智能寻位加工技术中USB接口数据传输方式的应用研究*

　　智能寻位加工技术^[1][2]是一种新型加工方法，其实现思路是利用主动寻位方法获取被加工零件的三维空间位姿，并以该信息为引导，基于CAD模型库，自动生成数控加工程序，通过实现能顺应现实加工的设备完成对零件的无精确定位束缚的加工。它强调多学科信息融合，广泛采用自动控制、计算机、数控等领域最新最成熟的相关技术，促进机械制造领域的发展。
　　该加工方法的一个重要的基础条件是通畅的网络化工作环境^[2]，强调多智能设备间实时数据流、控制流通讯，但由于现有底层设备的一些固有缺陷，屏蔽了上端先进技术的应用，牺牲了整个系统的性能，限制了该加工方法的广泛应用。目前比较突出的例子是传统的RS232串行通讯方式及并口通讯方式，由于其速率限制，难以对高速、批量的数据进行快速响应，使得整个系统的处理能力具有较大延迟，相应的技术解决方法则需迫切地提出。
1 USB通用串行总线
　　串口的出现是在1980年左右，数据传输率是115～230kbps，并行口的数据传输率比串口快8倍，标准并口的数据传输率为1Mbps。随着计算机功能的日益强大，接口数量、速度的限制使系统性能的提升受到极大制约，外部设备的日益丰富与高速实时数据传输的迫切需要，催生了宽带宽和智能化串口的互连技术——通用串行总线USB(Universal Serial Bus)。
　　USB是以INTEL为主并有康柏、微软、IBM、DEC以及日本NEC等几家公司共同制定的串行接口规格。1995年11月制定了第一个规范，使通讯速率达到1.5～12Mbps^[3][4]。在1999年2月23日的 Intel 开发者论坛大会上，介绍了USB2.0规范，增加了惠普、朗讯和 飞利浦 三个新成员，向下兼容USB1.1，数据的传输率达到120～240Mbps，为大数据量高速实时传输提供了强有力的通讯方式。
　　USB具有以下显著特点：
　　·高速数据传送
　　支持1.5～12Mbps(2.0版本更支持高达120～240Mbps的传输速率)，该速率与一个标准的串行端口相比，大约快出100倍，与一个标准的并行端口相比，也快出近10倍，足以满足工业现场提出的高速传输应用。
　　·高自由度连接/拓扑结构
　　对端口加以扩展，最多可在一台计算机上同时支持127种设备，而不会受到其PC上插槽的个数的限制。主机和USB设备之间是星形拓扑结构。
　　·带电插拔/即插即用
　　即所有的USB外设利用“ONESIZE－FITS－ALL”连接器都可简单的插入计算机中(热插拔)，而不用关掉计算机。
　　·内置电源供给
　　USB电源能向低压设备提供5V、500mA(最大)电源。因此，对工业现场中使用的小功耗接入设备如光栅尺、球栅尺等则无须使用单独电源供电，这样可以降低这些设备的成本并提高性价比。
　　·支持多种传输模式
　　USB提供了四种传输模式，以适应不同的传输目的，具有极强的通用性。
　　因此相对其它的总线结构而言，例如IEEE1394(400MB/S)Compact PCI(132MB/S)，在满足性能的条件下，高速、低价、维护简易的USB总线则是本系统的首选。
2 USB总线系统应用描述
2.1 系统框架
　　USB总线系统框架如图1所示。从图1我们可以清楚地看到USB功能的软硬件层次结构。
2.2 软件驱动体系
　　软件驱动体系如图2示。

　　USB设备驱动(或客户驱动)程序向USBD发出输入输出请求包(IO Request Packets)。USB系统驱动软件是由微软提供的，在WINDOWS95OSR2以后版本中开始发行的驱动程序。其中主要包括：
　　·USBD.SYS——为客户软件驱动提供接口服务、分配总线带宽和管理设置参数的过程。当收到USB客户驱动的IRPs时，USBD将其组织到各个独立的处理任务(Transaction)中去。
　　·UHCD.SYS——控制PC机控制器的操作，计划数据的处理和控制处理后的结束状态。UHCD负责处理任务在USB中广播的计划工作。通过建立处理任务表，UHCD决定1ms Frame的顺序传输内容。
　　USB系统驱动软件实现的关键功能包括：
　　参数设置
　　·设备参数设置：包括读取设备的描述符，决定USB需要的资源，为每个端点(endpoint)建立通讯管道(pipe)。
　　·USB参数设置：如通讯管道的初始化，需要初始化的内容包括设定服务时间、最大数据传输量等。
　　·功能参数设置：对于特定的设备驱动需要完成特定的一些功能。
　　分配USB资源
　　·确定电源：USB能提供给每个端口设备的电流为100～500mA，同时USB系统软件有责任报告电源匮乏。
　　·跟踪及分配带宽：USB系统软件需要知道通讯管道的初始化参数以分配带宽。
　　·复用带宽：USB系统软件通过复用带宽，可将残留带宽分配给控制传输(Control Transfer)和批量传输(Bulk Transfer)这些优先权较低的传输方式，提高带宽利用率。
　　USB驱动提供一种客户编程接口用来帮助客户软件控制和读取USB设备。其具体提供的软件机制有：
　　·命令机制——允许客户设定和控制USBD操作，从而设定和控制USB设备的运行。
　　·管道机制——允许USBD的客户对设备特定的数据和控制传输进行管理。
　　如图2所示，我们可以从逻辑数据传输流和物理数据传输流两种方式来看待整个USB软件驱动体系。逻辑上我们可以认为数据通讯是在用户软件的设备间进行，而从物理流程来看则要复杂得多。
3 研究实例
　　在智能寻位加工技术的一个应用实例——数控加工中心光栅闭环测量过程中，应用USB总线方式进行通讯。系统结构框图如图3所示。