基于USB的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)及采集卡的設(shè)計(jì)

1 引言

基于PC機(jī)各種總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，總線形式多種多樣，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術(shù)。通常使用的是基于ISA總線、PCI總線。由于計(jì)算機(jī)主板的更新?lián)Q代，ISA插槽使用的越來越少了PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡成了目前的主流。但是PCI總線存在一些缺陷：易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的影響，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量的地址、中斷資源的限制而不可能掛接很多設(shè)備等。USB總線具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，其中USB2.0標(biāo)準(zhǔn)有著高達(dá)480MB/s的傳輸速率，已經(jīng)逐漸成為計(jì)算機(jī)接口的主流。而且，通用串行總線USB為多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集提供了很大的便利，利用USB可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方式更有效、更經(jīng)濟(jì)、點(diǎn)數(shù)更多的數(shù)據(jù)采集。USB數(shù)據(jù)總線已經(jīng)在各種計(jì)算機(jī)上得到普及，成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于USB總線的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)及采集卡系統(tǒng)按照功能的劃分，主要包括3個(gè)方面：USB接口設(shè)計(jì)，通過USB接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的通訊；電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片UC3717A；數(shù)據(jù)采集問題，數(shù)據(jù)采集的目的是為了監(jiān)控外界情況，步進(jìn)電機(jī)的工作環(huán)境例如溫度，以及捕獲運(yùn)動(dòng)軌跡等，它是通過傳感部件利用傳感器監(jiān)控外界，將采集的信息作模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳遞到單片機(jī)，由單片機(jī)送到微機(jī)，作分析、顯示。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作過程就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集和控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的過程，其中的每一步都需要不同組的支持。首先，溫度和壓力參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；接著單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理之后，就可以送往LED顯示或者發(fā)送給USB接口芯片；然后USB接口芯片在主機(jī)需要的時(shí)候，把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)USB總發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行處理和顯示；最后將處理的結(jié)果經(jīng)USB總線和單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。

3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分：USB通信電路部分、數(shù)據(jù)采集電路部分、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。模塊的功能都是在以ATmega16為核心的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。

3.1 USB通信電路的設(shè)計(jì)

USB通信電路的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備端和主機(jī)端之間的通信，這一功能主要是由核心微控制器ATmega16和USB控制器件PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)的。其中，PDIUSBD12是符合USB1.1協(xié)議的芯片，在USB通信電路中起著聯(lián)系設(shè)備和主機(jī)的橋梁的作用。微控制器ATmegal6和USB控制器PDIUSBD12之間通過8位并行總線進(jìn)行通信，8位并行總線在ATmegal6端需要連接8個(gè)I/O口。PDIUSBD12片內(nèi)集成了時(shí)鐘乘法PLL，晶振電路使用6MHZ的晶振和兩個(gè)2pF到68pF的電容。PDIUSBD12的信號(hào)輸出端D+/D-上要各串接一個(gè)18歐的匹配電阻。通信電路如圖2所示。

圖2  USB通信電路

3.2 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路的功能就是將現(xiàn)場的溫度、壓力以及應(yīng)力等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的模擬信號(hào)，再把模擬信號(hào)傳送給A/D轉(zhuǎn)換電路。此模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊兩部分。

溫度數(shù)據(jù)采集使用了DS18B20，它是美國Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器，世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。測量溫度范圍為-55°C～+125°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。將采集的溫度送至ATmegal6內(nèi)部的采樣保持電路，然后進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量溫度了。

在本系統(tǒng)中，測量壓力采用的器件是廣州森納士儀器有限公司生產(chǎn)的壓力變送器，其量程是0.0lMPa，輸出信號(hào)是4~20mA的電流。當(dāng)壓力改變時(shí)，輸出電流也隨之發(fā)生變化，所

以在信號(hào)輸出端接一個(gè)精密電阻，然后對(duì)電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量壓力了。

3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。[!--empirenews.page--]

