)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(jiǎn)單的是單通道的筆型USB,再?gòu)?fù)雜一點(diǎn)的是雙通道掌上型USB數(shù)字示波器。它們避開(kāi)已在示波器市場(chǎng)中占有優(yōu)勢(shì)的臺(tái)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(jià)便宜,100至200美元可購(gòu)得實(shí)用的產(chǎn)品。這類(lèi)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(biāo)。
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(cǎi)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(hù)，采用USB1.1或USB2.0接口。USBScope50沒(méi)有機(jī)械可調(diào)旋鈕和開(kāi)關(guān)，全部電氣參數(shù)通過(guò)軟面板作程控調(diào)節(jié)。需要多路輸入時(shí)可堆疊多個(gè)同型號(hào)產(chǎn)品，通道間延時(shí)可程控調(diào)整至匹配，實(shí)現(xiàn)并行觸發(fā)。USBScope50實(shí)際上構(gòu)成簡(jiǎn)單的虛擬示波器，適于簡(jiǎn)單的波形顯示。
Stingray公司的掌上型DS1M12屬于一機(jī)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(duì)兩路輸入信號(hào)同時(shí)取樣，模擬帶寬250KHz，每路輸入有32KB的波形存儲(chǔ)。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(jì)、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(yǔ)言，提供Windows和Linux驅(qū)動(dòng)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(shí)基2μs/格至50ms/格（共14步進(jìn)），垂直量程10mV/格至5V/格（共6步進(jìn)），X和Y方向光標(biāo)，度量顯示（Min/Max/平均/Vrms/F），頻譜顯示，測(cè)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(diǎn)/秒至100S/樣點(diǎn)），Y軸定標(biāo)(mV/V/用戶定義),
X軸定標(biāo)(時(shí)間或樣點(diǎn)數(shù)),3種屏幕光標(biāo),4種彈出或E?mail告警,數(shù)據(jù)下載(CSV、BMP、文本、二進(jìn)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(chǔ)，脈沖參數(shù)觸發(fā)（邊緣、寬度、最大/最?。訒r(shí)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(tái)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(shí)，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(diǎn)存儲(chǔ)容量，單次FFT變換、數(shù)學(xué)運(yùn)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(kuò)展，實(shí)時(shí)同步控制
USB作為儀器系統(tǒng)接口時(shí)存在一定的限制，因?yàn)閁SB器件是獨(dú)立運(yùn)行的，多個(gè)USB器件通過(guò)單一端口連接在一起時(shí)，它們之間沒(méi)有同步關(guān)系。USB總線的設(shè)計(jì)是基于異步的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，各器件無(wú)法實(shí)時(shí)協(xié)同工作。對(duì)于儀器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，往往需要實(shí)時(shí)同步控制，此時(shí)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(shí)上，VXI和PXI都是PC總線的擴(kuò)展，最重要的擴(kuò)展內(nèi)容就是增加了定時(shí)和同步功能。因此，借助USB接口的現(xiàn)有成果，增加定時(shí)和同步功能，擴(kuò)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(shí)時(shí)同步控制功能，擴(kuò)大USB接口在儀器系統(tǒng)的應(yīng)用，可視為USB接口的一項(xiàng)革新。它使USB總線轉(zhuǎn)換成為具有同步性、確定性和可擴(kuò)展性的操作平臺(tái)，為儀器系統(tǒng)提供低成本、操作簡(jiǎn)便的互連總線。USB?inSync的主要特點(diǎn)如下：
·可利用原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)USB端口，互相連鎖成為一個(gè)同步系統(tǒng)；
·最多同步連接127個(gè)分立器件，同步時(shí)差在±5ns以?xún)?nèi)；
·可選擇互連器件中任一USB?inSync器件作為定時(shí)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(guò)USB端口由PC機(jī)管理；
·在數(shù)據(jù)采集時(shí)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(cè)量?jī)x器系統(tǒng)；
·PC主機(jī)需要運(yùn)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(pán)空間，以及USB1.1以上的主控制器。
