（机械电子工程专业论文）基于usb总线的开放式数控雕刻机系统设计.pdf

摘要中国科学技术大学 手两要 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，当前生产的p c 机几乎都配备了u s b 接口。本文围绕基于u s b 总 线传输和控制的数控雕刻机系统的实现方案展开研究，所涉及系统具有良好的开 放性和移植性，是数控技术与计算机技术相互结合的产物。该数控系统在硬件上 采用“p c + u s b + 步进电机驱动板”的结构，无需外加存储器来存储加工代码， 各种插补运算完全在上层客户软件中完成；在软件上采取读入以文本形式提供的 n c 代码的方式进行加工，并提供n c 代码编辑、刀路图形化( 3 d ) 、对机床进行 监控、加工过程的仿真等功能。 本文首先总结了数控系统的发展历史、现状和趋势，分析了开放式数控技术 的特点和优势，着重讨论了基于p c 的开放式数控技术的体系结构。 本文深入分析了u s b 规范2 0 ，针对本雕刻机系统分析了系统所采用的u s b 传输类型和固件中具体的标准设备请求的程序流程。 在此基础上，本文研究了系统的硬件结构，采用模块化的设计模式，完成了 硬件连接电路的设计。制定了一套可行的、能在上下位机之间进行封装、解读和 传输3 路电机的控制信息的协议，并运用这套协议成功编写了主机客户软件中关 于封装和发送电机控制信息的接口函数，以及下位机单片机中关于接收和解读电 机控制信息并将其付诸实施的固件程序。 最后，本文论述了w d m 设备驱动程序模型以及开发u s b 设备驱动程序的方法。 按照面向对象的模块化的设计方式，完成了上位机软件中机床控制模块 ( m a c h i n e c o n t r 0 1 d 1 1 ) 的程序的编制，实现了机床插补功能。 关键字：u s b ，开放式数控系统，插补，步进电机驱动，固件，设备驱动程序 摘要 中国科学技术大学 a b s tr a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u si san e wp ci n t e r f a c et e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r sa n da l m o s t e v e r yp ci sm a n u f a c t u r e dw i t hau s bi n t e r f a c en o w t h i st h e s i sd i s c u s s e st h e r e a l i z a t i o no ft r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lo fa nn c c a r v i n gm a c h i n eb a s e do nu s b t h e s y s t e mo ft h en cc a r v i n gm a c h i n ew h i c hi sac o m b oo fn ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g yi so fg o o do p e n n e s sa n dt r a n s p l a n t a t i o n a “p c + u s b + s t e p p i n gm o t o r d r i v i n gb o a r d s t r u c t u r ei sc h o o s e df o rt h eh a r d w a r eo ft h en cs y s t e ma n dn os t o r a g e i sn e e d e dt os t o r et h em a c h i n i n gc o d e sa n da l li n t e r p o l a t i o no p e r a t i o n sa r ec o m p l e t e d i nt h eu p p e rc l i e n ts o f t w a r e ；i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，am o d eo f r e a d i n gn cc o d e si n t e x tf o r m a ti st a k e df o rm a c h i n i n ga n dt h e s ep e r f o r m a n c e sa r es u p p l i e ds u c ha sn c c o d ee d i t i n g ，3 dg r a p h i c a lc ld i s p l a y , m a c h i n et o o l m o n i t o r i n g ，m a c h i n i n g s i m u l a t i o n ，e t c a tf i r s t ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h eh i s t o r y , a c t u a l i t y , a n dd e v e l o p m e n tt r e n do fn c s y s t e ma n da n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fo p e na r c h i t e c t u r ec n c s y s t e m t h es y s t e ms t r u c t u r eo fo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mb a s e do np ci s e m p h a s i z e d u s bs p e c i f i c a t