（机械电子工程专业论文）windows+2000下采用usb通讯的数控系统设计.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 传统的数控系统采用封闭式的结构，不同用户难以在其平台上进行二次开 发，而开放式数控系统可以解决这一问题。基于p c 的开放式数控系统已成为当 前c n c 技术发展的必然趋势。 本文讨论了数控系统的发展历史、现状和趋势，分析了基于p c 的数控系统 ( p c n c ) 的特点、通讯接口、操作系统平台，以及u s b 通讯的特点、协议，提 出了一种基于主流w i n o w s 2 0 0 0 操作系统平台，通过u s b 接口与精插补器通讯的 主从式数控系统体系结构。该系统采用二次插补策略，由p c 机实现软件粗插补， 硬件实现精插补。以此为基础，完成了系统样机的软硬件设计。 主机系统在w i n d o w s 2 0 0 0 下采用v i s u a lc + + 6 0 以及面向对象、模块化 的程序设计方法，完成了系统操作界面、n c 代码的编辑、编译模块、轨迹插补 模块、模拟仿真模块、u s b 驱动程序模块以及u s b 通讯模块的具体设计。 从机系统的设计完成了以p h i l i p s 公司p d i u s b d l 2 接口器件和p 8 9 c 5 8 单片 机为核心的u s b 通讯电路设计，以及基于f p g a 的精插补控制器接口的设计，并 配合硬件设计了从机系统的固件程序。 关键词：数控系统，w i n d o w s 2 0 0 0 平台，u s b 通讯，精插补控制器，p d i u s b d l 2 w i n d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 a b s t r a c t 灿lo ft h ec o n v e n t i o n a lc n cs y s t e m sa r ei n t e r f a c ec l o s e d i ti sd i f f i c u l tt o c h a n g et h e mo r a d dn e wf u n c t i o nf o ru s e r s o p e n c n cs y s t e mt a i ls o l v et h i s p r o b l e m a n d t h es t r u c t u r eo f t h eo p e n - c n cs y s t e mw i t hi t sp l a t f o r mo ut h eb a s eo f t h ep e r s o n a lc o m p u t e r 口c ) i sa ni m p o r t a n t t r e n do f t h ec n c t e c h n o l o g y t h ep a d e rd i s c u s st h ep a s t 、c u r r e n ta n dt h ed e v e l o p m e n t 廿e n do fc n cs y s t e m a f t e r a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，o p e r a t i n gs y s t e m p l a t f o r mo fp c b a s e dc n cs y s t e m ( p c n c ) ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，a g r e e m e n t o f u s bc o m m u n i c a t i o n ac n cs y s t e mw i t hm a s t e r - s l a v ea r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d w h i c hi sb a s e do nw i n o w s 2 0 0 0p l a t f o r ma n dc o m m u n i c a t e sw i t hf m ei n t e r p o l a t o r t h r o u 出u s b i nt h es y s t e m ，m a i ni n t e r p o l a t o ri sp e r f o r m e db ys o f t w a r ei np c a n d f i n ei n t e r p o l a t o rb yh a r d w a r e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h em o d e ls y s t e mh a v e b e e nd e v e l o p e da f t e rs c h e d u a l i n g 也ea r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e m n em a s t e r s y s t e m i np cw a s d e v e l o p e d 谢t 1 1 v i s u a lc + + 6 0a n d o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g u n d e rw i n d o w s 2 0 0 0 ，i n c l u d i n gm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 血ee d i t i n ga n dc o m p i l i n go ft h en c c o d e ，i