USB：具有优良性价比的单台仪器接口

的双线电缆)。USB接口数据采用数据包传送，每帧1 ms ，分成8个125 us 的微郑PC 主控机启动对USB设备的数据传输时，最简单的作业需要三至四个数据包，即主机请求、数据传送和主机确认信息。

向 USB 设备发送数据或从 USB设备接收数据都要经过USB设备端点(EP), EP 相当于单向开关，只能单方向传送数据。主控机PC与 USB信息交换有四种基本传输模式：

1、中断数据传输(INT)—要求定时和可靠地传输小量数据时使用

2、同步数据传输(ISO)—事前协商带宽和允许有数据损失时使用

3、块数据传输(BULK)—要求快速和无数据损失传输大量数据时使用

4、控制传输(CTL)—通常用于发送配置、命令、状态等数据包

　　图1 USB 仪器系统的方框图

一个基于 USB接口标准的仪器系统方框图如图1所示，为了便于说明, 把它具体化为一台通用的USB 数据采集系统。图中左边方框是数据采集前端，收集传感器等器件传送来的模拟和/或数字输出信号。图中右边方框是嵌入式处理器、通信和控制逻辑电路和一组EP。经过数字处理后的多通道传感器信号，按序列由各EP送到 USB接口和电缆，最后输入到主控 PC机。在构建 USB 仪器系统时，主要考虑图中右边的处理器、通信和控制逻辑的选择：

·数据传输率—USB标准有1.5 Mbps (低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)三种速率，可根据输入信号的最髙速率和主控 PC机能够支持的数据率，权衡和选择 USB接口。

·PC 机的USB接口—台式 PC和笔记本PC都有两个以上USB 接口分别称为主接口A和设备接口B。主接口A 连接 PC使用的 USB外围设备，如闪存、硬盘和其它外设。设备接口B用于连接 USB 仪器。

·因为 USB接口标准没有定义仪器的USB设备类别，为了便于测试测量仪的接入, 由 USB-IF(USB 实施者论坛)定义一个特别的设备类别，称为测试测量仪器类别，简称(USBTMC)类。USB-IF将USBTMC 设备设计成模拟GPIB(IEEE488.1) 总线的设备，因而原来大量 GPIB仪器使用的程序和驱动器

完全可移植到USB接口。

·即插即用连接性—USB接口具有即插即用和热插拔的特点，这是其它仪器接口所不具备的。例如，仪器在以太网的接入需要冷插拔，输入 IP 地址和相关数据后才能起动。在 USB连接工具，例如 NI 公司的测量和自动化资源管理器(MAX)帮助下，USBTMC 仪器可自动完成USB测量系统检测和系统配置。

·保护用户的USB资源—USB接口是当前PC最通行的接口，但是技术的进步一日千里，技求不断创新，今后肯定有更先进的PC外设总线出现。为了保护用户的投资，遇到仪器使用的通信总线过时的情况下，USB仪器能够立刻转换到新总线上。

最好的选择是在USB接口协仪上层增加虚拟仪器软件结构(VISA)，或者NI公司的 LabVIEW 即插即用仪器驱动器。在标准应用编程接口( API )的帮助下，USB接口可方便地转换到其它仪器接口。目前可以实现的转换包括 GPIB/USB/串口/以太局域网四类仪器。原有 GPIB仪器接入USB仪器系统还有更简单的方法，即采用GPIB--USB转换直接将GPIB仪器变成USB仪器，达到接口转换和升级, 以保护单台过时的GPIB 仪器继续发挥作用。

　　USB仪器系统的驱动程序

USB协议是一种共享式的总线，当USB设备接入PC时，PC与USB设备之间启动枚举过程。PC检测到有 USB设备接入，首先自动发出查询请求，USB设备应答查询请求，发回设备生产商的识别码ID和产品识别码 ID。PC根据这两个ID装载驱动程序，完成枚举过程，建立通信联系。

当前，市场供应许多种USB协议的接口芯片，不带微控制器内核的有Philips公司的PDIUSBD12系列、NS公司的USBN9602系列等;带微控制器内核的有Cypress公司的EZ- USB系列、Atmel公司的AT83C5134系列等。智能USB接口芯片将微控制器内核、USB接口引擎、USB收发模块、存储器、闪存或FPGA、串行口等功能集成在一起，从而减少芯片接口时序，减小引脚数和占用面积，是 USB接口芯片的发展方向。一种智能 USB接口芯片的方框图如图2所示。此外，还有 USB设备组网使用的集线器芯片、USB路由器芯片可供使用。

　　图2 一种智能 USB接口芯片方框图

USB接口芯片完成枚举后便可作为一个USB设备(缺省USB设备)与PC通信，由微控制器内核与PC建立通信联系。缺省USB设备接口中包括一组14个EP 端点，如表1所示。

表1 缺省USB设备的 EP端点

从表1可知，一组EP中由1个控制 ( CTL)EP，1个中断(INT)EP，3对(1进、1出)块数据(BULK) EP,3对 (1进1出)同步数据(ISO) EP组成。PC与USB设备的通信主要包括两个方面：一是读取数据;二是给US