i o nr e v i s i o n2 0i s a n a l y z e dd e e p l yi nt h et h e s i s t h eu s b t r a n s m i s s i o nt y p e sa n dt h ef l o w so fs t a n d a r dd e v i c er e q u e s t si nt h ef i r m w a r ea r e a n a l y z e df o rt h ec a r v i n gm a c h i n es y s t e m a n d t h e n ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sa n a l y z e d t h eh a r d w a r el i n k i n g c i r c u i t sa r ed e s i g n e di nm o d u l em o d e ap r o t o c o lf o rt h r e e - a x i ss t e p p i n gm o t o r s c o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o ne n c a p s u l a t i o n ，t r a n s m i s s i o na n du n s c r a m b l i n gi se s t a b l i s h e d w i t ht h i sp r o t o c o l ，if i n i s ht h ei n t e r f a c ep r o g r a m m i n gi np cc l i e n ts o f t w a r ea n dt h e f i r m w a r ep r o g r a m m i n gi nt h em i c r o p r o c e s s o r a tl a s t ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ew d md e v i c ed r i v e rm o d e la n dt h em e t h o do f d e v e l o p m e n to fu s bd e v i c ed r i v e r if i n i s hp r o g r a m m i n go ft h em a c h i n et o o l s c o n t r o lm o d u l e u s i n go b j e c t o r i e n t e dm o d u l em e t h o da n dt h em a c h i n et o o l s i n t e r p o l a t i o nf u n c t i o ni sr e a l i z e d k e y w o r d s ：u s b ，o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ，i n t e r p o l a t i o n ，s t e p p i n gm o t o r d r i v i n g ，f i r m w a r e ，d e v i c ed r i v e r 绪论 中国科学技术大学 第一章绪论 随着现代微电子技术的飞速发展，微型计算机在机械制造领域得以广泛应 用。计算机技术的应用，把制造业带进了全新的发展时期。在现代制造系统中， 数控技术是关键技术，它集机械制造、计算机、现代控制、传感检测、信息处理、 网络通信、液压气动、光机电等高新技术于一体，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n 1 。 目前，数控技术正在发生根本性变革，由传统的专用、封闭模式向通用、开放模 式发展。现代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 数控技术的发展 1 1 1 数控技术的发展历程 从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台三坐标数控铣床，标志着 数控技术的诞生，至今已经历了五十多年历程。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，数控系统己经历了八 代，可分为四个发展阶段乜3 ： ( 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。 ( 2 ) 计算机数控系统的发展和完善阶段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控制的数控机床( c n c ) ，标志着数控系统进入了 计算机为主体的第四代。 1 9 7 4 年，出现了微处理器直接用于数控系统，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，促进了数控机床的普及应用 和数控技术的发展。 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。 绪论 中国科学技术大学 ( 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，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。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b 1 ： ( 1 ) 传统数控系统如f a n u c o 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。 ( 2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统这类系统通常由厂家选用通用 p c 的功能部件，将其集成到c n c 中，p c 与c n c 之间采用专用的总线进行快速数 据传输，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。 ( 3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统它由开放体系结运动控制卡 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 ，它本身就是一个数 控系统，可以单独使用。如美国d e l t at a u 公司用p m 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 ) 全软件型开放式数控系统这是一种最新的开放体系结构数控系统， 它的c n c 功能全部通过计算机软件实现，硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 i 0 之间的标准化通用接口。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 r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 可以看到，全软件型结构的主要功能部件均表现为应用软件的形式，是数控 系统实现形式上的一种技术变革，具有很强的价格优势和可扩展性，有广阔的前 途。笔者尝试开发的数控雕刻机正是基于这种结构形式。 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 绪论 中国科学技术大学 高，性价比也越来越高。目前数控系统技术的发展主要向以下几个方面进行h 1 ： ( 1 ) 数控技术向高速度高精度方向发展速度和精度是数控系统的2 个重 要技术指标，直接关系到加工效率和产品质量。 ( 2 ) 向多轴联动和功能复合方向发展一机多功能的数控系统，可以最大 限度的提高设备利用率，加工精度和效率。目前国外已经在研究6 轴以上联动的 数控机床：我国也已有多家企业能够生产5 轴联动的数控机床。 ( 3 ) 智能化引入自适应控制技术和模式识别技术，实现多种参数自动测 量，附加人机对话和自动编程功能，增设设备故障自诊断功能，等等。 ( 4 ) 提高可靠性目前国外数控系统的m t b f ( 平均故障间隔时间) 己在 3 0 0 0 0 h 以上，国内数控系统的m t b f 大都在1 0 0 0 0 h 以上。 ( 5 ) 小型化数控系统的小型化，将极大的缩小系统的占用空间，这样能 方便的将机电装置揉合为一体。 ( 6 ) 向网络化方向发展数控技术的网络化使得制造业可以将分散的具有 不同制造资源的企业动态连接起来，从而不受距离和时间的限制，完成产品的设 计和加工。 ( 7 ) 向开放式系统发展数控系统的开放化已成为数控系统的未来之路， 许多国家开始研究基于p c 的开放式数控系统，如美国的n g c ( n e x t g e n e r a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 计划、我国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ) 计划等。 ( 8 ) 重视标准化工作数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。国际上 正在研究和制定一种本质为面向对象的数控编程标准作为新的c n c 系统表转，即 s t e p - n c 标准嵋1 ( i s 0 14 6 4 9 ) ，以取代在数控机床中广泛使用的i s 0 6 9 8 3 标准。 s t e p - n c 标准的推出将使c a d c a m c n c 之间实现真正意义上的开放式数控系统得 以实现。 1 2 基于p c 的开放式数控系统 传统的数控系统中，组成c n c 系统的硬件模块和软件结构绝大多数是专用的、 互不兼容的系统，各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成了不同 厂家控制系统的相对独立、彼此封闭。当今先进制造业要求数控系统具有迅速、 高效、经济地面对客户的模块化特性和软硬件重构能力。传统的专用型数控系统 已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷 制造模式发展的需要。为了适应这种形势，开放式数控系统应运而生，采用开放 绪论 中国科学技术大学 式体系结构是数控系统的必然趋势。 1 2 1 开放式数控系统概念 参照i e e e 关于开放式系统的定义：一个开放式数控系统必须提供不同应用程 序协调地运行于系统平台之上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时提供 统一标准的应用程序用户界面。根据这一定义，开放式数控系统应具有以下基本 特征： 开放性； 可移植性； 扩展性； 相互替代性： 相互操作性； 1 2 2p c - n o 的优势 数控系统发展到9 0 年代后，基于个人计算机( p c ) 的数控系统锄( p c - n c ) 成 为c n c 发展的主要方向。利用p c 的高速数据处理能力，可以将原来硬件完成的n c 功能由软件来实现，借助于p c 技术在图形界面、网络通讯等方面的成熟发展，可 以使数控系统在短时间内达到较高的水平。p c - n c 主要特点有口1 ：成本低、具有 开放性、软件开发环境完备、软件资源丰富、良好的通讯功能。 1 2 3p c - n o 的系统功能 数控系统的功能包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功 能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。