以USB接口为基础的通讯口体系设计

1、引言

基于 PC 机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，总线形式多种多样，高速总线可以采用 ISA、PCI、USB 等总线技术。通常使用的是基于 ISA 总线、PCI 总线。由于计算机主板的更新换代，ISA 插槽使用的越来越少了 PCI 总线的运动控制卡成了目前的主流。但是 PCI 总线存在一些缺陷：易受机箱内环境的影响，受计算机插槽数量的地址、中断资源的限制而不可能挂接很多设备等。USB 总线具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，其中 USB2.0 标准有着高达 480MB/s 的传输速率，已经逐渐成为计算机接口的主流。而且，通用串行总线 USB 为多点数据采集提供了很大的便利，利用 USB 可以实现比传统方式更有效、更经济、点数更多的数据采集。USB 数据总线已经在各种计算机上得到普及，成为计算机的标准设备。

2、 系统体系结构

基于 USB 总线的运动控制平台及采集卡系统按照功能的划分，主要包括 3 个方面：USB 接口设计，通过 USB 接口实现 PC 机与单片机的通讯；电机的驱动，采用电机驱动芯片 UC3717A；数据采集问题，数据采集的目的是为了监控外界情况，步进电机的工作环境例如温度，以及捕获运动轨迹等，它是通过传感部件利用传感器监控外界，将采集的信息作模数转换后传递到单片机，由单片机送到微机，作分析、显示。系统的体系结构如图 1 所示。

系统的工作过程就是一个数据采集和控制步进电机运行的过程，其中的每一步都需要不同组的支持。首先，温度和压力参数经传感器转换成模拟信号，模拟信号经过 A/D 转换变单片机可识别的数字信号；接着单片机将数字信号进行处理之后，就可以送往 LED 显示或者发送给 USB 接口芯片；然后 USB 接口芯片在主机需要的时候，把接收到的数据经 USB 总发送给主机进行处理和显示；最后将处理的结果经 USB 总线和单片机来控制步进电机的运行。

3、系统的硬件电路设计

USB 数据采集系统的硬件电路结构主要包括以下几个部分：USB 通信电路部分、数据采集电路部分、步进电机驱动。模块的功能都是在以 ATmega16 为核心的硬件平台上实现的。

3.1 USB 通信电路的设计

USB 通信电路的功能是实现数据采集系统设备端和主机端之间的通信，这一功能主要是由核心微控制器 ATmega16 和 USB 控制器件 PDIUSBD12 实现的。其中，PDIUSBD12 是符合 USB1.1 协议的芯片，在 USB 通信电路中起着联系设备和主机的桥梁的作用。微控制器 ATmegal6 和 USB 控制器 PDIUSBD12 之间通过 8 位并行总线进行通信，8 位并行总线在 ATmegal6 端需要连接 8 个 I/O 口。PDIUSBD12 片内集成了时钟乘法 PLL，晶振电路使用 6MHZ 的晶振和两个 2pF 到 68pF 的电容。PDIUSBD12 的信号输出端 D+/D- 上要各串接一个 18 欧的匹配电阻。通信电路如图 2 所示。

3.2 数据采集电路的设计

数据采集电路的功能就是将现场的温度、压力以及应力等数据转换成合适的模拟信号，再把模拟信号传送给 A/D 转换电路。此模块包括温度采集模块和压力采集模块两部分。

温度数据采集使用了 DS18B20，它是美国 Dallas 公司生产的数字化温度传感器，世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。测量温度范围为 -55°C～+125°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。将采集的温度送至 ATmegal6 内部的采样保持电路，然后进行放大、A/D 转换，再经过固件程序的换算就可以得到测量温度了。

在本系统中，测量压力采用的器件是广州森纳士仪器有限公司生产的压力变送器，其量程是 0.0lMPa，输出信号是 4~20mA 的电流。当压力改变时，输出电流也随之发生变化，所以在信号输出端接一个精密电阻，然后对电阻两端的电压进行采样和转换，再经过固件程序的换算就可以得到测量压力了。