n t e r p o l a t o r , p r o c e s ss i m u l a t i o n ，u s b d e v i c ed r i v e r , a n du s bc o m m u n i c a t i o n t h es l a v es y s t e mi s c o m p o s e do fp 8 9 c 5 8m i c r o p r o c e s s o ra n dp d r u s b d l 2 i n t e r f a c ec h i p ，a n daf p g am o d u l ef o rf i n e i n t e r p o l a t o r s o m e s o f t w a r ew a s d e v e l o p e d t oi m p l e m e n tu s b c o m m u n i c a t i o n ，a n d f i n ei n t e r p o l a t o rc o n t r o l l i n g k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ，w m d o w s 2 0 0 0p l a t f o r m ，u s bc o m m u n i c a t i o n ，f i n e i n t e r p o l a t o r , p d i u s b d l 2 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含任何他 、享有著作权的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：瑚绝尘 日 期：丛煎：i ：丑： 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发 达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在 现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自 动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特 点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。现代 c a d c a m 、f m s 、c i m s 等也都是以数控技术为基础。因此数控技术水平的高低已 成为衡量一个国家工业自动化的重要标志。 数控系统是数控技术的核心，其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备 的加工质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都 具有至关重要的影响。因此，数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术，而 且作为制造业的基础性战略技术，越来越受到世界各国的重视和大力发展。 1 1 数控系统技术的发展 1 1 1 数控系统技术的发展历程 从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，至今已经历了 四十六年历程。随着计算机技术，特别是微电子技术的发展，数控技术无论在 硬件或软件方面发展都很快，数控系统已经历了八代，可分为四个发展阶段”5 1 ： ( 1 ) 硬件数控阶段从1 9 5 2 1 9 7 0 年为硬件数控( n c ) 阶段，这一阶段 经历了三代，即第一代( 1 9 5 2 年) 电子管、第二代( 1 9 5 9 年) 晶体管和第三代( 1 9 6 5 年) 小规模集成电路。这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成， 其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步的 发展和应用。 ( 2 ) 计算机数控系统的发展和完善阶段7 0 年代初，大规模集成电路、半 导体存储器、微处理器的问世，通用小型计算机出现并逐渐普及，给数控技术 带来了突破性的发展。1 9 7 0 年在美国芝加哥数控展览会上，首次展出了以小型 计算机为核心的计算机数控系统( c n c ) ，标志着数控系统进入了计算机为主体 的第四代。至此，原来由硬件实现的功能逐步改由软件完成，从此系统进入了 w m d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 “软联接”数控时代。 1 9 7 4 年，首次出现了采用微处理器芯片的软联接c n c 系统，象征着数控系 统进入了以微机为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩 小了体积，降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。 7 0 年代末、8 0 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、c r t 的普 及应用，c n c 系统进入了第六代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为 完备，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互 式对话编程，三维图形动态显示校验，实时软件精度补偿等功能。在系统体系 结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构。数控系统产品也逐步实 现了标准化，系列化。 ( 3 ) 高速高精度c n c 的开发与应用阶段为了实现高速、高精度曲面轮廓 精加工，必须提高微轮廓线的解释处理能力和伺服驱动特性。为保证零件程序 的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，c n c 系统应具有足够高的数据处理 速度和能力。3 2 位c p u 以其较强的数据处理能力在c n c 中得到了应用，使c n c 系统进入了面向高速、高精度的第七代，并逐渐成为当今数控系统的主流。 ( 4 ) 基于p c 的开放式c n c 的开发与应用进入九十年代，个人计算机( p c ， p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的性能提高很快，从8 位、1 6 位发展到3 2 位，可以满足 作为数控系统核心部件的要求，而且p c 机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。 数控系统从此进入第八代基于p c 的c n c 系统阶段。1 9 9 4 年，这种基于p c 的c n c 控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。p c 的引入，不仅为c n c 提供十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为c n c 的开放化提供了基 础。 1 1 2 数控系统的发展现状 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和 通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，迅速高效、低成本 地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求 新一代数控系统具有方便的网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产 组织和管理模式。为此，近1 0 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层 次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方 向努力。就结构形式而言，目前市场上的数控系统大致可分为4 种类型”1 ： 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 1 ) 传统数控系统如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机 界面，但必须使用专门的开发工具( 如s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) 耗费较多的人力， 而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统 还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统 数控系统的市场正在受到挑战。 ( 2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统这类系统是由于一些数控系 统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又希望利用计算机丰富的软件 资源而开发的，如f a n u c l 8 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这类系统也有一定的开放性，但其内核仍然是传统的数控系统， 体系结构是不开放的，因此用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、 功能强大，价格昂贵。 ( 3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统它由开放体系结构运动控制 卡和p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动 控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函 数库可供用户在p c 平台下自行开发构造所需的控制系统，因而被广泛应用于制 造业自动化控制各个领域，如美国d e l t at a u 公司用p m t a c 多轴运动控制卡构造 的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的 m a z a t r o l6 4 0c n c 等。 ( 4 ) s o f t 型开放式数控系统这是一种软件的开放体系结构数控系统，它 的c n c 功能全部通过软件实现，硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之 间的标准化通用接口，就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、c d - r o m 和相应 的驱动程序一样，因而提供给用户最大的选择和灵活性。用户可以在w i n d o w s 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成高性能数控系统。 与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而 最具生命力。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a s 0 0 0n t 等。 