系统基本功能包括： 控制功能，指控制轴数和联动轴数、插补功能、定位控制、自动加( 减) 速控制 功能、进给功能；程序输入、输出和存储功能；编程功能；补偿功能；自动运行 功能；自诊断与监控功能。 1 2 4p c - n o 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似1 ： ( 1 ) 专用的实时操作系统专用的操作系统女g 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 i 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。 ( 2 ) d o s 系统国内基于d o s 的数控系统应用较为普及，如华中工型数控系统。 d o s 系统的单任务、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 4 绪论 中国科学技术大学 单，开发基于w i n d o w s 平台的c n c 系统己成为当今c n c 系统的主流。 1 2 5p c - n c 的系统结构阳1 开放式数控系统在软件和硬件的配置上应该是灵活的，它允许修改硬件的基 本配置和改变软件各个层面的控制，允许应用高级的监控技术。一个开放式体系 结构数控系统必须能够允许第三方来开发并集成新的软件和硬件，为新技术的产 生提供一个强大的发展基础。并且，一个开放式体系结构数控系统能够和其他系 统进行集成，具有开放式系统的特征：可扩展性、可移植性、互换性和互操作性。 开放式数控系统体系结构在硬件上以p c 机为基础，为用户提供硬件平台，摒 弃了原有的封闭体系结构，将数控相关的特殊硬件模块缩小到最小规模；在软件 上以w i n d o w s 等操作系统为基础为用户提供软件平台，使开放式c n c 系统体系结构 具有更大的柔性和通用性。使用通用p c 机的开放式c n c 系统，完全有能力在性能 上赶上或超过专用的系统，便于数控系统产业化。 图卜1 所示为基于p c 的开放式数控系统的系统结构。该数控平台可以分为三 个层次：硬件层、系统软件层及应用软件层。硬件层中的各种硬件构建通过标准 总线连接在一起，硬件与硬件之间的界面是标准总线，通过标准总线用户可以方 便地加入购买的第三方硬件或自己的硬件。p c 的通讯、联网、电子邮件、语音、 视频等多种功能均是采用附加扩展卡的形式来实现的。对于数控专用硬件，也可 以以附加卡的形式插入到总线扩展槽中。应用软件则是通过操作系统和相关设备 驱动程序实施对硬件资源的使用和控制。这种开放架构的系统平台允许数控系统 完成诸如开放式数据库连接、目标的连接和嵌入、动态数据交换和动态连接等功 能。 数控应用软件其它应蹦软件 哆 嚣 ， e 内核操作系统a p i 操作系统 设备驱动程序 p e 参“展硬中| ： ll p c 基巯b 嫒中l 二数控专用硬件 图卜1p c n c 的系统结构 绪论中国科学技术大学 1 2 6p c - n o 的开放层次 一个p c n c 系统在结构上主要有两个层面：人机控制层( m a n - m a c h i n e c o n t r o l ，m l v l c ) 和控制内核层，其中控制内核层是c n c 系统完成实时加工过程调 度和控制的核心部分，一般和数控系统的实时性相联系。针对这两个不同的层面 的开放程度，p c n c 系统有3 种开放层次硷3 ： 1 ) 开放人机控制接口，如前面1 1 2 节所介绍的“n c 嵌入p c ”结构便具有 这种特点，这种方式为用户提供灵活制定适用于各自特殊要求的操作界面和操作 步骤的途径。 2 ) 开放系统核心接口，这种方式除了提供上面的开放性能外，还允许用户 添加自己特殊的模块到控制核心模块中。 3 ) 开放体系结构，这是一种更加彻底的开放方案，它试图提供从软件到硬 件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放，在1 1 2 节中介绍的“全软 件型 结构中，通过对n c 软件的适当组织、规划和开发，可以实现这种层次上 的开放。 1 2 7p c - n c 的模块化设计 研究开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之 间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。通俗 地讲，开放的目的就是使n c 控制器与当今的p c 机类似，系统构筑于一个开放的平 台之上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展 系统的功能，迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源 于不同的部件供应商并相互兼容。 基于p c 的开发式数控系统的硬件系统应该建立在一种通用的、标准的硬件 基础之上；而软件系统则应建立在分层次、模块化的软件基础之上。进行模块化 设计，关键要使设计出来的模块具有接口功能，接口相同或者兼容的模块才能被 更换使用。接口的设计应该满足向下兼容性，即新的模块的接口应该能包含旧的 模块。p c - n c 系统中的接口在硬件上表现为控制的输入和输出信号线，在软件上 则表现为函数、方法等的输入和输出参数。设计出具有通用接口功能的模块，对 于提高p c n c 系统的扩展性和可移植性有着很重要的意义。因此在模块化的设计 过程中，必须认真调查和对比当今各种同类开放式数控系统的体系结构，搞清楚 各种模块的接口功能，以设计出具有良好的通用性的模块。 绪论 中国科学技术大学 1 2 8p c n c 的软硬件连接 p c n c 的连接问题是指如何实现p c _ ；f h n c 之间的相互通讯、相互沟通。这包括 在硬件上的物理连接和在软件上的逻辑连接。硬件上的连接是可见的实物连接， 主要解决电路信号的正确传输；软件上的连接是不可见的，它是处在两个不同的 软件环境下的模块之间的协议，主要是指p c 机客户软件和底层固件之间的协议。 