3.3 步进电机驱动电路设计

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

电机驱动电路主要由驱动芯片组成，本系统使用的电机驱动芯片为 UC3717A。UC3717A 芯片使用非常简单，它通过 3 个输入管脚（Phase、I1 和 I0）分别图单片机引脚连接来接收输入的参数，在 2 个输出管脚（Aout 和 Bout）上与电机连接输出相应的控制信号。由于 UC3717A 包含一个 H 桥，因此电机驱动电路有两片 UC3717A 对应部分相连构成完整的驱动电路。如 3 微部分驱动电机驱动电路图。

3.4 LED 显示电路设计

如图 4 所示，该系统的显示是使用的静态显示，应用 74LS164 的串入并出的特点，将显示编码通过单片机的串口发送到 74LS164 上锁存而实现稳定的静态显示。在 74LS164 和数码管之间串接 1K 的电阻限制电流，起到保护作用。

4、系统的软件设计

USB 数据采集系统是一个多任务系统，而且程序结构也比较复杂，为了提高开发率，增强系统的稳定性，降低开发和维护成本，就需要一个嵌入式操作系统作为系统发和运行的平台。μC/OS-Ⅱ作为一个源码公开的免费型嵌入式实时操作系统，其稳定性好、可靠性高，而且μC/OS-Ⅱ还具有移植性好、可固化、可裁剪等特点，非常适合作为 USB 数据采集系统的开发平台。

USB 数据采集系统的软件由三个部分组成：USB 设备固件程序、主机 PC 上的 USB 设备驱动程序和主机上的客户应用程序。系统软件的组成及各部分之间的关系如图 5 所示。

设备固件程序按功能可以划分为 USB 通信程序、单片机上的 A/D 转换程序和 LED 显示程序，以及单片机对步进电机驱动芯片控制程序，其中 USB 通信程序是整个固件程序的主要部分，其功能是实现 USB 设备枚举和数据传输。USB 设备枚举是 USB 设备插上之后，主机与设备交换信息并自动配置的过程，枚举成功后，USB 接口与主机就可以进行通信了。

设备驱动程序是连接设备和主机应用程序的纽带，它向上提供应用程序的访问接口（API），向下则实现对具体设备的访问和管理功能。驱动程序与设备硬件和上层用户程序密切相关，在 USB 体系的中间起到信息转换和传递的中介作用。在开发 USB 设备时，设备驱动程序的设计是一个非常重要的环节，直接影响到整个设备系统的性能。本系统采用 Driverworks 开发 WDM 型 USB 设备驱动程序。

应用程序的主要功能是在设备驱动程序中查找设备，与设备交换数据，并将设备发送来的数据进行处理和显示。应用程序和驱动程序的通信是通过访问应用程序接口（API）函数实现的，所以应用程序的开发必须在能访问 API 函数的平台上进行。Microsoft 公司提供的 Visual Studio .NET 是一种功能强大的支持 API 函数的编程工具，本设计的主机应用程序就是以 .NET 为平台进行开发的，其功能主要包括查找 USB 设备，与 USB 设备交换数据和动态显示数据曲线。

5、 总结

本文的创新点是改变了传统的用微机 PCI、ISA、串并行口做通讯口，改用高速的 USB 接口作为通讯口，有利于速度的提高，也方便了使用及携带，为以后的改进和扩展提供了余地；其次，将数据采集功能集合到控制卡里，也是本文的一个特点：电机运动过程中，为了监控驱动器的工作环境，需要采集温度数据；同时将运动轨迹的有关数据采集进来，作为插补和调整的依据，并且将输出电机的运动命令和及时传回电机轨迹状态相结合，形成了控制平台和数据采集为一体的模块，数据采集的过程是个实时的过程，是在电机运动中同步完成的；最后本系统是开放性的实时系统。该项目实施半年以来，创造经济效益 60 多万元。