用USB做為數據采集接口

USB（通用串行總線）已成為消費類應用中的低成本PC接口標準。但最近它成為數據采集應用中一種流行接口。
USB1.1與USB2.0
USB2.0是USB規范的最新版本。為了保持與現有器件向后的兼容，USB2.0操作規范是USB1.1規范的高級形式。USB2.0可以做USB1.1的每件工作，它與USB1.1是完全兼容的。另外，USB2.0支持更快的傳輸。USB2.0的最高數據傳輸率是480Mb/s，這比USB1.1所支持的最高速度快40倍。
數據傳輸模式
USB可用在大量的應用中，為此，USB開發者已建立了4種不同的數據模式：控制、中斷、集群和同步模式。每種模式都有優、缺點，而應用通常將確定采用哪種模式。
控制模式
控制傳輸用于配置，而所有裝置都必須支持控制傳輸。可以配置數據采集裝置所需的非常有限的數據傳輸能力只用于控制模式，盡管大多數據裝置利用其他數據傳輸模式。
中斷模式
中斷傳輸通常用在必須在將定時間傳輸數據，如很多數據采集應用或鍵盤、鼠標接口。每個USB端口提供多種中斷傳輸管道。保用定時使中斷模式用在大多數數采集應用中是理想的。
一個單數據采集裝置，可用多中斷傳輸來提供較高的數據傳輸率。由于有大量中斷和總線帶寬受限制，所以用多中斷降低可連接到專門USB端口上的獨立裝置數量。
集總模式
集總模式通常用在傳輸率不受限制時，如到打印機的寫入。集總傳輸將采用分配給其他傳輸類型的帶寬，所以將不會減慢極限工作。
若總線是忙的，則集總傳輸將得到最低優先級。隨著大多數數據丟失，所以，對于大多數數據采集應用不推薦用集總模式。
同步模式
同步傳輸正在流行于音頻或視頻中恒定數據率傳輸。這對于重新傳輸已被接收帶誤差的數據是不可能的，所以，它不適合于必須是精確的數據。這限制同步模式在大多數數據采集應用中的采用。
總的來說，中斷模式最適合大多數數據采集應用。同步模式被大多數應用所排除，因為它不能提供數據完整性。
集總和控制模式可用于實現很多數據采集裝置。但是，由于它們不能提供保用的數據傳輸率，所以，若數據采集裝置不能提供非常大的數據緩沖器，則會有實際丟失數據的危險。
在用戶調研不同供應商數據采集裝置時，要詢問是采用哪一種傳輸模式。若裝置所采用的模式不是中斷模式，用戶在計劃連接到多個裝置到一個給定USB端口時，應詢問可能的系統限制。
數據傳輸率
現在，USB規范允許系統在三個不同數據傳輸率下運行。USB2.0和1.1支持在低速和全速下數據傳輸。
除這些數率外，USB2.0支持總線速度在高速。表1列出理論最高傳輸率和有關低速、全速和高速傳輸的其它性能指標。
表1USB2.0理論上最高傳輸性能指標
傳輸類型
控制
中斷
集總
同步
一般用途
控制和配置
數據采集，鼠標和鍵盤接口
打印機和繪圖儀接口
音頻和視頻流
低速
支持
是
是
不
不
最高數據傳輸率（B/S）
24000
4800用所有6個可用的端
不支持
不支持
總線傳輸率

點/管線

1．5MB/S

數據信息包最大字節
8
8
不支持
不支持
全速
支持
是
是
是，但不是HID
是，但不是HID
最高數據傳輸率（B/S）總線傳輸率：12MB/S
832000
高達1216000
（用所有19個可用的端點/管線）
1216000
1023000
數據信息包最大字節
64
64
64
1023
高速
支持
是
是
是
是
最高數據傳輸率（B/S）
15872000
49152000
用可用的
53248000
24576000
總線傳輸率：
480MB/S

端點/管線

數據信息包最大字節
64
1024
512
1024
低速、全速和高速
保用數據傳輸等待時間
無
有
無
有
誤差檢查/校正
有
有
有
無
基于輔助操作和處理延遲問題，實際上這些傳輸率不可能達到。也應記住，大多數據采集應用是基于12b字或16b字而不是字節，所以這些數在從每秒字節轉換到每秒取樣數之前必須進行換算。
低速
低速傳輸采用1.5Mb/b總線傳輸率。這是在總線上傳輸位的實際速率，而不包括控制和誤差檢驗所需的輔助操作。在低速系統中實際的可能數據傳輸率將低于1.5Mb/s。
低速也限制所允許的中斷和控制模式。數據信息包只可能是8b（最大）。中斷傳輸的最大等待時間可低到10ms。控制端點的最大傳輸為24B/ms，中斷端點最大傳輸為8B/10ms。
因此，采用低速傳輸的裝置通常不采用數據采集應用需要每秒幾千取樣以上的。現在，很多包含PMD-1208LS和QUANCOM(r) USBOPTOREL 16的可用USB基數據采集產品采用低速傳輸。
全速
全速傳輸提供最大12MB/S數據傳輸率。這是在總線上傳輸數位的實際速度，但實際上可用的數據傳輸率將低于此值。所有4種傳輸模式都是允許的。不過，標準Windows人接口裝置（HID）驅動器只支持控制和中斷模式。
對于控制，中斷和集總傳輸其數據信息包可以是64B（最大），對于同步傳輸最大為1023B。中斷傳輸的最大等待時間可以低到1ms。控制端點最大傳輸為832B/ms（高達19個中斷端點管線是可用的），同步端點為1.023B/ms。
全速傳模式實現具有100KHz范圍（基于中斷傳輸）的數據采集裝置。PMD-1608FS和softDSP SDS200采用全速數據傳輸。基于集總或同步傳輸可開發更快的裝置，但是，對于保證精確數據無損失危險或FIFO超出，其中斷傳輸方法是最可靠的方法。
高速
高速傳輸提供最高480Mb/s數據傳輸率，而只有USB2.0支持高速傳輸。象低速和全速性能指標那樣，這是實際的在總線上傳輸的數據位，輔助操作和誤差檢查使可達到數據傳輸率將低于此值。
高速支持所有4種傳輸模式。控制傳輸的數據信息包括最大可以是64B，集總傳輸最大為512B，中斷傳輸最大為1024B，同步傳輸最大為1024B。中斷傳輸的最大等待時間可低到125μs。
控制端點傳輸最大為15872B/ms，集總端點為53248B/ms，中斷端點為24576B/ms，同步端點為24576B/ms。其于高速USB傳輸的USB基數據采集產品可望支持Hz范圍的取樣率。
USB總線不能支持在PCI或Compact PCI 總線上可能的80Mb/S傳輸率。然而，高速USB能適應當今大多數數據采集應用。
優先選用方法是中斷模式，因為它可以保證采集定時。
在單端口上混合不同速度的裝置
若正在用每個計算機端口的一個USB裝置或單個USB，則連接不同速度的混合裝置不會有問題。若有一個USB2.0端口，則可簡單地插入到任何USB裝置中。系統將重新組織裝置的速度和相應的通信。
若插入一個高速2.0裝置到1.0端口，則將重新組織、裝配裝置并實際地工作。然而，將達不到2.0端口的取樣率。
為了連接多個USB裝置到計算機的單端口，必須安裝一個USB插座。插座可用在1.1和2.0配置中，可以插1.1和2.0裝置的任意組合任何一個插座，并且它們將工作。
也可以在單個插座上混合低速、全速、高速裝置，通常不會降低較高速度裝置的性能。為了利用高速傳輸、裝置、插座和計算機端口都必須是2.0。