Fiberbyte公司已開(kāi)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(gè)獨(dú)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(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器，強(qiáng)大的先入先出（FIFO）處理能力可實(shí)施突發(fā)同時(shí)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(shí)支持程控的數(shù)字I/O和觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。應(yīng)該指出，USB接口是為多種類(lèi)不同功能的器件并行工作而設(shè)計(jì)的，由PC主機(jī)通過(guò)異步總線對(duì)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(dòng)，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(shí)鐘，對(duì)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(shí)控制器的作用，實(shí)現(xiàn)器件之間的時(shí)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(bǔ)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(shí)，定時(shí)和同步過(guò)程自動(dòng)重新調(diào)整，只要Windows操作系統(tǒng)識(shí)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(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試啟動(dòng)和停止按照可控方式執(zhí)行，而且可將定時(shí)和同步擴(kuò)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(shí)和同步通道。
5 無(wú)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(jì)，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(gè)數(shù)字將翻一番而超過(guò)30億條，主要來(lái)自隨身音頻產(chǎn)品、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、移動(dòng)硬盤(pán)、閃存存儲(chǔ)體。新的筆記本電腦開(kāi)始配置無(wú)線以太網(wǎng)，大量USB外設(shè)的應(yīng)用也促使無(wú)線USB能夠早日進(jìn)入市場(chǎng)，以減少USB器件與PC機(jī)的互連線纜。為了促進(jìn)無(wú)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(wú)線USB促進(jìn)組織（WUSUPG），目的是制訂無(wú)線USB規(guī)范。該組織得到100多家會(huì)員的支持，無(wú)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(wú)線USB標(biāo)準(zhǔn)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(lái)完成。
無(wú)線USB規(guī)范是構(gòu)建在超寬帶（UWB）的無(wú)線多媒體（WiMedia）匯聚平臺(tái)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(wú)線通信方式是無(wú)載波的超短脈沖序列調(diào)制波，占有GHz級(jí)的帶寬，UWB已成為IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線USB通過(guò)協(xié)議適配層與WiMedia匯聚平臺(tái)連接，構(gòu)建一個(gè)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(rèn)。通過(guò)UWB發(fā)射和接收的無(wú)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(dá)到480Mbps，10m距離內(nèi)達(dá)到110Mbps。順便提及，測(cè)量?jī)x器經(jīng)常使用的IEEE1394接口的無(wú)線方式也是構(gòu)建在UWB規(guī)范之上的。可以預(yù)見(jiàn)，將有更多設(shè)備通過(guò)UWB射頻進(jìn)行無(wú)線收發(fā)，它們?cè)赪iMedia層匯聚，不管它們?cè)瓉?lái)是什么協(xié)議的信號(hào)，經(jīng)過(guò)匯聚層后都會(huì)轉(zhuǎn)換成相同的UWB信號(hào)，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(guó)試用作為無(wú)需申請(qǐng)使用頻率許可的局域網(wǎng)短距離通信，分享UWB射頻的無(wú)線USB已取得滿意的無(wú)線收發(fā)效果，并保持USB2.0的特點(diǎn)，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(wú)線USB用到測(cè)量?jī)x器還要等待一段時(shí)間，首先需在PC機(jī)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(wú)線USB芯片制成無(wú)線USB儀器。同時(shí)，無(wú)線USB需獲得政府的無(wú)線電管理部門(mén)批準(zhǔn)作為開(kāi)放頻段，無(wú)線USB測(cè)量?jī)x器才能普及。預(yù)計(jì)這段時(shí)間是2至3年，相信此時(shí)UWB技術(shù)同樣會(huì)取得進(jìn)展，發(fā)射和接收距離將超過(guò)3m，無(wú)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(yǔ)
USB儀器進(jìn)入測(cè)量?jī)x器市場(chǎng)已經(jīng)7年，早期進(jìn)展較慢。自USB2.0高速接口推出后，USB儀器無(wú)論在品種、性能、應(yīng)用等方面都以更快步伐前進(jìn)，不僅局限于普通指標(biāo)的USB儀器，已出現(xiàn)具有特色的更高檔次的USB儀器，如定時(shí)和同步擴(kuò)展，GHz級(jí)時(shí)域反射計(jì)等。如果USB儀器的小型化和微型化取得成功，肯定會(huì)出現(xiàn)更多的微型測(cè)量?jī)x器。無(wú)線USB儀器的面市，將使測(cè)量?jī)x器的機(jī)動(dòng)性得到提高。USB儀器開(kāi)始成為測(cè)量?jī)x器的主流，同時(shí)推動(dòng)傳統(tǒng)儀器向小型化和微型化方向發(fā)展。
評(píng)論