基于USB的運動控制平臺及采集卡的設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動電路主要由驅(qū)動芯片組成，本系統(tǒng)使用的電機(jī)驅(qū)動芯片為UC3717A。UC3717A芯片使用非常簡單，它通過3個輸入管腳(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個輸出管腳（Aout和Bout）上與電機(jī)連接輸出相應(yīng)的控制信號。由于UC3717A包含一個H橋，因此電機(jī)驅(qū)動電路有兩片UC3717A對應(yīng)部分相連構(gòu)成完整的驅(qū)動電路。如3微部分驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動電路圖。

圖3 部分驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動電路

3.4 LED顯示電路設(shè)計

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，將顯示編碼通過單片機(jī)的串口發(fā)送到74LS164上鎖存而實現(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

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個多任務(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，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低開發(fā)和維護(hù)成本，就需要一個嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)發(fā)和運行的平臺。μC/OS-Ⅱ作為一個源碼公開的免費型嵌入式實時操作系統(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，非常適合作為USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)平臺。

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件由三個部分組成：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)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片控制程序，其中USB通信程序是整個固件程序的主要部分，其功能是實現(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)，向下則實現(xiàn)對具體設(shè)備的訪問和管理功能。驅(qū)動程序與設(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，設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計是一個非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響到整個設(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)動程序

應(yīng)用程序的主要功能是在設(shè)備驅(qū)動程序中查找設(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)動程序的通信是通過訪問應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)實現(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(shù)的編程工具，本設(shè)計的主機(jī)應(yīng)用程序就是以.NET為平臺進(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)和動態(tài)顯示數(shù)據(jù)曲線。

5 總結(jié)

本文的創(chuàng)新點是改變了傳統(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，也是本文的一個特點：電機(jī)運動過程中，為了監(jiān)控驅(qū)動器的工作環(huán)境，需要采集溫度數(shù)據(jù)；同時將運動軌跡的有關(guān)數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，作為插補和調(diào)整的依據(jù)，并且將輸出電機(jī)的運動命令和及時傳回電機(jī)軌跡狀態(tài)相結(jié)合，形成了控制平臺和數(shù)據(jù)采集為一體的模塊，數(shù)據(jù)采集的過程是個實時的過程，是在電機(jī)運動中同步完成的；最后本系統(tǒng)是開放性的實時系統(tǒng)。該項目實施半年以來，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益60多萬元。