1 1 3 现代数控系统的发展趋势 数控系统技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越 高，性能价格比也越来越高。数控系统技术发展的总体发展趋势是”3 ： 3 w i n d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 ( 1 ) 采用开放式体系结构进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发 展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构 使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方 向大大发展。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心 ( n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构”n g c ，欧共 体的“自动化系统中开放式体系结构”o s a c a ，日本的o s e c 计划等。开发研究 成果已得到应用，如c i n c i n n a t i m i l a c r o n 公司从1 9 9 5 年开始在其生产的加工 中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的a 2 1 0 0 系统。开 放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自 动编程、图形扫描自动编程等。同时，微电子技术的发展推动着数控系统继续 向高集成度方向发展，使系统体积更小、可靠性更高，网络功能也更强。开放 式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由 于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统 集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系 统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升级或剪裁构成各种档次的数 控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发周期大大缩短。 ( 2 ) 控制性能大大提高数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工 智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神 经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自 适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而 且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋 完善。智能化的主轴交流驱动和进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调 整参数，数控系统的伺服控制性能也改善了。 总之，新一代数控系统技术水平提高，促进了数控机床性能向高精度、高 速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。 1 2 基于p c 的数控系统 12 1 p c n c 的优势 数控系统发展到9 0 年代后，基于个人计算机( p c ) 的数控系统( 简称p c n c ) 4 南京航空航天大学硕士学位论文 成为c n c 发展的主要方向。主要特点为“”： ( 1 ) 成本低采用p c 作为控制系统的核心，可以节省开发专用硬件的费 用，从而大大降低系统的成本。 ( 2 ) 具有开放性p c 总线是一种开放性总线，这使得p c n c 的系统体系 结构具有开放性、模块化、可嵌入的特点。机床厂和用户可以根据下需要选择 合适的软硬件模块，以最低的成本组成最佳系统，也可以方便地进行二次开发， 追加系统功能，实现功能的个性化。 ( 3 ) 软件开发环境完备市场上大量的p c 开发工具使系统开发工作量大 大减少。 ( 4 ) 软件资源丰富各种c a d c a m 软件、车间编程( s f p ) 软件、刀具 轨迹校验软件、工厂管理软件、通讯软件、多媒体软件可以大大提高c n c 的图 形显示、动态仿真、编程和诊断功能。 ( 5 ) 良好的通讯功能通用p c 的结构很容易与其他计算机系统或数控系 统通讯。利用成熟的网络技术，很容易在p c n c 基础上组建d n c 系统、f m c 系统 和f m s 系统。 12 2p c n c 接口类型 目前p c 和n c 的连接主要采用两种形式，一是通过p c 机的串口、并口，这 种方式接口简单、连接方便，开发费用低，但由于传输速度低，己不能满足现 代数控系统的实时性要求。二是采用i s a 和p c i 插卡的形式，n c 功能插卡化， 并将其插入p c 机的标准i s a p c i 插槽，很方便的实现与用户接口、主机系统通 讯的开放化，这是p c n c 系统的一种主流形式，但i s a p c i 总线接口复杂，驱动 程序、硬件接口开发难度大，开发成本较高，开发周期也较长，而且i s a 总线 也随着计算机的发展逐渐被淘汰。 随着计算机总线结构的变革，必将影响数控系统的体系结构，串行总线的 应用将极大地改变现有的传统数控系统的结构形式。串行总线连接引脚数量少， 连接简单，成本较低，系统可靠性高，u s b 作为一种新的通用串行总线标准，应 用越来越广泛“”。