可消除USB數(shù)據(jù)采集模塊潛在危險的方法和案例分析

由于USB的易用性，如今它已成為是計算機和電子工業(yè)增長最快的總線之一。對于測試和測量應用，USB數(shù)據(jù)采集模塊具有幾個顯著的優(yōu)勢。但是要警惕，根據(jù)具體應用，它們可能也包含一些潛在的危險，甚至會導致災難性的后果。

使用USB進行測試和測量的優(yōu)勢

USB由于具備下面幾個優(yōu)勢，從而成為使用者開發(fā)測試和測量測量應用的簡單選擇。

• 更少地被PC的噪聲影響：USB數(shù)據(jù)采集模塊為噪聲敏感的測量應用帶來性能優(yōu)勢。因為USB線纜通常長度是1至5米，I/O電路距離計算機的充滿電磁噪聲的主板和電源距離更遠，而距離要測量的傳感器更近。

  對于高性能的應用，必須確保PC有一個高速的USB2.0端口。憑借USB2.0，就能夠在PC和USB數(shù)據(jù)采集模塊間以最高達480Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種增加的帶寬允許同時執(zhí)行多路I/O操作，每路的流量速率可以高達500kHz，這種方式與PCI測量系統(tǒng)相似。

• 節(jié)約成本：許多USB數(shù)據(jù)采集模塊包含可移除的終端模塊或BNC連接器，這些器件用來方便地處理所有的用戶I/O連接。這種設計不僅僅使用方便，而且節(jié)省成本，因為你不再需要購買可選的螺絲固定的終端配件。
• 便攜性：USB數(shù)據(jù)采集模塊體積很小，方便攜帶，這使得使用者甚至能把最復雜的的測試與測量應用帶出實驗室，搬入現(xiàn)場。
• 容易擴展：使用低成本的擴展集線器和USB線纜，最多能連接127個數(shù)據(jù)采集模塊到一個USB端口上。
• 可熱插拔：USB數(shù)據(jù)采集模塊能在計算機運行時安裝或移除。只是使用時插上設備，完成工作后拔出設備，不需要關(guān)計算機了。因為USB模塊能自己計數(shù)和自己識別，當模塊插上后，設備驅(qū)動自動加載；當設備拔出后，設備驅(qū)動自動卸載。
• 簡單的電源連接：USB數(shù)據(jù)采集模塊能通過USB總線或通過簡單連接到外部電源獲得供電。低耗電的模塊在5V電壓下吸收少于100mA的電流，可通過USB線纜獲得供電。自身供電的模塊在5V電壓下吸收高達500mA的電流，使用模塊自己的電源。

USB用于測試與測量的潛在危險

盡管USB提供了許多優(yōu)勢，但不是所有的USB數(shù)據(jù)采集模塊都能采取一樣的的方式進行設計。根據(jù)應用不同，可能存在潛在的危險，一款USB模塊設計可能造成災難性的后果。

不像PCI電路板具有到PC背板的距離很短的真實的地系統(tǒng)，USB模塊在線纜兩端有距離很長的地連接(最長達5米)和有源電路。如果模塊設計得不合適，這可能導致系統(tǒng)鎖死、性能不穩(wěn)定和電磁干擾，這對噪聲敏感的測量是個重大問題。

在選擇USB數(shù)據(jù)采集模塊之前，針對目標應用考慮以下一些問題：

1. 數(shù)據(jù)采集模塊易受靜電放電(ESD)、閃電或來自馬達、開關(guān)設備或其他設備的電源浪涌的影響？
2. 該應用是否涉及到具有不同地電位的電壓？
3. 該模塊將在良好的環(huán)境下工作？

如果對以上問題1或2的答案是肯定的，就需要確保你的系統(tǒng)具有隔離措施。隔離能保護PC免受損害，通過在電路間物理隔離電氣連接來保護你的數(shù)據(jù)完整性，即限制可能有害的電壓或電流經(jīng)過你的系統(tǒng)。也可通過給系統(tǒng)添加信號調(diào)理配件來提供隔離，這樣價格會很昂貴，或者一開始就選擇帶隔離的USB數(shù)據(jù)采集模塊。

