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USB连接技术在数据采集系统中的应用


前言
自20世纪90年代末出现以来，USB（通用串行总线）简化了键盘及鼠标等计算机外部设备的连接与安装。现在，随着USB数据采集设备的出现，开发测量系统的工程师们也可以充分利用USB即插即用的好处了。另外，20余家传感器公司根据IEEE 1451.4规定合作开发了传感器的即插即用标准，此标准大幅减少了传感器测量系统的搭建、配置及编程工作。结合使用这两种技术，工程师们可以方便地开发从传感器到计算机的即插即用数据采集（DAQ）系统，这样的组合不仅将硬件安装的时间缩至一半，还减少了应用程序的开发时间，从而极大降低了测量系统的总成本。

USB加快了安装和配置效率
因为工程师们能轻松地将设备连接到USB，所以它成为最受欢迎的计算机外部设备总线。但是，这样的连接方式为何如此简单？首先，USB的易用性来自于设备的自动识别和安装性能。虽然每条USB总线只能有一个主机（一般是您的计算机），但是它可以同时连接多达127台设备。主机初始化并控制所有总线通信，所以它拥有大多数协议信息。根据USB规格的规定，总线信号在一对数据线（D+和D-）上产生。在将任何一台设备插入到USB端口上之后，它的默认地址为0。在连接完毕后，设备将D+线拉到3.3 V的“高”状态。主机检测到此变化，给设备重新分配一个新地址，然后启动一个安装任务，在此任务中，它要求获得设备的各种信息，例如它的类型（集线器或具有特定功能的终端设备）等。当主机安装好了总线上的设备之后，操作系统将立即接管并安装所有需要的驱动程序，从而用户可以与该设备进行交流。这一相对简单的过程 就是“即插即用（Plug and Play）”技术。

PCI等内部总线要求用户关机并重新开启计算机后才能安装硬件。而即插即用USB连接功能为需要频繁断开、然后重新连接硬件的便携性的用户带来极大的益处。大型工程公司经常在各个部门之间共享测量设备，这样，USB的连接能力就避免了花费大量时间安装和设定硬件，极大地方便了硬件共享。这一共享能力不仅节省了公司购买设备的费用，而且花费在安装上的时间也缩短了很多，从而节省了总成本，并提高了效率。

图1：内置TEDS的智能传感器


传感器即插即用技术大大缩短了安装与编程时间
IEEE标准协会最新通过的标准——IEEE 1451.4智能传感器混合模式接口，定义了一种为传统模拟传感器和激励源添加自我识别能力的机制，实际上就是使其成为可即插即用的传感器。IEEE 1451.4由传感器制造商、仪器及软件供应商，以及用户联合开发，定义了混合模式传感器的概念，同时提供模拟和数字接口。模拟电气接口以传统方式提供反映出物理现象的信号（例如温度、压力及重力等）。

另外，IEEE 1451.4智能TEDS传感器还提供了一个数字接口，与传感器内部的内置存储设备进行通信。此存储器包含二进制的TEDS信息，识别和描述传感器或激励源，例如制造商、传感器型号、序列号、测量范围、敏感度及校准数据等。

图2：可以在网上获得虚拟TEDS文档

NI对中国631家客户及潜在客户进行的研究显示：工程师们平均花费在软硬件配置上的时间成本占测量系统总成本的22% 。根据以往的实践，测量系统的设定和配置需要手动输入传感器参数，例如量程、敏感度及比例系数等，以便软件可以正确地转换并解析传感器数据。现在，配备智能TEDS传感器和传感器即插即用的数据采集系统就可以自动完成配置工作，不仅将硬件与软件搭建时间缩至一半，它还提高了系统总体的集成性和可靠性。

除了缩短设定时间之外，TEDS还缩短了工程师开发应用软件所花费的时间。若使用传统的传感器，工程师们需要花费大量的时间编制传感器标定程序。由于标定信息已知，智能TEDS传感器就可以省去这个步骤。LabVIEW传感器即插即用应用程序开发环境（如LabVIEW）可以自动导入TEDS数据，并将传感器电压换成适当的工程单位，而无需开发者的任何额外工作。对于数百个传感器安装在飞机各个位置的飞机机翼应力测试等多通道传感器应用，这些节省的安装和编程时间具有重大的意义。

即使是使用传统传感器的工程师也可以通过Virtual TEDS（虚拟TEDS）获得TEDS所具有的诸多好处。不同于传感器内置的EEPROM，虚拟TEDS文件存储在本地计算机或网络访问数据库中。这样，模拟传感器可以在不改变内置EEPROM的情况下利用TEDS的诸多好处。对于传感器工作环境禁止使用EEPROM（或任何电子元件）的情况下，虚拟TEDS文件就非常有帮助。

组合技术降低测量应用总成本
在设计测量系统时，通过组合即插即用传感器与USB接口的数据采集卡，您可以建立起从传感器到计算机的完整即插即用数据采集系统。NI提供USB数据采集卡与传感器即插即用信号调理硬件。另外，NI的最新测量驱动服务软件——NI-DAQmx，支持传感器即插即用功能，现在，开发者可以使用LabVIEW、Visual Basic和C，利用USB数据采集硬件和即插即用传感器，即可轻松完成测量。所有这些硬件和软件产品都是整个即插即用数据采集系统的一部分。在组合后，您不仅可以降低安装和配置成本，还可以减少应用程序开发成本。根据一项针对数据采集工程师们展开的调查，使用即插即用数据采集系统可以使每个系统安装与应用程序开发阶段的成本降低50%，而总成本降低13％。在我们的调查中，测量系统开发平均总成本（包括硬件的软件成本及其它所有相关时间成本）大约为560,000 RMB，即平均节省72,800 RMB。
Kristi Fairchild
NI数据采集产品经理


图3：完整的即插即用数据采集系统

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