在p c n c 硬件连接上，目前主要有串口、并口、i s a p c i 总线n 引、u s b 总线等 几种形式，每一种连接都遵守相应的p c 总线协议。这几种连接形式中，要么传输 速度低、实时性差，要么硬件接口的开发难度大、成本高，u s b 作为一种新的串 行总线标准，连接简单，传输速度高，成本较低，系统可靠性高，能较好地满足 了现代数控系统的要求。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 总线通讯的p c n c 的体系结构。 在p c n c 软件连接上，目前并没有一种标准协议，这是因为处在上层的p c 软 件无法规定统一的方法来实现其功能，所选择的方法不同，其数据输出必有所不 同，处在下层的固件也因为后续电路所需要的输入形式不同，其功能也不尽相同， 在这样一个多样的系统中，根本无法形成上下统一的数据格式。但是正是这种各 个模块多变的特性，导致了开放式数控系统的灵活性。无论上下多么灵活多变， 它们都是建立在二进制o ，l 逻辑的数据基础上的，这点使我们看到，必定可以 对实际的p c n c 数控系统自建立一套封装数据的协议，以达成上下沟通的目的， 在软件上起到连接的效果，使得底层固件能够解读出上层p c 软件的输出数据，并 将其转换为适合底层的数据，如图1 - 2 所示。 p c 软件同件 自 p cp c自 _ h n 定 斗 总 总 定 义 线 线 义 底层 数据卜 - _ 一 一 卜数据 协 协协 协 议 议议 议 图1 2p c n c 的连接 1 2 9p 0 - n 6 的实时性问题 数控系统是一个控制精度非常高的系统，其位置控制周期往往在毫秒甚至微 妙量级。但是在w i n d o w s 操作环境下，p c 硬件的实时性很差，无法适应数控系统 的插补精度要求。为了解决这种p c 机的高运算速度与弱实时性之间的矛盾，必须 绪论中国科学技术大学 利用下位机的强实时性来弥补p c 机在实时性方面的缺陷。人们尝试了不同的办 法，有的采用软件粗插补和硬件精插补的二级插补策略n 1 ，有的采用在上位机中 执行循环程序来实现更高精度的延时1 ，有的利用接口本身来传输n c 代码到下位 机。笔者认为这些办法要么没有充分地利用n p c 的强大运算能力，要么所能实现 延时的精度不够高并且易受多线程环境的影响。但是硬件实现运算在速度上有着 软件所不可匹敌的优势，所以不能贸然的否定这些解决办法，应该根据具体的数 控系统来衡量。 在解决实时性问题上，根据所设计的系统的硬件特性，为了充分发挥p c 的运 算能力，在遵循全软件型设计模式下，笔者遵循以下两条规则：尽量将所有的插 补、刀具补偿等运算放在上层软件完成；尽量使底层固件完成的任务和实现的功 能最简单。这两条规则将使系统在硬件设计上变得更加简单，软件功能上更加灵 活完善。 在笔者所参与设计的数控雕刻机系统中，上层软件完成所有的插补运算( 包 括粗插补和精插补) ，输出脉冲、方向和使能序列信息，底层固件仅仅完成简单 的脉冲信号和方向、使能电平输出功能，这样的设计使得可以用软件来完成最终 的插补运算，形成基于p c 的全软件型开放式数控系统。 1 3u s b 技术背景 在早期的计算机系统上，常用串口或者并口连接外围设备。每个接口都需要 占用计算机的系统资源( 如中断，i o 地址，d m a 通道等) 。无论是串口还是并口 都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需 要添加一个i s a e i s a 或p c i 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设 备。 u s b 是p c 体系中的一套全新的工业标准，是以i n t e l 为首的七家公司 ( i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 、i b m 、d e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 以及日本n e c ) n 2 1 于1 9 9 4 年儿月推出的，目前较多设备支持的是u s b i 1 版本( 主要用在中速和 低速的外设) 。u s b 很好地解决了计算机外设种类的日益增加与有限的主板插槽 和端口之间的矛盾，并且支持单个主机与多个外设同时进行数据交换。相比与传 统接口，u s b 具有如下优点： 使用简单所有u s b 系统的接口一致，连线简单，对设备进行自动检测和 配置，支持热插拔设备，系统不需要重新启动。 应用范围广u s b 系统数据包附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同 绪论中国科学技术大学 步传输和异步传输两种传输方式。一个u s b 系统最多可支持1 2 7 个物理设备。 较强的纠错能力u s b 系统可实时地管理设备插拔，在u s b 协议中包含了 传输错误管理、错误恢复等功能，同时能根据不同的传输类型来处理传输错误。 总线供电u s b 总线可为连接在其上的设备提供5 v 1 0 0 m a 的供电，最大可 提供5 0 0 m a 电流。u s b 设备也可采用自供电方式。 低成本u s b 接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。u s b 系统接口 电缆也比较简单，成本比串口并口低。 从1 9 9 6 年2 月u s b 规范版本1 o 发布以来，短短几年间，u s b 不光成为了 微机主板上的标准端口，而且还成为了所有微机外设( 包括键盘、鼠标、显示器、 打印机、数码相机、扫描仪、软驱、光驱、硬盘和网卡等等) 与主机相连的标准 协议之一。u s b 技术和产品正在迅猛发展中。因此，研究u s b 总线的体系架构和 开发技术很有必要。 