《電子技術應用》
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智能尋位加工技術中USB接口數(shù)據(jù)傳輸方式的應用研究*

2009-03-09
作者:毛德柱 周 凱 張伯鵬 劉大成

  摘 要: USB(通用串行總線)作為計算機領域新型成熟的外圍設備接口,具有傳輸速度快、易擴展性、即插即用、支持熱拔插等優(yōu)點,為整個智能尋位加工技術的實現(xiàn)作出重要保證。
  關鍵詞: 尋位加工 數(shù)控通訊 通用串行總線(USB)


  智能尋位加工技術[1][2]是一種新型加工方法,其實現(xiàn)思路是利用主動尋位方法獲取被加工零件的三維空間位姿,并以該信息為引導,基于CAD模型庫,自動生成數(shù)控加工程序,通過實現(xiàn)能順應現(xiàn)實加工的設備完成對零件的無精確定位束縛的加工。它強調(diào)多學科信息融合,廣泛采用自動控制、計算機、數(shù)控等領域最新最成熟的相關技術,促進機械制造領域的發(fā)展。
  該加工方法的一個重要的基礎條件是通暢的網(wǎng)絡化工作環(huán)境[2],強調(diào)多智能設備間實時數(shù)據(jù)流、控制流通訊,但由于現(xiàn)有底層設備的一些固有缺陷,屏蔽了上端先進技術的應用,犧牲了整個系統(tǒng)的性能,限制了該加工方法的廣泛應用。目前比較突出的例子是傳統(tǒng)的RS232串行通訊方式及并口通訊方式,由于其速率限制,難以對高速、批量的數(shù)據(jù)進行快速響應,使得整個系統(tǒng)的處理能力具有較大延遲,相應的技術解決方法則需迫切地提出。
1 USB通用串行總線
  串口的出現(xiàn)是在1980年左右,數(shù)據(jù)傳輸率是115~230kbps,并行口的數(shù)據(jù)傳輸率比串口快8倍,標準并口的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps。隨著計算機功能的日益強大,接口數(shù)量、速度的限制使系統(tǒng)性能的提升受到極大制約,外部設備的日益豐富與高速實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠惹行枰?,催生了寬帶寬和智能化串口的互連技術——通用串行總線USB(Universal Serial Bus)。
  USB是以INTEL為主并有康柏、微軟、IBM、DEC以及日本NEC等幾家公司共同制定的串行接口規(guī)格。1995年11月制定了第一個規(guī)范,使通訊速率達到1.5~12Mbps[3][4]。在1999年2月23日的Intel開發(fā)者論壇大會上,介紹了USB2.0規(guī)范,增加了惠普、朗訊和飛利浦三個新成員,向下兼容USB1.1,數(shù)據(jù)的傳輸率達到120~240Mbps,為大數(shù)據(jù)量高速實時傳輸提供了強有力的通訊方式。
  USB具有以下顯著特點:
  ·高速數(shù)據(jù)傳送
  支持1.5~12Mbps(2.0版本更支持高達120~240Mbps的傳輸速率),該速率與一個標準的串行端口相比,大約快出100倍,與一個標準的并行端口相比,也快出近10倍,足以滿足工業(yè)現(xiàn)場提出的高速傳輸應用。
  ·高自由度連接/拓撲結構
  對端口加以擴展,最多可在一臺計算機上同時支持127種設備,而不會受到其PC上插槽的個數(shù)的限制。主機和USB設備之間是星形拓撲結構。
  ·帶電插拔/即插即用
  即所有的USB外設利用“ONESIZE-FITS-ALL”連接器都可簡單的插入計算機中(熱插拔),而不用關掉計算機。
  ·內(nèi)置電源供給
  USB電源能向低壓設備提供5V、500mA(最大)電源。因此,對工業(yè)現(xiàn)場中使用的小功耗接入設備如光柵尺、球柵尺等則無須使用單獨電源供電,這樣可以降低這些設備的成本并提高性價比。
  ·支持多種傳輸模式
  USB提供了四種傳輸模式,以適應不同的傳輸目的,具有極強的通用性。
  因此相對其它的總線結構而言,例如IEEE1394(400MB/S)Compact PCI(132MB/S),在滿足性能的條件下,高速、低價、維護簡易的USB總線則是本系統(tǒng)的首選。
2 USB總線系統(tǒng)應用描述
2.1 系統(tǒng)框架

