摘要：开发出一种基于USB2. 0接口的嵌入式运动控制器，探讨了该运动控制器的体系结构的实现并对USB接口模块的软件和硬件设计进行了详细的介绍。将该嵌入式运动控制器应用于智能象棋机械手的控制过程中，实验结果表明通过扩展USB设备可以容易的实现多轴联动同时在实时性能要求不高的场合可以满足运动控制的要求。

    关键词：USB2.0; DSP; FPCA；嵌入式运动控制器

    中圈分类号：TP273    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010)06-0100-03

    多轴运动控制系统在激光加工、工业机器人、数控机床、办公自动化设备、雷达和军用武器随动系统以及柔性制造系统的应用越来越广泛。PCI或ISA接口的多轴运动控制器不能进行长距离传输，控制器要插到IPC扩展插槽里面，占用IPC外围资源，从主机应用程序过来的数据多放到缓存FIFO中，不能方便地区分对各个轴的指令和控制参数，开发T作也比较复杂。而USB2.0技术不仅可以实现高速数据传输，而且具有即插即用，功耗低，连接简便，价格便宜的特点，同时可以实瑰不同轴指令及参数的分开，而不需要做复杂的技术处理。本文以智能象棋机器人嵌入式运动控制器为例，提出一种基于USB2. 0接口的多轴运动控制器。该运动控制器与上位机可以实现高速数据通信，完全满足象棋机械手的控制性能要求。

    运动控制器硬件结构如图l所示。运动控制器通过USB接口从上位PC机获取位置指令、命令指令以及需要调整的参数（比如PID调节系数），运动控制器由DSP对位置指令进行粗插补，在每一个插补周期，DSP根据反馈的正交编码脉冲信号获取轴的实时位置，计算出期望值与实际值之间的偏差，对偏差进行PID调节，获得各轴的进给量。将此进给量依次送人FPGA的脉冲发生模块完成精插补操作，产生输出脉冲信号送人伺服驱动器控制电机运动。同时运动控制器可以根据PC机的命令指令向PC机上传各伺服轴的运行状况等信息并通过PC界面显示出来。

   

    SX2有5个端点：EP(O、2、4、6、8)。EPO用基于USB接口的嵌入式运动控制器设计窦海斌，等来提供介于主机与设备之间的配置、命令或状态的通信协议。在本设计中将EP2设置为OUT端点，负责传送位置指令数据，配置为512字节双缓冲的模式。EP6设置为OUT端点，负责传送PC来的命令指令，配置为512字节双缓冲的模式。EP4设置为IN端点，负责传送来自运动控制器的状态信息，配置为512字节双缓冲的模式。双缓冲的模式可以使USB在读或者写一个数据包时，另一个数据包（同一个端点内的另一个缓冲器）可供DSP执行读或者写操作。通过建立两级缓存可以极大提高数据的传输速度，更好地利用USB2.0的高速性。

    SX2与FPGA的连接图如图2所示。FIFOADR[00: 02]用来选择FIFO和命令端口，具体的对应规则可查阅SX2的技术资料；SLRD为SX2的读有效信号常与SLOE短接，与DSP的读使能信号XRD相连；SLWR为写有效信号，与DSP的写使能信号XWE相连；FLAGA、FLAGB、FLAGC报告由FIFOADR[2:0]选择的FIFO的状态；READY信号有效时通知DSP对SX2的FIFO进行读写。FLAGX和READY的状态均写入FPGA申的一个寄存器中，DSP将FPCA配置在Zonel空间内(Ox4000H)，通过A[3：4]选中此寄存器，再通过数据线D[0：7]将寄存器的内容送人DSP，DSP通过查询各端口FIFO的状态执行相应的命令。

   

    因为使用了双缓冲的模式，充分的发挥了USB2.0的传输速度快的优势。具体的工作过程为：当上位PC机要发送位置指令给运动控制器时，将位置指令发送到EP2，DSP通过读FPGA中的SX2的状态寄存器得知EP2的FIFO中有数据，然后将位置数据读人DSP中进行粗插补算法。当上位PC机要读出当前各轴的运行状态时，将命令指令发送到EP6，DSP将命令指令读人内部寄存器中判断出命令所要求的具体任务后，将当前各轴的运行状态数据写入EP4的FIFO中等待上位PC机读取。上位PC机将EP4中的数据读出，并作相应的处理，从界面显示出来或者对相关参数做出调整。从整个的通信过程可以发现使用USB接口可以容易的将轴指令与参数分开，而不需要做复杂的技术赴理。