u s b 总线具有较强的纠错能力、速度快、不占用系统资源、驱 动程序开发简单的特点，较好地满足了现代数控系统的要求，因此，本文把u s b 这种新型接口和通讯方式应用到数控系统，采用一种基于u s b 通讯的p c n c 的体 系结构。 w m d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 1 2 3p c n c 的操作系统平台 基于p c 数控系统的软件开发平台主要有以下几种形式“： ( 1 ) 专用的实时操作系统专用的操作系统如l y n x o s 、q n x 、v x w o r k s 、 w i n d o w sc e 、r t l i n u x 等，能较好地满足控制系统实时性要求，但降低了系统的 通用性、开放性，增加了系统开发成本，增加了用户的操作难度。基于源代码 开放l i n u x 的实时操作系统，其实时性强，成本低，是一种较好的开发方式， 但其支持的硬件少，不支持w i n d o w s 、m a c 等应用程序而不易推广。 ( 2 ) d o s 系统国内基于d o s 的数控系统应用较为普及，如华中i 型数控 系统。d o s 系统实时性较强，能满足一般数控系统的要求，但其单任务、字符界 面对现代复杂的控制要求已不太合适了。 ( 3 ) w i n d o w s 系统w i n d o w s 系统以其图形界面、丰富的软件资源、操作 简单，开发基于w i n d o w s 平台的c n c 系统已成为当今c n c 系统的主流。w i n d o w s 9 x 系统应用广泛，但由于其与d o s 共存，稳定性较差，己非p c 主流操作系统平台， 必然会被w i n d o w s 2 0 0 0 等系统代替。 w i n d o w s 2 0 0 0 是m i c r o s o f t 公司开发的真3 2 位的操作系统，其最大的特点就 是稳定性和安全性好，而且还支持多线程编程，因此用它作为控制系统的开发 平台是非常合适的。其体系结构如图1 1 “”。w i n d o w s 2 0 0 0 环境下的程序有两种 运行模式，用户模式和内核模式。运行于内核模式的程序受处理器的保护，安 全性高。同时，由于受硬件特权检查机制的限制，只有内核模式的程序才能直 接访问硬件资源。一些重要的程序，如k e r n e l 组件、窗口及图形系统、设备驱 动程序等运行于内核，普通的用户应用程序运行于用户模式，这样，用户的应 用程序无法破坏系统资源，保证了系统的安全性。w i n d o w s 2 0 0 0 采用了w i n 3 2 内 存管理机制，该机制规定，每个进程都拥有一块4 g b 的独立虚拟内存空间，进程 的内容放在下面的2 g b 中，且无法访问上面的2 g b 的空间，上面的2 g b 空间用于存 放系统的d l l 、驱动程序、w i n d o w s 2 0 0 0 内核等内容，这样进程之间不会相互 干扰，也不会去破坏系统空间的内容。与w i n d o w s g x 相比，w i n d o w s2 0 0 0 的内存 管理大大提高了系统的安全性和稳定性，同时w i n d o w s2 0 0 0 是完全可重入的 ( r e e n t r a n t ) ，可以完全实现多任务，而w i n d o w s 9 x 的重要部分是不可重入的( 主 要是来自w i n d o w s 3 1 的1 6 位代码) 。虽然w i n d o w s g x 的内核拥有抢占式的3 2 位的 多线程调度程序，但应用程序经常以单线程运行“。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 棱心鸯 图1 1w i n d o w s 2 0 0 0 体系结构 1 3 本文研究的意义和主要内容 本文旨在探讨一种基于较为流行的w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统平台，采用p c n c 的系统结构，通过u s b 接口实现上下位机通讯，开发出能用于较高加工速度的 铣床数控系统。这种基于w i n d o w s 2 0 0 0 的数控系统开发简单，易于实现和维护， 具有一定的开放性，对市场的响应快，不仅适用于较高速度的加工机床，也是 改造现有机床经济而实用的一种选择，对国产数控系统的研究开发将起到积极 的作用。 本文主要完成的内容包括： ( 1 ) 从分析u s b 通讯协议入手，提出“p c + u s b + 精插补控制器”的数控系 统体系结构，分析系统的可行性和系统的特点及整个系统的开发策略。 ( 2 ) 数控系统的硬件系统开发，包括u s b 通讯接口开发和精插补控制器接 口的开发，同时完成硬件系统的固件程序设计。 ( 3 ) p c 端数控系统软件的开发，完成了数控代码编辑、编译，粗插补，界 面监控，模拟仿真，实时显示，u s b 驱动开发及u s b 通讯等任务。 7 r m d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 第二章u s b 通讯协议简介 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是近年来应用于p c 领域的一 种新型接口技术，是一些p c 大厂商，如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增 加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标 准。现在生产的p c 机几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 9 8 、2 0 0 0 、 x p 以及m a c o s 、h i n u x 、f r e e b s d 等流行操作系统都提供了对u s b 的支持。