基于USB總線的機(jī)器人上下位機(jī)通信

摘要：介紹一種基于USB總線的數(shù)字機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)以及其上位機(jī)與下位機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。 關(guān)鍵詞：USB 教學(xué)機(jī)器人 通信 EDUROBOT-680-II型教學(xué)機(jī)器人是上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所采用世界銀行貸款研制的一種五自由度多關(guān)節(jié)的機(jī)器人。它具備工業(yè)機(jī)器的基本功能、良好的開(kāi)放性以及舒適的使用界面，主要大專(zhuān)院校和科研機(jī)構(gòu)提供教學(xué)和科研工具。學(xué)生可以通過(guò)親手操作了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人，它具備工業(yè)機(jī)器人的基本功能、良好的開(kāi)放性以及舒適的使用界面，主要為大專(zhuān)院校和科研機(jī)構(gòu)提供教學(xué)和科研工具。學(xué)生可以通過(guò)親手操作了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人，科研人員還可對(duì)它進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 教學(xué)機(jī)器人的上位機(jī)(主控計(jì)算機(jī))和下位機(jī)(運(yùn)動(dòng)控制器)原先采用并行口(LPT1)的SPP方式進(jìn)行通信。利用LPT1的狀態(tài)寄存器(Status Port)具有的讀能力和每次傳送半字節(jié)(Nibble)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送功能。每次傳送的時(shí)序(次序)由軟件建立，在控制字的協(xié)調(diào)下按照教學(xué)機(jī)器人的通信協(xié)議接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 目前USB越來(lái)越普及，正逐漸取代串口和并口在計(jì)算機(jī)接口中的地位。為了研究USB在實(shí)時(shí)通信時(shí)的性能，筆者已將教學(xué)機(jī)器人上下位機(jī)通信改用USB端口實(shí)現(xiàn)。 圖1 PL-2301結(jié)構(gòu)框圖 1 USB特點(diǎn)及其應(yīng)用 通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是1994年底由Compaq、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的一種計(jì)算機(jī)接噪覆亡，目前已發(fā)展到USB2.0。由于USB具有以下幾方面的特點(diǎn)，所以迅速普及，逐漸確定了在計(jì)算機(jī)接口中的主導(dǎo)地位。 (1)易用性。USB支持熱插拔和即插即用。 (2)可擴(kuò)展性。用戶可以通過(guò)連接USB集線器到一個(gè)已有的端口來(lái)增加USB端口數(shù)量，集線器上還可以連更多的集線器。理論上可以連接127個(gè)外設(shè)到 USB總線上。 (3)快速性。USB1.1版規(guī)定了兩種傳輸速率：低速傳輸和全速傳輸。低速傳輸?shù)乃俾适?.5Mbps，全速是12Mbps。這不但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的串口傳輸速率，也比并口傳輸快了好多倍。最近推出的USB2.0允許的最高傳輸速率高達(dá)480Mbps。 (4)可靠性。USB的可靠性來(lái)自硬件設(shè)計(jì)和USB數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩方面的保證。USB驅(qū)動(dòng)器、接收器和電纜的硬件規(guī)范消除了大多數(shù)可能引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的噪聲;USB協(xié)議使用了差錯(cuò)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，可以最大程度保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

(5)內(nèi)置電源。USB總線內(nèi)置電源線，可以給外設(shè)提供5V和最多500mA的電源供應(yīng)，滿足大部分低功耗外設(shè)的電源要求。 由于USB具有這些突出的優(yōu)點(diǎn)，不但一些傳統(tǒng)外設(shè)開(kāi)始提供USB接口，而且大量新型外設(shè)也把USB接口作為首先甚至唯一的接口，如MP3播放器、移動(dòng)硬盤(pán)等。由于USB的高可靠性和足夠快的通信速率，USB開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)級(jí)的實(shí)時(shí)通信和控制，例如機(jī)器人系統(tǒng)中示教盒與控制器的通信。本文論述的用USB端口實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上位機(jī)與下位機(jī)的通信也屬于這些方面的應(yīng)用。 2 用USB實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)雙機(jī)通信 由于USB模型是一種Host-Slave(主機(jī)-外設(shè))主從式結(jié)構(gòu)，沒(méi)有辦法使兩臺(tái)主機(jī)不通過(guò)外設(shè)而直接通過(guò)USB總線通信。然而可通過(guò)增加外設(shè)控制器的方法使兩臺(tái)主機(jī)利用它們的USB端口通信。