可消除USB数据采集模块潜在危险的方法和案例分析

USB用于测试与测量应用的优势很多，但是在选择USB数据采集模块之前，仔细考虑目标应用。如果瞬时电压或地电位差存在，通过选择带隔离措施的USB数据采集模块可保护PC并保持信号数据的完整性。本文详细分析了使用USB数据采集模块的优势和潜在的危险，介绍了消除这种潜在危险的方法－隔离，并通过实际的应用案例了解隔离的不同作用。

由于USB的易用性，如今它已成为是计算机和电子工业增长最快的总线之一。对于测试和测量应用，USB数据采集模块具有几个显著的优势。但是要警惕，根据具体应用，它们可能也包含一些潜在的危险，甚至会导致灾难性的后果。

使用USB进行测试和测量的优势

USB由于具备下面几个优势，从而成为使用者开发测试和测量测量应用的简单选择。

• 更少地被PC的噪声影响：USB数据采集模块为噪声敏感的测量应用带来性能优势。因为USB线缆通常长度是1至5米，I/O电路距离计算机的充满电磁噪声的主板和电源距离更远，而距离要测量的传感器更近。

  对于高性能的应用，必须确保PC有一个高速的USB2.0端口。凭借USB2.0，就能够在PC和USB数据采集模块间以最高达480Mbps的速度传输数据。这种增加的带宽允许同时执行多路I/O操作，每路的流量速率可以高达500kHz，这种方式与PCI测量系统相似。

• 节约成本：许多USB数据采集模块包含可移除的终端模块或BNC连接器，这些器件用来方便地处理所有的用户I/O连接。这种设计不仅仅使用方便，而且节省成本，因为你不再需要购买可选的螺丝固定的终端配件。
• 便携性：USB数据采集模块体积很小，方便携带，这使得使用者甚至能把最复杂的的测试与测量应用带出实验室，搬入现场。
• 容易扩展：使用低成本的扩展集线器和USB线缆，最多能连接127个数据采集模块到一个USB端口上。
• 可热插拔：USB数据采集模块能在计算机运行时安装或移除。只是使用时插上设备，完成工作后拔出设备，不需要关计算机了。因为USB模块能自己计数和自己识别，当模块插上后，设备驱动自动加载；当设备拔出后，设备驱动自动卸载。
• 简单的电源连接：USB数据采集模块能通过USB总线或通过简单连接到外部电源获得供电。低耗电的模块在5V电压下吸收少于100mA的电流，可通过USB线缆获得供电。自身供电的模块在5V电压下吸收高达500mA的电流，使用模块自己的电源。

USB用于测试与测量的潜在危险

尽管USB提供了许多优势，但不是所有的USB数据采集模块都能采取一样的的方式进行设计。根据应用不同，可能存在潜在的危险，一款USB模块设计可能造成灾难性的后果。

不像PCI电路板具有到PC背板的距离很短的真实的地系统，USB模块在线缆两端有距离很长的地连接(最长达5米)和有源电路。如果模块设计得不合适，这可能导致系统锁死、性能不稳定和电磁干扰，这对噪声敏感的测量是个重大问题。

在选择USB数据采集模块之前，针对目标应用考虑以下一些问题：

1. 数据采集模块易受静电放电(ESD)、闪电或来自马达、开关设备或其他设备的电源浪涌的影响？
2. 该应用是否涉及到具有不同地电位的电压？
3. 该模块将在良好的环境下工作？

如果对以上问题1或2的答案是肯定的，就需要确保你的系统具有隔离措施。隔离能保护PC免受损害，通过在电路间物理隔离电气连接来保护你的数据完整性，即限制可能有害的电压或电流经过你的系统。也可通过给系统添加信号调理配件来提供隔离，这样价格会很昂贵，或者一开始就选择带隔离的USB数据采集模块。

我们来更仔细分析这些应用环境，从每个案例中了解隔离的作用。

案例1： ESD、闪电或电源浪涌

图1展示了一个典型的应用场景，其中一个传感器正在测量待测设备的电压。该传感器一头连接到USB数据采集模块，另一头连接到PC。

ESD、闪电以及电源浪涌产生突发的瞬时过压，即使时间很短，也可能损害整个系统中的电子元件。如果USB数据采集模块没有隔离(见图2)，这些事件产生的电流回流通过整个系统，最后到达PC并且可能损害PC和其他系统部件。

一些数据采集方案供应商所提供的未隔离模块在出现瞬时过压时事实上会锁死整个系统，从而不得不重启系统。在测量应用中这种行为是不能接受的。

与之对比的是，隔离的模块(图3中显示)通过模块的地平面释放有害的电流，来保护整个系统。

即使引入的瞬时电压很小不足以损害系统，也要小心你的数据可能包含很大的错误，特别在高分辨率的情况下。例如，如果使用具有16位分辨率的USB模块来测量±10V电压范围的信号，LSB值是0.31mV(见表1)。如果这个模块未隔离，同时电气系统中出现瞬时电压，数据因此可能偏差数百毫伏。甚至在静态环境中，你的数据也可能偏差几十