    本设计选择了TI公司的TMS320F2812型DSP芯片。它不仅有32位定点处理器内核，更重要的是其片内集成了许多电机控制的常用外设，非常适合电机控制。USB作为计算机的外部总线，是一种通讯总线，没有与CPU的硬中断资源，在实时性方面难于与PCI接口相媲美，同时Windows操作系统为非实时性的操作系统，不能及时响应运动控制器。因此在本运动控制器的设计中不能采用通用运动控制器那样的由上位PC机完成轨迹规划，由DSP实现精插补的体系结构，而必须由DSP完成轨迹规划，对位置指令进行粗插补，由FPCA完成精插补以保证控制的实时性。采用USB接口的另一优势在于对于智能象棋机械手等多关节多运动部件的机器人，可以通过USB HUB的扩展更容易实现4轴以上的多轴联动。

     FPGA采用Xilinx公司的XC2S50芯片，它是一款性价比比较高的芯片。在此硬件系统中，FPGA的作用主要有三个。其一，实现地址译码和数据锁存。在DSP与USB芯片的通信过程中就是实现了这个功能。其二，实现正交编码脉冲计数。获取各个轴的实际位置，将实际位置送人DSP芯片与期望的值置进行比较，对偏差进行PID算法的调节。其三，实现精插补功能。接受DSP发送的各轴的脉冲个数信号，向各轴发送对应得脉冲数。

    USB设备要能正常工作需要三部分软件程序，第一部分是USB设备上运行的固件程序；第二部分是安装在主机上的驱动程序；第三部分是客户要完成具体功能并安装在主机上的应用程序。在软件层次结构上，USB固件程序是****层的，应用软件位于最上层。应用程序完成与驱动程序的通信，打开设备，读写设备数据，关闭设备；利用多线程完成读取数据以及指令传送。应用程序通过客户驱动程序与USB设备接口进行通信，由系统产生USB数据的传送动作，固件程序则响应各种来自系统得USB标准请求，完成各种数据的交换和事件处理。本设计采用的驱动程序是CYPRESS提供的样板，该驱动程序几乎涵盖了CYPRESS产品，是个通用的驱动程序。以下针对固件程序设计进行分析。

    固件程序的流程图如图3所示。初始化包括DSP芯片以及USB芯片的初始化。USB芯片的初始化包括USB的软件复位，中断类型设置以及中断引出信号设置。设备连线正常情况下，当USB初始化完毕后，主机便能检测到设备已经连接，并且向设备发出请求，这些请求将会以中断的形式被提交到DSP芯片。本系统中USB的中断信号被引到DSP的XINT1脚。随后进入USB枚举过程。LiSB枚举过程是由响应其标准设备请求完成的。所有USB设备在“设备的缺省控制通道”处对主机请求发出响应。这些请求通过使用控制传输实现，请求及请求的参数通过Setup包发向设备，上位机负责设置Setup包内的每个域的值，每个Setup包有8个字节，Setup包的格式如图4所示。其中，bmRequestype域占一个字节，表明此请求的特性，如该域的D7位表明了第2阶段控制传输的方向，D7 =0表明从主机传至设备，表明从设备传至主机。请求可被引导到设备、设备接『1或某一个设备端端点r，由D4 - DO位来标志。hRequest域占一个字节，这个域标识清求的类型，例如05H表示设置地址。wValue域占两个字节，此域用来传送当前靖求的参数，根据Request的不同而不同。wlndex域占两个字节，用来表明是何接口或端点。wLength域占两个字节，这个域表明了第2阶段的数据传输长度。结束后上位机向DSP发送位置指令或者命令指令，DSP接到位置指令后对数据进行轨迹规划，接到命令指令后对运动控制器的相关参数进行设置或者向上位机回传数据。

    本文探讨了USB2. 0接口在运动控制器应用的可行性同时提出了一种使用USB2.0接『f的运动控制器的结构，并对USB2.0接口的软、硬件设计进行详细的描述，实现了智能象棋机器人嵌入式运动控制器与上位PC机之间通过USB2.0接口的高速数据传输。将该运动控制器应用于智能象棋机器人的实际控制过程，实验结果表明使用USB2. 0接口可以通过USB HUB扩展多个运动控制器实现多轴联动同时在实时性能要求不高的场合是可以满足运动控制要求的。