  USB總線系統(tǒng)框架如圖1所示。從圖1我們可以清楚地看到USB功能的軟硬件層次結構。
2.2 軟件驅(qū)動體系
  軟件驅(qū)動體系如圖2示。

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  USB設備驅(qū)動(或客戶驅(qū)動)程序向USBD發(fā)出輸入輸出請求包(IO Request Packets)。USB系統(tǒng)驅(qū)動軟件是由微軟提供的,在WINDOWS95OSR2以后版本中開始發(fā)行的驅(qū)動程序。其中主要包括:
  ·USBD.SYS——為客戶軟件驅(qū)動提供接口服務、分配總線帶寬和管理設置參數(shù)的過程。當收到USB客戶驅(qū)動的IRPs時,USBD將其組織到各個獨立的處理任務(Transaction)中去。
  ·UHCD.SYS——控制PC機控制器的操作,計劃數(shù)據(jù)的處理和控制處理后的結束狀態(tài)。UHCD負責處理任務在USB中廣播的計劃工作。通過建立處理任務表,UHCD決定1ms Frame的順序傳輸內(nèi)容。
  USB系統(tǒng)驅(qū)動軟件實現(xiàn)的關鍵功能包括:
  參數(shù)設置
  ·設備參數(shù)設置:包括讀取設備的描述符,決定USB需要的資源,為每個端點(endpoint)建立通訊管道(pipe)。
  ·USB參數(shù)設置:如通訊管道的初始化,需要初始化的內(nèi)容包括設定服務時間、最大數(shù)據(jù)傳輸量等。
  ·功能參數(shù)設置:對于特定的設備驅(qū)動需要完成特定的一些功能。
  分配USB資源
  ·確定電源:USB能提供給每個端口設備的電流為100~500mA,同時USB系統(tǒng)軟件有責任報告電源匱乏。
  ·跟蹤及分配帶寬:USB系統(tǒng)軟件需要知道通訊管道的初始化參數(shù)以分配帶寬。
  ·復用帶寬:USB系統(tǒng)軟件通過復用帶寬,可將殘留帶寬分配給控制傳輸(Control Transfer)和批量傳輸(Bulk Transfer)這些優(yōu)先權較低的傳輸方式,提高帶寬利用率。
  USB驅(qū)動提供一種客戶編程接口用來幫助客戶軟件控制和讀取USB設備。其具體提供的軟件機制有:
  ·命令機制——允許客戶設定和控制USBD操作,從而設定和控制USB設備的運行。
  ·管道機制——允許USBD的客戶對設備特定的數(shù)據(jù)和控制傳輸進行管理。
  如圖2所示,我們可以從邏輯數(shù)據(jù)傳輸流和物理數(shù)據(jù)傳輸流兩種方式來看待整個USB軟件驅(qū)動體系。邏輯上我們可以認為數(shù)據(jù)通訊是在用戶軟件的設備間進行,而從物理流程來看則要復雜得多。
3 研究實例
  在智能尋位加工技術的一個應用實例——數(shù)控加工中心光柵閉環(huán)測量過程中,應用USB總線方式進行通訊。系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。


  主要組成及應用條件:
  ·USB接口器件采用INTEL公司生產(chǎn)的80931HA,內(nèi)嵌MCS51(251)微控制器,對光柵測量系統(tǒng)而言足夠(而且可以進一步擴展)。
  ·主控制接口利用INTEL440芯片組中82371,使用其功能2(USB總線)。
  ·PII主板,WINDOWS98,VB6編程環(huán)境。
  ·3路(3軸)輸入,高速傳輸方式。
  使用結果表明,USB通用串行總線的應用范圍完全可以從簡單的計算機周邊設備接口擴展到一定的工業(yè)通訊控制場合,而且具有傳統(tǒng)的串行和并行口無可比擬的優(yōu)點。
參考文獻
1 毛德柱,周 凱等.新型“尋位-加工”生產(chǎn)模式研究.制造業(yè)自動化,1999增刊:132~135
2 周 凱.一種新的制造技術——無夾具制造.機械工程學報,1997;33(1)39~47
3 Universal Serial Bus Specification,Revision 1.1,September 23,1998
4 Don Anderson:Universal Serial Bus System Architecture, MindShare,Inc,1997

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