为了 开发一个u s b 设备，首先必须理解u s b 协议，而完整的u s b l 1 协议多达2 8 1 页， 但开发一个u s b 设备并不需要通读整个协议“。本章将简介开发一个u s b 设备 的有关知识，它是对u s b 协议的简化，详细内容可参考协议本身。 2 1 u s b 的特点 u s b 的规范能针对不同的性能价格比要求提供了不同的选择，以满足各种系 统和部件的不同功能要求，其主要特点可归结为以下几点“6 ”1 ： ( 1 ) 终端用户的易用性为连接电缆和连接头提供了单一模型；电气特性 与用户无关；自我检测外设，自动地进行设备驱动的安装、设置；动态连接， 动态重置的外设；不需要电源，u s b 接口包含+ 5 v 的电源线与接地线，可眺使用 计算机或者集线器提供的电源，在5 0 0 m a 下，u s b 外围设备可以直接使用信道提 供的电源。 ( 2 ) 广泛的应用性适应不同设备，传输速率从几千比特率到几十兆比 特率；在同一线上支持同步、异步两种传输模式；支持对多个设备的同时操作； 可同时操作1 2 7 个物理设备；在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流； 支持多功能的设各；利用底层协议，提高了总线利用率。 ( 3 ) 快速性和灵活性快速性是u s b 技术的突出特点之一。在传输速度方 面，u s b 支持三种信道速度：低速( 1 0 ws p e e d ) 的1 5 怕s ，全速( f u l ls p e e d ) 的1 2 m b s ，以及高速( h i g hs p e e d ) 的4 8 0 m b s 。这三种速度基本可以满足所有 u s b 外围设备的需求。具备u s b 功能的p c 都支持低速和全速，高速则需要支持 u s b 2 0 的主机或扩充卡，现在一些新式的主板都支持u s b 2 0 ，这样的速度是其 它总线无法比拟的。u s b 接口可以直接传输一系列太小的数据包，允许对设备缓 冲器大小的选择；通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率； 南京航空航天大学硕士学位论文 通过协议对数据流进行缓冲处理。 ( 4 ) 健壮性和稳定性不管是硬件的设计或是数据传输的协议，u s b 都很稳 定，主要体现在： 数据传输采用差分的驱动接收和防护，以保证信号完整性； 在数据和控制信息上加了循环冗余码校验( c r c ) ； 实时检测用户对设备的热拔插并对系统级资源进行设置； 对丢失或损坏的数据包暂停传输，利用协议自我恢复： 对流数据进行控制，以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全。 这种健壮性和稳定性完全可以满足控制系统的要求。 ( 5 ) 与p c 产业的一致性u s b 的热拨插特性与p c 机的即插即用的体系结构 的一致，并且保持对现存操作系统接口的良好衔接。 ( 6 ) 价廉物美虽然u s b 接口比起以前的接口来得复杂，不过它的组件与电 缆都不贵。与以前的接口比较起来，u s b 接口甚至可能只需更少的花费。如果是 使用低速模式的u s b 设备，其硬件的需求会让价格降的更低。 2 2u s b 体系结构概述 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数 据传输。由主机预定的标准的协议使各种设备分享u s 8 带宽，当其它设各和主机 在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设“”。 2 2 1u s b 系统的描述 一个u s b 系统主要被定义为三个部分：u s 8 的互连；u s b 的设备；u s b 的主 机。 u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下 几方面： 总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式； 内部层次关系：根据性能配置，u s b 的任务被分配到系统的每一个层次； 数据流模式：描述数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方式； u s b 的调度：u s b 提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度 以支持同步数据传输，并且避免优先级判别开销。 22 2 总线布局技术 9 w m d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 u s b 连接了u s b 设备和u s b 主机，u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。 每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点对点连接。从主机到集线器或 其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件，从图2 1 中可看出u s b 的拓 扑结构。 3 t i e r 4 幽2 1 总线的拓扑结构 2 2 3u s b 的主机 在任何u s b 系统中，只有一个主机。u s b 和主机系统的接口称作主机控制器， 主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的， 用以提供更多的连接点。 u s b 的主机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机功能如下： 检测u s b 设备的安装和拆卸 管理在主机和u s b 设备之间的控制流； 管理在主机和u s b 设备之间的数据流； 收集状态和动作信息； - 提供能量给连接的u s b 设备。 