一、什么是USB儀器？

USB儀器，顧名思義就是利用USB接口即插即用和熱插拔的性能而設(shè)計(jì)的，具有采集、捕獲、處理等功能的高速和高性能硬件。該硬件通過USB接口與PC電腦互連，再結(jié)合高效靈活的軟件，在電腦里完成對(duì)硬件的控制、分析和顯示等測(cè)試測(cè)量工作，因此USB儀器也叫電腦儀器，例如：電腦示波器。

USB是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一種外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。USB是PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口，擁有數(shù)以十億計(jì)的安裝量。自1998年出現(xiàn)USB數(shù)據(jù)采集器以來，USB數(shù)字示波器、USB頻譜分析儀等多種多樣微型USB儀器陸續(xù)推向市場(chǎng)，形成具有自身特色的儀器族，未來USB儀器將成為測(cè)量?jī)x器的主流。

二、USB儀器與VI虛擬儀器的關(guān)系

USB儀器是VI虛擬儀器的一種。虛擬儀器也稱為PC儀器或個(gè)人儀器，是一個(gè)相對(duì)于傳統(tǒng)獨(dú)立儀器的比較概念，它有別于傳統(tǒng)儀器把信號(hào)采集、處理、控制、分析、顯示等放在一個(gè)整體設(shè)備內(nèi)。虛擬儀器就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的設(shè)備。

八十年代初就有了以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，在微機(jī)內(nèi)部增加一些插件（現(xiàn)為板卡）或外附插件箱（現(xiàn)最流行USB儀器），將各種測(cè)量電路插件接入PC內(nèi)部總線，用某些軟件來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬軟件資源可代替一般自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和智能儀表中的微處理器、存儲(chǔ)器、接口電路和顯示器，因而減少了儀器的許多硬件，降低了儀器成本。所以在PC技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的虛擬儀器，完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O性能，使數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)也能進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)時(shí)分析。

1986年美國國家儀器公司NI提出了虛擬儀器的概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、儀器技術(shù)結(jié)合起來，開創(chuàng)出“儀器模塊化”、“軟件即是儀器”等全新測(cè)量?jī)x器概念。與傳統(tǒng)獨(dú)立儀器相比，虛擬儀器具有高效的性能、強(qiáng)大的擴(kuò)展功能、節(jié)約開發(fā)時(shí)間、操作性強(qiáng)、易用靈活、應(yīng)用性強(qiáng)、成本低、智能化程度高、處理能力強(qiáng)以及完美的集成性能等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。例如：USB儀器本身不配備顯示器、控制旋鈕和處理器等硬件，借助電腦來實(shí)現(xiàn)上述功能，除降低成本、靈活應(yīng)用外，還可消除傳統(tǒng)獨(dú)立儀器的顯示器、控制旋鈕和處理器等的常見故障，進(jìn)而提高可靠性。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器構(gòu)成比較見圖1。

圖1：傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器構(gòu)成比較

三、USB儀器與板卡式儀器的關(guān)系

虛擬儀器主要由計(jì)算機(jī)、軟件、A/D采集卡及調(diào)理放大器三個(gè)重要因素組成。其中計(jì)算機(jī)是載體，軟件是核心，高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。隨著微機(jī)的發(fā)展，根據(jù)采用總線方式的不同，虛擬儀器主要分為板卡式和總線式兩種。板卡式適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景；總線式適合大型高精度集成系統(tǒng)。以上兩種形式主要發(fā)展過程如下：

1、總線方式為GPIB→VXI→PXI。其中GPIB總線（也為488總線）于1978年問世；VXI總線于1987年問世；PXI總線于1997年問世。

2、卡式為PC插卡→并口式→串口USB方式。其中PC插卡式于80年代初問世；并行口方式于1995年問世；串口USB方式于1999年問世。具體分類見圖2：

圖2：虛擬儀器系統(tǒng)框圖

下面海洋儀器主要就USB儀器與板卡式儀器的區(qū)別進(jìn)行具體說明：

1、PCI總線插卡型虛擬儀器：也為板卡式儀器，早期為ISA總線插卡型儀器。板卡式儀器借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件（如SeeSharpTools）兩者相結(jié)合構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)。插卡型虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點(diǎn)相比于USB外置儀器其安裝與使用也不方便，并且高頻性能和測(cè)試精度也要差一些。

圖3：PCIe-5111

2、串行口式虛擬儀器：是可連接到計(jì)算機(jī)串口上的測(cè)量裝置，把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)，儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通常可以完成各種測(cè)量測(cè)試儀器的功能。可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、FFT分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器等。早期為RS232接口型儀器，現(xiàn)在最流行的為USB儀器。

USB儀器充分利用USB串口的即插即用和熱插拔兩項(xiàng)優(yōu)越性能，不用打開計(jì)算機(jī)進(jìn)行插槽式安裝，做到即插即用。而且既可以與筆記本電腦相連，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于是外置與計(jì)算機(jī)相連，不是內(nèi)插到計(jì)算機(jī)內(nèi)，是準(zhǔn)獨(dú)立式儀器，比板卡式儀器要靈活方便，并且易實(shí)現(xiàn)高頻，其性能要強(qiáng)于板卡式儀器。USB儀器價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

表1 USB儀器與板卡式儀器