1 4 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 s2 0 0 0 x p 操作系统平台，采用 p c n c 的全软件型系统结构，通过u s b 接口实现上下位机通讯，开发出能用于较 高加工速度的数控雕刻系统。这种基于w i n d o w s2 0 0 0 x p 的数控系统开发简单， 易于实现和维护，具有一定的开放性，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 + 步进电机驱动板 的数控系 统体系结构，分析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 通讯接口开发和步进电机驱动板 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、解释，插补运算， 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。 9 u s b 技术原理中国科学技术大学 第二章u s b 技术原理 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 ) 技术的出现，很好地解决了计 算机与外围设备的连接问题，其应用已深入到与p c 技术相关的各个领域。要开 发一个u s b 设备，就必须首先研究u s b 规范的内容，本章根据u s b 2 0 规范n 3 1 ， 就与u s b 设备开发相关的部分作一个简单的介绍。 2 1u 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。由主机预订的标准协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和主机在 运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 2 1 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 b 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 几个方面：总线的拓扑结构；内部层次关系；数据流模式；u s b 的调度。 2 1 1 iu s b 拓扑结构 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，从如图2 - i 中可看出u s b 的拓扑结 构。 3 t i e r 4 图2 - i 总线的拓扑结构 2 1 1 2u 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， u s b 技术原理 中国科学技术大学 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。 2 1 1 3u s b 的设备 u s b 的设备分为：网络集线器( h u b ) ；功能部件，即设备，或称为外设。 u s b 设备提供的u s b 标准接口的主要依据： 对u s b 协议的运用； 对标准u s b 操作的反馈，如设置和复位； 标准性能的描述性信息； 2 1 2 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 中的两根线是用于发送 信号。 v b u s d + d g n d v b u s d 十 d g n d 图2 - 2u s b 的电缆 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 ； 低速信号传送模式定为1 5 m b p s ； 电缆中包括v b u s 、g n d 两条线，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，最长可为五米。 2 1 3 机械特性 所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器是不可简单的互 换，这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接，电缆中有四根导线：一对 互相缠绕的标准规格线，一对符合标准的电源线，连接器有四个方向，具有屏蔽 层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 2 1 4 电源 主要包括两方面： 电源分配：即u s b 的设备如何通过u s b 分配得到由主计算机提供的能源； 电源管理：即通过电源管理系统，u s b 的系统软件和设备如何与主机协调 工作。 i j s b 技术原理中国科学技术大学 2 1 5 总线协议 u s b 总线属于一种轮讯方式的总线，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 设备地址和 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，有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 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 机和设备的端点之间，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，端点特性( 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一缺省控制通道，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 1 6 健壮：性 u s b 健壮性的特征在于： 使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( c r c ) ； 对装卸的检测和系统级资源的设置； 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； 数据和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影响独立开，消除了负 作用。 