使用USB进行测量应用的优势和潜在危险

引言：

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



图1：典型的应用设置。

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。



图2 ：未隔离的USB数据采集模块在ESD、闪电、电源浪涌的时候可能损害系统并导致数据不正确。



图3 ：隔离的USB数据采集模块应用。



图4：不恰当的连接单端输入可能损害你的系统并导致不正确的测量结果。



图5：正确的单端输入连接。



图6：差分输入被隔离，通过提供未连到大地的参考地源点消除了共模电压误差。



表1：不同分辨率的电压范围。


1.真正的即插即用：使用标准的低成本线缆简单地将数据采集模块和PC的USB端口相连。当模块插入时，PC会自动识别该模块，并安装必要的软件来操作该模块。这种连接方式极大地减少了启动时间。

2.不再需要打开PC机箱来添加电路板、配置跳线开关和中断设置、搜索正确的设备驱动程序或者重启系统，而是简单地将传感器连接到模块上就不用管了。几分钟内，就可不断获取数据、温度、压力、声音等任何所需信息。

3.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。

4.全速和高速传输速率：具有USB1.1端口的计算机能够从USB数据采集模块输入和输出数据，传输速度最高达到12Mbps。这种全速速率对于数据流应用很有用，能够支持高达400KHz的数据采集速率。
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。

5.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。

6.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。

7.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。

8.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。

9.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毫伏。当测量低电平的信号时这算得上是巨大的差错。

如果需要高精度、低噪声的测量，隔离至关重要。Data Translation公司所有的USB模块，从DT9801系列到DT9834系列，都提供高达500V的电气隔离。电气隔离把输入信号中的能量转化成输出信号在模块的地平面上流走。结果，你的计算机保持安全，测量结果更加精确。

以DT9801模块为例，通过使用下列的元件提供高达500V的电气隔离：

变压器：从无延迟的快速时钟信号中转换能量；

光隔离器：从带有几十毫秒延迟的较慢的控制信号中转化能量；

差分容性耦合：从带有1毫秒延迟的慢速数据通道中转化能量。


案例2 ：不同的地电位

单端模拟输入是参考大地的未隔离的输入。在未隔离系统中，甚至数字I/O信号都连到同样的地上。如果待测系统和USB数据采集模块共享同样的地(通过连到建筑物的电源系统)，两个设备地电位间的差别是实际存在的(超过100mV)。快速开关电流必须沿着5米长的USB线缆流到PC。

根据如何将单端输入连接到该模块，你可能引入地环路误差，即当在最长达5米的USB线缆中添加信号和其他地电位时，不仅仅带来了高度不准确的测量结果，而且还可能会损害待测系统。图5显示了不恰当的单端输入连接实例。

图6是更好的单端输入的连接方案，能减少地环路误差。

为了最精确的测量结果，可使用差分输入(显示在图7中)。差分输入是带隔离的输入，因为它们参考的地参考点不连接到大地上。结果，它们消除了共模电压误差，这种误差会在地电位差出现时发生。

因此，如果你正在测量低电平的信号，这种情况下噪声是测量中非常重要的环节。或者如果共模电压存在，则要确保USB数据采集模块提供差分输入连接。Data Translation所有的USB模块，从DT9801系列到DT9834系列，提供了上至8或16个差分输入连接以提供最大程度的地环路保护。

案例3：良好的情况下

在良好的环境中，瞬时电气信号毛刺和地电位差不存在，因此不需要隔离。在未隔离的系统中，PC直接与传感器的地系统相连，所以只要没有噪声或其它误差加到电压源上，测量就会是准确的。

尽管未隔离的解决方案购买时可能会更便宜，但测试与测量应用很少是处于良好情况。所以要小心，如果你选择了未隔离的解决方案，可能会导致可估算的后端成本，这是由于数据不够准确或系统出现故障引起的额外开支。