2 2 4u s b 的设备 u s b 设备主要分为集线器和功能器件两类。集线器类指的是一种提供u s b 连接点的设备，只有集线器可以提供更多的u s b 的连接点；而功能器件是为系 统提供具体功能，如i s d n 的连接，数字的游戏杆或扬声器。 当u s b 设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的u s b 地址。设备就 南京航空航天大学硕士学位论文 是通过该u s b 地址被操作的，每一个u s b 设备通过一个或多个通道与主机通讯。 所有u s b 设备必须在零号端口上有一指定的通道，每个u s b 设备的u s b 控制通 道将与之相连。通过此控制通道，所有的u s b 设备都列入一个共同的准入机制， 以获得控制操作的信息。 在零号端点上，控制通道中的信息应完整描述u s b 设备，此类信息主要有 以下几类： 标准信息：这类信息是对所有u s b 设备的共同性的定义，包括一些如厂 商识别、设备种类、电源管理等。设备设置、接口及端点的描述在此给出。 类别信息：此类信息给出了不同u s b 的设备类的定义，主要反映其不同 点。 u s b 厂商信息：u s b 设备的厂商可自由的提供各种有关信息，其格式不受 该规范制约。此外，每个u s b 设备均提供u s b 的控制和状态信息。 2 2 5u s b 物理接口及电气特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 2 中的两根线d + 、d 一 是用于发送信号。存在两种数据传输率：u s b 的高速信号的比特率定为1 2 m b p s ； 低速信号传送的模式定为1 5 m b p s ：电缆中还包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提 供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。为 了保证足够的输入电压和终端阻抗。重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每 个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速，或低速设备。 v b u s d + d g n d 2 3 u s b 数据传输 图2 2u s b 的电缆 v b u s d + d g n d 23 1 u s b 通信流模型 u s b 是为主机软件和它的u s b 应用设备间的通信服务的，对客户与应用间不 w m d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 同的交互，u s b 设备对数据流有不同的要求。u s b 为此提供了更好的o v e r a l l 总 线使用，它允许各种不同的数据流相互独立地进入一个u s b 设备。每种通信流 都采用了某种总线访问方法来完成主机上的软件与设备之间的通信。每个通信 都在设备上的某个端点结束。不同设备的不同端点用于区分不同的通信流。 图2 3 详尽地描述了u s b 系统通讯流模型，它支持了逻辑设备层和应用层 间的通信，实际的通信流需经过好几个接口边界。在图2 3 中，中间的连接部 分包括机械上、电气上以及协议上的u s b 接口的定义；u s b 设备侧定义了u s b 设备的编程接口，通过此接口，可从主机侧对u s b 设备进行控制。u s b 主机侧定 义了两个通信接口： 主机控制器的驱动程序( h c d ) ：它位于u s b 主机控制器与u s b 系统软件之 间。主机控制器可以有一系列不同的实现，而系统软件独立于任何一个具体实 现。一个驱动程序可以支持不同的控制器，而不必特别了解这个具体的控制器。 一个u s b 控制器的实现者必须提供一个支持它自己的控制器的主机控制器驱动 器( h c d ) 实现。 u s b 驱动程序( u s b d ) ：u s b 系统软件与客户软件之间的接口，提供给客户 软件一些方便使用u s b 设备的功能。 一个u s b 逻辑设备对u s b 系统来说就是一个端点集合。端点可以根据它们 实现的接口来分类。u s b 系统软件通过一个缺省的控制通道来管理设备。而客户 软件用通道束管理接口。通道束的一端为端点，一端为缓冲区。客户软件要求 通信数据在主机上的一个缓冲和u s b 设备上的一个端点之间进行。主机控制器 或u s b 设备( 取决于数据传送方向) 将数据打包后在u s b 上传输。由主机控制器 ( h c ) 协调何时使用总线访问在u s b 上传递数据。 2 3 2u s b 数据传输过程 u s b 总线属一种轮询方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每 一总线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每次传送 开始时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向、u s b 设各地址和终端 号的u s b 数据包，这个数据包通常称为标志包( t o k e np a c k e t ) 。u s b 设备从解码 后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备 就是从设备到主机。在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发 送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的u s b 数据传输，在 主机和设备的端口之间，可视为一个通道。