可消除USB数据采集模块潜在危险的方法 数据采集, 电位差, 隔离

yuyang911220

[url=link:%3Ca%20href=%27/article/tag/USB%27%20target=%27_blank%27%20style=%27cursor:pointer;color:#D05C38;text-decoration:underline;%27%3EUSB%3C/a%3E%7C0]USB[/url]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。

图1：典型的应用设置。
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。

使用USB进行测试和测量的优势
        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。

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
  
• 节约成本：许多USB[url=link:%E6%95%B0%E6%8D%AE%E9%87%87%E9%9B%86%7C0]数据采集[/url]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。
  
• 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。  
  
• 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。
  
• 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。  
  
• 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：

• 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？  
  
• 该应用是否涉及到具有不同地电位的电压？
  
• 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。