2 1 7 系统设置 u s b 设备可以随时的安装和折卸，因此，系统软件在物理的总线布局上必须 支持这种动态变化。 2 1 7 1u s b 设备的安装 所有的u s b 设备都是通过端点接在u s b 上，在u s b 设备安装后，主机通过设 备控制通道激活该端点并以预设的地址值给u s b 设备。 主机对每个设备指定唯一的u s b 地址。并检测这种新装的u s b 设备是集线器 还是功能部件。主机为u s b 设备建立了摔制通道，使用指定的u s b 的地址和零号 u s b 技术原理中国科学技术大学 端点。 2 1 7 2u s b 设备的拆却 当u s b 设备从集线器的端口拆除后，集线器关闭该端口，并且向主机报告该 设备已不存在。u s b 的系统软件将准确进行处理，如果去除的u s b 设备是集线器， u s b 的系统软件将对集线器反连在其上的所有设备进行处理。 2 1 8 数据流种类 数据和控制信号在主机和u s b 设备间的交换存在两种通道：单向和双向。u s b 的数据传送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端点之间。这种主机软件和u s b 设备的端点间的联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。 一个指定的u s b 设备可有许多通道。 u s b 的结构包含四种基本的数据传输类型：控制数据传送；批量数据传送； 中断数据的传送；同步数据的传送。 对于任何特定设备进行设置时，一种通道只能支持上述一种方式的数据传 输。 当一个通道建立后，u s b 就分配给它一定的带宽，u s b 设备需要提供一些数据 缓冲区。若u s b 提供了更多带宽，则需更多的缓冲区。 u s b 的带宽容量可以容纳多种不同的数据流，因此保证o s b 上可以连接大量 设备，如可以容纳从1 b + d 直到t 1 速率范围的电信设备。同时u s b 支持在同一时 刻不同设备具有不同比特率，并具有一个动态变动的范围。 2 1 9u $ b 设备 u s b 设备分为诸如集线器、分配器或文本设备等种类。集线器类指的是一种 提供u s b 连接点的设备，u s b 设备需要提供自检和属性设置的信息，i j s b 设备必 须在任何时刻执行与所定义的u s b 设备的状态相一致的动态。 2 1 9 1 设备特性 当设备被连接、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 设备必须在零号端点上有一指定的通道，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的描述u s b 设备，此类信息主要有 以下几类：标准信息；类别信息：u s b 厂商信息。 i j s b 技术原理 中国科学技术大学 2 1 9 2 设备描述 主要分为两种设备类：集线器和功能部件。只有集线器可以提供更多的u s b 的连接点，功能部件为主机提供了具体的功能。 集线器( h u b ) 在即插即用的u s b 的结构体系中，集线器是一种重要设备。从 用户的观点出发，集线器极大简化了u s b 的互连复杂性，而且以很低的价格和高 易用性提供了设备的健壮性。 功能部件：功能部件通常为外设，是一种通过总线进行发送接收数据和控制 信息的u s b 设备，通过一根电缆连接在集线器的某个端口上，功能设备一般是一 种相互无关的外设。 2 2u s b 通讯协议简介 2 2 1 u s b 数据流模型 u s b 主从系统结构的层次关系如图2 - 3 所示， 主机端设备端 上上 客户软件 应用 应用层 jj 1、 u s b 设备压 u s b 系统软件 ku s b 逻辑设备 4 1 jj u s b 主机控制器u s b 总线接口 u s b 接口后 _ _ 实际通信流 逻辑通信流 图2 - 3u s b 系统层次结构 一台主机与一个u s b 设备间的连接是由许多层上的连接组成。u s b 总线接口 层提供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据包连接。u s b 设备层对 u s b 系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层来完成对设备的一般的 u s b 操作。应用层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。 u s b 设备层和应用层的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由 u s b 总线接口层来完成。 u s b 技术原理中国科学技术大学 2 2 2u s b 数据单元 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 同的交互，u s b 设备对数据流有不同的要求。u s b 为此提供了更好的总线整体使 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。每种通信流都采取 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。 2 2 2 1 设备端点( d e v i c ee n d p o i n t s ) 端点是u s b 设备在与主机通信时的一个结束点，它在u s b 设备上可视作可唯 一识别的。一系列相互独立的端点在一起构成了u s b 逻辑设备。每个逻辑设备有 一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的，而设备中的每 个端点在设备内部有唯一的端点号。这个端点号是在设备设计时被给定的。设备