基于USB的運動(dòng)控制平臺及采集卡的設計

電機驅動(dòng)電路主要由驅動(dòng)芯片組成，本系統使用的電機驅動(dòng)芯片為UC3717A。UC3717A芯片使用非常簡(jiǎn)單，它通過(guò)3個(gè)輸入管腳(Phase、I1和I0)分別圖單片機引腳連接來(lái)接收輸入的參數，在2個(gè)輸出管腳（Aout和Bout）上與電機連接輸出相應的控制信號。由于UC3717A包含一個(gè)H橋，因此電機驅動(dòng)電路有兩片UC3717A對應部分相連構成完整的驅動(dòng)電路。如3微部分驅動(dòng)電機驅動(dòng)電路圖。

圖3 部分驅動(dòng)電機驅動(dòng)電路

3.4 LED顯示電路設計

如圖4所示，該系統的顯示是使用的靜態(tài)顯示，應用74LS164的串入并出的特點(diǎn)，將顯示編碼通過(guò)單片機的串口發(fā)送到74LS164上鎖存而實(shí)現穩定的靜態(tài)顯示。在74LS164和數碼管之間串接1K的電阻限制電流，起到保護作用。

圖4 顯示部分電路設計

4系統的軟件設計

USB數據采集系統是一個(gè)多任務(wù)系統，而且程序結構也比較復雜，為了提高開(kāi)發(fā)率，增強系統的穩定性，降低開(kāi)發(fā)和維護成本，就需要一個(gè)嵌入式操作系統作為系統發(fā)和運行的平臺。μC/OS-Ⅱ作為一個(gè)源碼公開(kāi)的免費型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，其穩定性好、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數據采集系統的開(kāi)發(fā)平臺。

USB數據采集系統的軟件由三個(gè)部分組成：USB設備固件程序、主機PC上的USB設備驅動(dòng)程序和主機上的客戶(hù)應用程序。系統軟件的組成及各部分之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 系統軟件的組成

設備固件程序按功能可以劃分為USB通信程序、單片機上的A/D轉換程序和LED顯示程序，以及單片機對步進(jìn)電機驅動(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USB設備枚舉和數據傳輸。USB設備枚舉是USB設備插上之后，主機與設備交換信息并自動(dòng)配置的過(guò)程，枚舉成功后，USB接口與主機就可以進(jìn)行通信了。

設備驅動(dòng)程序是連接設備和主機應用程序的紐帶，它向上提供應用程序的訪(fǎng)問(wèn)接口(API)，向下則實(shí)現對具體設備的訪(fǎng)問(wèn)和管理功能。驅動(dòng)程序與設備硬件和上層用戶(hù)程序密切相關(guān)，在USB體系的中間起到信息轉換和傳遞的中介作用。在開(kāi)發(fā)USB設備時(shí)，設備驅動(dòng)程序的設計是一個(gè)非常重要的環(huán)節，直接影響到整個(gè)設備系統的性能。本系統采用Driverworks開(kāi)發(fā)WDM型USB設備驅動(dòng)程序

應用程序的主要功能是在設備驅動(dòng)程序中查找設備，與設備交換數據，并將設備發(fā)送來(lái)的數據進(jìn)行處理和顯示。應用程序和驅動(dòng)程序的通信是通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)應用程序接口(API)函數實(shí)現的，所以應用程序的開(kāi)發(fā)必須在能訪(fǎng)問(wèn)API函數的平臺上進(jìn)行。Microsoft公司提供的Visual Studio .NET是一種功能強大的支持API函數的編程工具，本設計的主機應用程序就是以.NET為平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，其功能主要包括查找USB設備，與USB設備交換數據和動(dòng)態(tài)顯示數據曲線(xiàn)。

5 總結

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是改變了傳統的用微機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)和擴展提供了余地；其次，將數據采集功能集合到控制卡里，也是本文的一個(gè)特點(diǎn)：電機運動(dòng)過(guò)程中，為了監控驅動(dòng)器的工作環(huán)境，需要采集溫度數據；同時(shí)將運動(dòng)軌跡的有關(guān)數據采集進(jìn)來(lái)，作為插補和調整的依據，并且將輸出電機的運動(dòng)命令和及時(shí)傳回電機軌跡狀態(tài)相結合，形成了控制平臺和數據采集為一體的模塊，數據采集的過(guò)程是個(gè)實(shí)時(shí)的過(guò)程，是在電機運動(dòng)中同步完成的；最后本系統是開(kāi)放性的實(shí)時(shí)系統。該項目實(shí)施半年以來(lái)，創(chuàng )造經(jīng)濟效益60多萬(wàn)元。