存在两种类型的通道：流和消息。 流的数据不像消息的数据，它没有u s b 所定义的结构，而且通道与数据带宽、 传送服务类型、端口特性( 如方向和缓冲区大小) 有关。多数通道在u s b 设备 设置完成后即存在。u s b 中有一个特殊的通道缺省控制通道，它属于消息通 道，当设备一启动即存在，从而为设备的设置、查询状况和输入控制信息提供 一个入口。 2 33 传输类型 虽然u s b 设备的软硬件会自动处理所有传输的细节，但是如果想要设计i j s b 设备，我们仍然需要对接口的内部工作原理有相当程度的了解。每一次传输是 由事务( t r a n s a c t i o n ) 所组成，每一笔事务都是由信息包( p a c k e t ) 所组成， 每一个信息包则是包含传输的信息。为了满足不同外设和用户的要求，u s b 提 供了四种传输方式：控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r s ) 、批量传输( b u l k t r a n s f e r s ) 、中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r s ) 和同步传输( i s o c h r o n o u s t r a n s f e r s ) 。它们在数据格式、通信流方向、数据包容量限制、总线访问限制、 所要求的数据顺序等方面有着各自不同的特征。 控制传输主要用于命令、控制、状态操作( 如获取设备的设备描述符，设 置设备的u s b 地址等，可以通过控制传输来定义自己对设备的控制操作) ，由主 机软件发起的请求响应通信过程，具有突发性，非周期的特点，每个u s b 设备 都必须有控制传输的通道。 批量传输主要用于完成主机和设备之间的大批量数据传输，这种传输方式 可以利用任何可用的带宽进行传输，或可以延迟到有可利用的带宽时再进行传 送数据，由于批量传输在硬件级上对传输数据进行错误检测( 若发生错误，它 支持“重传”功能) ，因此它能保证数据传输的可靠性。批量传输支持两个方面 的数据传输( 即主机到设备和设备到主机) ，适用于打印机、调制解调器等不定 期传送大量数据的中速设备。具有非周期性和突发性强的特点。 中断传输用来完成设备到主机的少量数据传输，它只支持设备到主机方向 数据传输( 中断传输跟实现的“中断”概念没有任何联系) ，适用与人工输入设 备的使用。具有数据量小，非周期性，低频率，延时一定等特点。 同步传输主要用于主机和设备与时间有关的信息传输，比如，实时数据的 】3 w i n d o w s 2 0 0 0 下采用u s b 通讯的数控系统设计 传输( 如多媒体、音、视频数据) ，同步传输不对传输数据进行错误检测，它主 要保证数据的连续传输，适用于实时性要求比较高的数据，具有周期性、连续 性的特点。这种传输类型保留了数据中时间压缩的概念，但并不意味着这一类 数据传输都是实时的。 在实际开发过程中，可以根据具体需要采用其中的一种或几种方式来设计 我们的系统。 _ 一旦1 一严h 一= 二里； c 1 j e n s w 管理一个接口 譬 u s b $ ”t e m m 管理设备 事务 制一十肇： 口的逼迫l 庸 l l i l 常啪 i 蕞宦 主帆 控制 u s 日 钮格式 接口 接口 x 应用 接口的 盏古 与接。目i 无 岢共目iu 妇格式 每十堆 点的敲 瞎 u 蛆 鼍鼍i i 謇 填点的皋古 u s 丑拈 螬构的 数培 u s 触接口 = = 刊观 鲁l 一、：，- 一 i 鼍道：醉十水平当忙乇加连肇电气的 的均k协城 l 敏舯酏制 l 藿+ # 逛敲蕾的与u s b 相差静式 图2 3u s b 主机设备的通讯模型 23 4u s b 的数据单元 一 u s b 的通信结构一般是以同步域s y n c 开始的，接着是p i d 域，后面紧跟着 数据或控制信息，最后是c r c 校验。所有的数据通讯过程都可以归结为三种包 4 。n=川川川旧 南京航空航天大学硕士学位论文 的传输：令牌包、数据包和应答包，这些包都是由不同的域组成的，格式如表2 1 所示m 3 。 表2 1 各种包的格式 令牌包 p i da d d re n d p c r c 5 数据包p i dn a t ac r c l 6 s y n c 握手包p i d 帧开始( s o f )p i d帧标号c r c 5 2 3 ，5u s b 标准设备请求 u s b 标准设备请求是用来完成u s b 设备枚举的命令，u s b 设备必须对标准请 求做出响应，不管该设备是否已经被分派了一个默认的地址或该设各目前正在 配置。所有的标准设备请求都是使用默认管道来传输的。u s b 设备的请求由8 个字节组成，格式定义如表2 2 所示“。 表2 2u s b 设备请求格式 偏 大 移域值描述 e 小 目 请求特征： b m r e q u e s d 7 ：传输方向0 = 主机至设备l = 设备至主机 o1 位图d 6 5 ：种类o = 标准l = 类2 = 厂商3 = 保留 t t y p e d 4 0 ：接受者0 = 设备1 = 接口2 = 端点3 = 其他 4 3 1 = 保留 l b r e q u e s t 1数值 u s b 设备请求( 参见表2 - 3 ) 2w v a l u e2 值 字长域，根据不同的请求含义改变 索引或 4w i n d e x2 根据不同的请求含义改变典型用于传送索引或偏移 偏移 6 w l e n g t h 2 计数 如有数据传送阶段，此为数据字节数 u s b 标准设备请求有1 1 个命令，对应的代码和说明如表2 3 所列。 表2 3u s b 标准设备请求 m r e q u e s t t y p eb r e q u e s t w v a l u ew i n d e x w l e n g t h d a t a 0