每個(gè)外設(shè)控制器連接到不同的主要，并利用共享的緩沖器交換數(shù)據(jù)。Cypress公司的EZ-Link和 Prolific公司的PL-2301把兩個(gè)外設(shè)控制器和共享緩沖區(qū)集成到一塊芯片上，作為兩臺(tái)主機(jī)通過(guò)USB總線通俗訴橋梁。其它公司也提供類(lèi)似的控制芯片。在教學(xué)機(jī)器人中，采用PL-2301。 PL-2301是臺(tái)灣Prolific公司生產(chǎn)的一種全速USB控制芯片。PL-2301的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 PL-2301包括兩套獨(dú)立的USB控制單元。在握手信號(hào)的協(xié)調(diào)下，它們通過(guò)兩個(gè)FIFO緩沖器無(wú)阻塞地交換數(shù)據(jù)。PL-2301包含四個(gè)終端：缺省的控制終端(地址00H)、中斷終端(地址81H)、塊輸出終端(地址02H)、塊輸入終端(地址83H)?？刂苽鬏斢糜谠谥鳈C(jī)列舉階段完成對(duì)PL-2301 的配置及在兩臺(tái)主機(jī)通信時(shí)控制PL-2301的握手信號(hào);中斷傳輸用于PL-2301定期(每毫秒一次)向主機(jī)報(bào)告握手信號(hào)的狀態(tài);塊傳輸用于兩臺(tái)主機(jī)之間實(shí)時(shí)地交換數(shù)據(jù)。塊傳輸支持錯(cuò)誤檢測(cè)，這對(duì)實(shí)時(shí)通信和控制很重要?？刂苽鬏敱淮_保擁有10%的USB總線帶寬，中斷傳輸和等時(shí)傳輸最多可以使用90%的帶寬，塊傳輸使用剩余的最大可用帶寬(最多95%)。當(dāng)總線不太忙時(shí)，由于塊傳輸只有一個(gè)很小的協(xié)議頭(13字節(jié))，它是所有傳輸類(lèi)型中最快的。為了確何教學(xué)機(jī)器人上下位機(jī)以最快的速度通信，滿足實(shí)時(shí)性要求，最好不要在USB總線上掛接過(guò)多的USB外設(shè)。 PL-2301除了能對(duì)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求做出反應(yīng)外，還能對(duì)幾種廠商自定義的請(qǐng)求做出反應(yīng)。自定義請(qǐng)求ClearQuickLinkFeature和 SetQuickLinkFeature用于控制兩臺(tái)主機(jī)通信時(shí)PL-2301的握手信號(hào)。這些握手信號(hào)是： (1)TX_RDY指示本地USB端口是否準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)的指示信號(hào)。 (2)S_EN掛起使能信號(hào)。置位后，PL-2301支持標(biāo)準(zhǔn)的USB掛起特性。 (3)RESET_O塊輸出管道的復(fù)位信號(hào)，用于出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)復(fù)位塊輸出通道。 (4)RESET_IN塊輸入管道的復(fù)位信號(hào)，用于出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)復(fù)位塊輸入管道。 (5)TX_REQ塊傳輸?shù)恼?qǐng)求信號(hào)。 (6)TX_C塊傳輸完成的指示信號(hào)。 (7)PEER_E告訴對(duì)方本地端口是否連接好的指示信號(hào)。 在這幾個(gè)握手信號(hào)的協(xié)調(diào)下，上位機(jī)和下位機(jī)可以雙向通信。圖2是主機(jī)PC A向PC B傳輸數(shù)據(jù)的流程圖。這些底層的細(xì)節(jié)問(wèn)題并不需要控制，由PL-2301的驅(qū)動(dòng)程序完成。 圖3 教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 3 軟件結(jié)構(gòu) 3.1 教學(xué)機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu) EDUROBOT-680-II型教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制軟件包括下位機(jī)的底層控制軟件和上位機(jī)的上層控制軟件，它們通過(guò)USB端口通信。其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 上層控制軟件運(yùn)行在Windows98平臺(tái)上，它為用戶提供與機(jī)器人交互的人機(jī)接口界面，完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)處理和插補(bǔ)計(jì)算。它由人機(jī)界面、運(yùn)算插補(bǔ)、主控、通信四大模塊構(gòu)成。通信模塊能夠?qū)崟r(shí)地發(fā)送控制命令給下位機(jī)并從下位機(jī)獲得反饋信息，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。 為了提供對(duì)USB的支持(為了使底層控制系統(tǒng)有更好的實(shí)時(shí)性和更緊湊，下一步準(zhǔn)備將底層控制系統(tǒng)改用支持USB的Windows CE、VxWorks或嵌入式Linux)，底層控制系統(tǒng)目前采用Windows98平臺(tái)。底層控制軟件接口收上層控制軟件的控制命令，同時(shí)解釋并執(zhí)行控制命令。這通過(guò)多線程實(shí)現(xiàn)。任務(wù)調(diào)度和管理模塊是底層控制軟件的主線程，它負(fù)責(zé)從指令隊(duì)列中取出指令并解釋執(zhí)行。主線程執(zhí)行過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輔助線程——通信線程。通信線程調(diào)用通信模塊的輸出函數(shù)，負(fù)責(zé)監(jiān)視USB端口。