我們來更仔細分析這些應用環(huán)境，從每個案例中了解隔離的作用。

案例1： ESD、閃電或電源浪涌

圖1展示了一個典型的應用場景，其中一個傳感器正在測量待測設備的電壓。該傳感器一頭連接到USB數(shù)據(jù)采集模塊，另一頭連接到PC。

ESD、閃電以及電源浪涌產(chǎn)生突發(fā)的瞬時過壓，即使時間很短，也可能損害整個系統(tǒng)中的電子元件。如果USB數(shù)據(jù)采集模塊沒有隔離(見圖2)，這些事件產(chǎn)生的電流回流通過整個系統(tǒng)，最后到達PC并且可能損害PC和其他系統(tǒng)部件。

一些數(shù)據(jù)采集方案供應商所提供的未隔離模塊在出現(xiàn)瞬時過壓時事實上會鎖死整個系統(tǒng)，從而不得不重啟系統(tǒng)。在測量應用中這種行為是不能接受的。

與之對比的是，隔離的模塊(圖3中顯示)通過模塊的地平面釋放有害的電流，來保護整個系統(tǒng)。

即使引入的瞬時電壓很小不足以損害系統(tǒng)，也要小心你的數(shù)據(jù)可能包含很大的錯誤，特別在高分辨率的情況下。例如，如果使用具有16位分辨率的USB模塊來測量±10V電壓范圍的信號，LSB值是0.31mV(見表1)。如果這個模塊未隔離，同時電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬時電壓，數(shù)據(jù)因此可能偏差數(shù)百毫伏。甚至在靜態(tài)環(huán)境中，你的數(shù)據(jù)也可能偏差幾十毫伏。當測量低電平的信號時這算得上是巨大的差錯。

如果需要高精度、低噪聲的測量，隔離至關(guān)重要。DataTranslation公司所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，都提供高達500V的電氣隔離。電氣隔離把輸入信號中的能量轉(zhuǎn)化成輸出信號在模塊的地平面上流走。結(jié)果，你的計算機保持安全，測量結(jié)果更加精確。

以DT9801模塊為例，通過使用下列的元件提供高達500V的電氣隔離：

1. 變壓器：從無延遲的快速時鐘信號中轉(zhuǎn)換能量；
2. 光隔離器：從帶有幾十毫秒延遲的較慢的控制信號中轉(zhuǎn)化能量；
3. 差分容性耦合：從帶有1毫秒延遲的慢速數(shù)據(jù)通道中轉(zhuǎn)化能量。

案例2 ：不同的地電位

單端模擬輸入是參考大地的未隔離的輸入。在未隔離系統(tǒng)中，甚至數(shù)字I/O信號都連到同樣的地上。如果待測系統(tǒng)和USB數(shù)據(jù)采集模塊共享同樣的地(通過連到建筑物的電源系統(tǒng))，兩個設備地電位間的差別是實際存在的(超過100mV)。快速開關(guān)電流必須沿著5米長的USB線纜流到PC。

根據(jù)如何將單端輸入連接到該模塊，你可能引入地環(huán)路誤差，即當在最長達5米的USB線纜中添加信號和其他地電位時，不僅僅帶來了高度不準確的測量結(jié)果，而且還可能會損害待測系統(tǒng)。圖5顯示了不恰當?shù)膯味溯斎脒B接實例。

圖6是更好的單端輸入的連接方案，能減少地環(huán)路誤差。

為了最精確的測量結(jié)果，可使用差分輸入(顯示在圖7中)。差分輸入是帶隔離的輸入，因為它們參考的地參考點不連接到大地上。結(jié)果，它們消除了共模電壓誤差，這種誤差會在地電位差出現(xiàn)時發(fā)生。

因此，如果你正在測量低電平的信號，這種情況下噪聲是測量中非常重要的環(huán)節(jié)。或者如果共模電壓存在，則要確保USB數(shù)據(jù)采集模塊提供差分輸入連接。DataTranslation所有的USB模塊，從DT9801系列到DT9834系列，提供了上至8或16個差分輸入連接以提供最大程度的地環(huán)路保護。

案例3：良好的情況下

在良好的環(huán)境中，瞬時電氣信號毛刺和地電位差不存在，因此不需要隔離。在未隔離的系統(tǒng)中，PC直接與傳感器的地系統(tǒng)相連，所以只要沒有噪聲或其它誤差加到電壓源上，測量就會是準確的。

盡管未隔離的解決方案購買時可能會更便宜，但測試與測量應用很少是處于良好情況。所以要小心，如果你選擇了未隔離的解決方案，可能會導致可估算的后端成本，這是由于數(shù)據(jù)不夠準確或系統(tǒng)出現(xiàn)故障引起的額外開支。