USB仪器与VI虚拟仪器的关系

 

一、什么是USB仪器？

 

USB仪器，顾名思义就是利用USB接口即插即用和热插拔的性能而设计的，具有采集、捕获、处理等功能的高速和高性能硬件。该硬件通过USB接口与PC电脑互连，再结合高效灵活的软件，在电脑里完成对硬件的控制、分析和显示等测试测量工作，因此USB仪器也叫电脑仪器，例如：电脑示波器。

 

USB是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一种外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB是PC机的标准外设接口，拥有数以十亿计的安装量。自1998年出现USB数据采集器以来，USB数字示波器、USB频谱分析仪等多种多样微型USB仪器陆续推向市场，形成具有自身特色的仪器族，未来USB仪器将成为测量仪器的主流。

 

 

二、USB仪器与VI虚拟仪器的关系

 

USB仪器是VI虚拟仪器的一种。虚拟仪器也称为PC仪器或个人仪器，是一个相对于传统独立仪器的比较概念，它有别于传统仪器把信号采集、处理、控制、分析、显示等放在一个整体设备内。虚拟仪器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用的设备。

 

 

八十年代初就有了以个人计算机为基础，在微机内部增加一些插件（现为板卡）或外附插件箱（现最流行USB仪器），将各种测量电路插件接入PC内部总线，用某些软件来实现传统仪器的功能。由于计算机系统的硬软件资源可代替一般自动测试系统和智能仪表中的微处理器、存储器、接口电路和显示器，因而减少了仪器的许多硬件，降低了仪器成本。所以在PC技术基础上发展起来的虚拟仪器，完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新技术优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O性能，使数据高速导入磁盘的同时也能进行复杂的实时分析。

 

 

1986年美国国家仪器公司NI提出了虚拟仪器的概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域。计算机和网络技术、仪器技术结合起来，开创出“仪器模块化”、“软件即是仪器”等全新测量仪器概念。与传统独立仪器相比，虚拟仪器具有高效的性能、强大的扩展功能、节约开发时间、操作性强、易用灵活、应用性强、成本低、智能化程度高、处理能力强以及完美的集成性能等多种技术优势。例如：USB仪器本身不配备显示器、控制旋钮和处理器等硬件，借助电脑来实现上述功能，除降低成本、灵活应用外，还可消除传统独立仪器的显示器、控制旋钮和处理器等的常见故障，进而提高可靠性。传统仪器与虚拟仪器构成比较见图1。

 

 

图1：传统仪器与虚拟仪器构成比较

 

 

三、USB仪器与板卡式仪器的关系

 

虚拟仪器主要由计算机、软件、A/D采集卡及调理放大器三个重要因素组成。其中计算机是载体，软件是核心，高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。随着微机的发展，根据采用总线方式的不同，虚拟仪器主要分为板卡式和总线式两种。板卡式适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景；总线式适合大型高精度集成系统。以上两种形式主要发展过程如下：

 

 

1、总线方式为GPIB→VXI→PXI。其中GPIB总线（也为488总线）于1978年问世；VXI总线于1987年问世；PXI总线于1997年问世。

 

 

2、卡式为PC插卡→并口式→串口USB方式。其中PC插卡式于80年代初问世；并行口方式于1995年问世；串口USB方式于1999年问世。具体分类见图2：

 

 

图2：虚拟仪器系统框图

 

下面海洋仪器主要就USB仪器与板卡式仪器的区别进行具体说明：

 

 

1、PCI总线插卡型虚拟仪器：也为板卡式仪器，早期为ISA总线插卡型仪器。板卡式仪器借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件（如SeeSharpTools）两者相结合构成测试系统。插卡型虚拟仪器充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点相比于USB外置仪器其安装与使用也不方便，并且高频性能和测试精度也要差一些。

 

 

图3：PCIe-5111

 

 

2、串行口式虚拟仪器：是可连接到计算机串口上的测量装置，把仪器硬件集成在一个采集盒内，仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能。可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、矢量网络分析仪、数字万用表、功率计、FFT分析仪、数据记录仪、数据采集器等。早期为RS232接口型仪器，现在最流行的为USB仪器。

 

 

USB仪器充分利用USB串口的即插即用和热插拔两项优越性能，不用打开计算机进行插槽式安装，做到即插即用。而且既可以与笔记本电脑相连，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于是外置与计算机相连，不是内插到计算机内，是准独立式仪器，比板卡式仪器要灵活方便，并且易实现高频，其性能要强于板卡式仪器。USB仪器价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。

 

表1   USB仪器与板卡式仪器

类  别	与电脑连接方式	连接数量	灵活性
USB   仪器	外置，通过USB接口	通过USB集线器，多达10台以上	即插即用、热插拔
板卡式仪器	插入计算机内部插槽	受PC机机箱和总线限制	固定