如果上位機(jī)傳來(lái)控制命令，則遵循教學(xué)機(jī)器人通信協(xié)議接收并存入指令隊(duì)列中。 3.2 通信模塊的實(shí)現(xiàn) 上位機(jī)和下位機(jī)控制軟件共用相同的PL-2301客戶驅(qū)動(dòng)程序、傳輸模塊(由Prolific公司提供)和通信模塊。 PL-2301客戶驅(qū)動(dòng)程序是典型的WDM驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了底層的硬件細(xì)節(jié)和USB協(xié)議，使上層軟件僅通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)就可以訪問(wèn)PL- 2301。主要的幾個(gè)驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)是CreateFile()、WriteFile()、ReadFile()、 DeviceIOControl()。 傳輸模塊(Transfer.dll)是驅(qū)動(dòng)程序的上層模塊，它通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)主機(jī)通過(guò)PL-2301通信的基本通信能力。 Transfer.dll會(huì)產(chǎn)生一列三個(gè)線程： (1)發(fā)送線程。這個(gè)線程對(duì)發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)并按先后順序處理請(qǐng)求。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則努力恢復(fù)。

(2)接收線程。這個(gè)線程等待來(lái)自狀態(tài)線程的消息，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)方主機(jī)將要傳輸數(shù)據(jù)，就按照傳輸協(xié)議接收數(shù)據(jù)。接收線程把接收到的數(shù)據(jù)放在接收FIFO緩沖器中，等待上層軟件(Comm.dll)取走。如果有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，也會(huì)努力恢復(fù)。 (3)狀態(tài)線程。這個(gè)線程監(jiān)視PL-2301的狀態(tài)信號(hào)。如果發(fā)現(xiàn)有任何狀態(tài)改變，它將給相關(guān)線程發(fā)消息或調(diào)用回調(diào)函數(shù)通知上層軟件。 Transfer.dll提供幾個(gè)供上層軟件(Comm.dll)調(diào)用的輸出函數(shù)： %26;#183;USB_InitService()調(diào)用Transfer.dll里的其他輸出函數(shù)之間必須先調(diào)用這個(gè)函數(shù)。 %26;#183;USB_OpenConnect()調(diào)用此函數(shù)獲得PL-2301的句柄。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)要用到這個(gè)句柄。 %26;#183;USB_WriteConnect()調(diào)用此函數(shù)向?qū)Ψ街鳈C(jī)發(fā)送指定的數(shù)據(jù)。 %26;#183;USB_ReadConnect()調(diào)用此函數(shù)從接收FIFO緩沖器中讀取數(shù)據(jù)。 通信模塊(Comm.dll)通過(guò)調(diào)用Transfer.dll提供的輸出函數(shù)完成教學(xué)機(jī)器人控制命令的發(fā)送和接收。為了協(xié)調(diào)命令的發(fā)送和接收，定義了套控制字，作為上位機(jī)與下位機(jī)通信時(shí)的握手信號(hào)(與PL-2301的握手信號(hào)沒(méi)有聯(lián)系)。上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)(控制命令或控制字)時(shí)，直接調(diào)用USB- WriteConnect()即可。下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)采取輪詢方式，循環(huán)調(diào)用USB-Read Connect()掃描USB端口，如果有數(shù)據(jù)則接收下來(lái)。如果接收到的是指令，則放入指令隊(duì)列中，等待任務(wù)管理和調(diào)度線程取走。圖4是上位機(jī)發(fā)送一條命令的示意圖。有些命令需要下位機(jī)發(fā)送返回值給上位機(jī)，如讀機(jī)器人狀態(tài)命令status需要下位機(jī)發(fā)送返回值給上位機(jī)，如讀機(jī)器人狀態(tài)命令status需要下位機(jī)把機(jī)器人狀態(tài)返回給上位機(jī)。下位機(jī)發(fā)送返回值的過(guò)程與上位機(jī)發(fā)送命令的過(guò)程相似。 USB作為一種新興的計(jì)算機(jī)外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)特點(diǎn)使不但能作為計(jì)算機(jī)與一般外設(shè)的接口，也可用于實(shí)時(shí)通信和控制。本文介紹的用USB實(shí)現(xiàn)教學(xué)機(jī)器為上下位機(jī)的通信，為機(jī)器人上下位機(jī)的通信提供了一種新穎、方便和可靠的解決方案。隨著USB2.0的推出，其高達(dá)480Mbps的傳輸速率可滿足高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)設(shè)備控制、動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)龋瑸閁SB在更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。