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由驅(qū)動(dòng)芯片組成，本系統(tǒng)使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為UC3717A。UC3717A芯片使用非常簡單，它通過3個(gè)輸入管腳(Phase、I1和I0)分別圖單片機(jī)引腳連接來接收輸入的參數(shù)，在2個(gè)輸出管腳（Aout和Bout）上與電機(jī)連接輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。由于UC3717A包含一個(gè)H橋，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有兩片UC3717A對(duì)應(yīng)部分相連構(gòu)成完整的驅(qū)動(dòng)電路。如3微部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖3 部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.4 LED顯示電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，該系統(tǒng)的顯示是使用的靜態(tài)顯示，應(yīng)用74LS164的串入并出的特點(diǎn)，將顯示編碼通過單片機(jī)的串口發(fā)送到74LS164上鎖存而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的靜態(tài)顯示。在74LS164和數(shù)碼管之間串接1K的電阻限制電流，起到保護(hù)作用。

圖4  顯示部分電路設(shè)計(jì)

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，而且程序結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，為了提高開發(fā)率，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低開發(fā)和維護(hù)成本，就需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)發(fā)和運(yùn)行的平臺(tái)。μC/OS-Ⅱ作為一個(gè)源碼公開的免費(fèi)型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其穩(wěn)定性好、可靠性高，而且μC/OS-Ⅱ還具有移植性好、可固化、可裁剪等特點(diǎn)，非常適合作為USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件由三個(gè)部分組成：USB設(shè)備固件程序、主機(jī)PC上的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和主機(jī)上的客戶應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件的組成及各部分之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5  系統(tǒng)軟件的組成

設(shè)備固件程序按功能可以劃分為USB通信程序、單片機(jī)上的A/D轉(zhuǎn)換程序和LED顯示程序，以及單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制程序，其中USB通信程序是整個(gè)固件程序的主要部分，其功能是實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備枚舉和數(shù)據(jù)傳輸。USB設(shè)備枚舉是USB設(shè)備插上之后，主機(jī)與設(shè)備交換信息并自動(dòng)配置的過程，枚舉成功后，USB接口與主機(jī)就可以進(jìn)行通信了。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接設(shè)備和主機(jī)應(yīng)用程序的紐帶，它向上提供應(yīng)用程序的訪問接口(API)，向下則實(shí)現(xiàn)對(duì)具體設(shè)備的訪問和管理功能。驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備硬件和上層用戶程序密切相關(guān)，在USB體系的中間起到信息轉(zhuǎn)換和傳遞的中介作用。在開發(fā)USB設(shè)備時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響到整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)采用Driverworks開發(fā)WDM型USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

應(yīng)用程序的主要功能是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中查找設(shè)備，與設(shè)備交換數(shù)據(jù)，并將設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的通信是通過訪問應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以應(yīng)用程序的開發(fā)必須在能訪問API函數(shù)的平臺(tái)上進(jìn)行。Microsoft公司提供的Visual Studio .NET是一種功能強(qiáng)大的支持API函數(shù)的編程工具，本設(shè)計(jì)的主機(jī)應(yīng)用程序就是以.NET為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的，其功能主要包括查找USB設(shè)備，與USB設(shè)備交換數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)曲線。

5 總結(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是改變了傳統(tǒng)的用微機(jī)PCI、ISA、串并行口做通訊口，改用高速的USB接口作為通訊口，有利于速度的提高，也方便了使用及攜帶，為以后的改進(jìn)和擴(kuò)展提供了余地；其次，將數(shù)據(jù)采集功能集合到控制卡里，也是本文的一個(gè)特點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，為了監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器的工作環(huán)境，需要采集溫度數(shù)據(jù)；同時(shí)將運(yùn)動(dòng)軌跡的有關(guān)數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，作為插補(bǔ)和調(diào)整的依據(jù)，并且將輸出電機(jī)的運(yùn)動(dòng)命令和及時(shí)傳回電機(jī)軌跡狀態(tài)相結(jié)合，形成了控制平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集為一體的模塊，數(shù)據(jù)采集的過程是個(gè)實(shí)時(shí)的過程，是在電機(jī)運(yùn)動(dòng)中同步完成的；最后本系統(tǒng)是開放性的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。該項(xiàng)目實(shí)施半年以來，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益60多萬元。