基于USB通信的科氏粉料流量測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 引言

目前，由北京航空航天大學(xué)與冀東發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司合作研發(fā)的科氏粉料流量測控系統(tǒng)(以下簡稱“測控系統(tǒng)”)已經(jīng)成功應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，運(yùn)行狀況良好，測量精度優(yōu)于±0.5%。測控系統(tǒng)底層和PC端上層控制軟件通過RS-232串行接口通信。這樣，操作者就能夠方便地對測控系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)研發(fā)人員在進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試時(shí)進(jìn)行流量數(shù)據(jù)采集，然而，基于RS-232通信的測控系統(tǒng)還存在一定的應(yīng)用限制。

雖然測控系統(tǒng)的流量測量精度高，但是其控制精度并不能滿足現(xiàn)場要求，針對于此，作者所在課題組正在開展粉料流量控制技術(shù)的相關(guān)研究工作，這就要求盡可能完整地采集流量數(shù)據(jù)，為粉料流量控制技術(shù)研究提供精確的數(shù)據(jù)支持。目前，測控系統(tǒng)的RS-232通信速率為9 600bps，并不能滿足需求，必須通過提高通信速率實(shí)現(xiàn)，然而，這樣會(huì)增加CPU處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)不正確的情況發(fā)生，降低底層程序性能。同時(shí)RS-232串口通信為端到端傳輸模式，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，上層應(yīng)用程序無法對當(dāng)前通信狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不利于測控系統(tǒng)對各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。

綜上所述，開發(fā)更為快速、方便、可靠的人機(jī)通信接口變得尤為重要。結(jié)合USB通信速率高、通信可靠、即插即用、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于USB通信的測控系統(tǒng)。

1 USB設(shè)備簡介

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)設(shè)備是USB通信系統(tǒng)中不可或缺的部分，隨著USB技術(shù)的不斷發(fā)展，USB設(shè)備類型也逐漸增加，主要包括Audio設(shè)備、Communicat ion device設(shè)備、HID設(shè)備、Image設(shè)備、Printer設(shè)備、Mass storage設(shè)備、Hub設(shè)備等等。其中，HID類是比較大的一個(gè)類，屬人機(jī)交互操作的設(shè)備，用于控制計(jì)算機(jī)操作的一些應(yīng)用中，如USB鼠標(biāo)、USB觸摸板、遙控等設(shè)備。Windows操作系統(tǒng)自帶了HID類設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，用戶直接調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)即可完成通信，不用開發(fā)特定的Windows驅(qū)動(dòng)程序，這樣能夠有效縮短應(yīng)用程序的開發(fā)周期。本文在測控系統(tǒng)中，采用HID設(shè)備進(jìn)行USB通信設(shè)計(jì)。

2 測控系統(tǒng)USB通信設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，測控系統(tǒng)可分為系統(tǒng)上層、系統(tǒng)底層、中控室和系統(tǒng)外設(shè)4個(gè)部分。圖1為測控系統(tǒng)原理框圖。

系統(tǒng)上層為基于C#語言的Windows應(yīng)用程序，主要完成測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能。

測控系統(tǒng)底層為測控系統(tǒng)核心，主要由STM32F103VET6處理器(簡稱STM32)和μC/OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)構(gòu)成。主要通過對應(yīng)的命令方式完成對外設(shè)進(jìn)行控制、傳感器測量信號采集、粉料流量計(jì)算與控制。

中控室為測控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，通過4～20 mA電流實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的流量監(jiān)測與控制。

系統(tǒng)外設(shè)主要包括變頻器、繼電器、電動(dòng)機(jī)以及各類信號終端。系統(tǒng)底層通過對應(yīng)的命令方式對外設(shè)進(jìn)行控制，或?qū)鞲衅鳒y量信號進(jìn)行采集。

2.1 測控系統(tǒng)底層USB通信設(shè)計(jì)

STM32為ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，自帶USB全速設(shè)備接口，支持USB2.0通信協(xié)議，可配置1～8個(gè)USB端點(diǎn)，包含512字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。因此，基于STMS2的USB通信設(shè)計(jì)可以有效簡化系統(tǒng)硬件電路。

圖2為測控系統(tǒng)USB接口硬件電路圖。其中，JP-USBENABLE接口用于實(shí)現(xiàn)對測控系統(tǒng)USB通信功能控制，USBENABLE用于底層應(yīng)用程序控制USB設(shè)備的連接狀態(tài)。

2.1.1 HID設(shè)備內(nèi)核定義

在進(jìn)行USB通信設(shè)計(jì)之前，必須完成USB設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。將ST公司提供的針對于STMS2的USB固件庫移植到現(xiàn)有工程目錄中，這樣只需修改庫文件中關(guān)于USB設(shè)備的相關(guān)定義即可。在該庫中，提供了完整的HID設(shè)備定義所需描述符，包括設(shè)備描述符、配置描述符、報(bào)告描述符、廠商字符串、產(chǎn)品字符串等。只需根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)描述符的修改即可滿足要求，在此，只針對設(shè)備描述符、配置描述符、報(bào)告描述符做簡要介紹。

(1)設(shè)備描述符

設(shè)備描述符主要完成USB設(shè)備的基本定義，主要包括設(shè)備類、最大數(shù)據(jù)包大小、配置個(gè)數(shù)等。在這里進(jìn)行如下定義：

設(shè)備類：HID設(shè)備。

最大包大?。?4字節(jié)。

配置個(gè)數(shù)：1。

(2)配置描述符

配置描述符主要完成USB設(shè)備的配置定義，包括當(dāng)前配置下的接口個(gè)數(shù)、接口定義、每個(gè)接口下的端點(diǎn)定義。在本測控系統(tǒng)的USB設(shè)備配置描述符中有如下定義：

接口個(gè)數(shù)：1。

接口端點(diǎn)個(gè)數(shù)：2(一個(gè)IN端點(diǎn)和一個(gè)OUT端點(diǎn))。

端點(diǎn)最大包大小：64字節(jié)。

(3)報(bào)告描述符

HID設(shè)備要和主機(jī)進(jìn)行正常通信，必須在主機(jī)對設(shè)備枚舉時(shí)提供完整的通信報(bào)文描述符，主機(jī)將根據(jù)設(shè)備提供的報(bào)告描述符進(jìn)行USB通信控制。在報(bào)告描述符中可以定義多個(gè)報(bào)告(輸入報(bào)告、輸出報(bào)告)，在這里，只定義一個(gè)輸入報(bào)告和一個(gè)輸出報(bào)告，其中報(bào)告大小均為64字節(jié)。

2.1.2 基于μC/OS—II的USB通信設(shè)計(jì)

μC/OS—II為多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過多任務(wù)的編程方式易于實(shí)現(xiàn)具有較高性能的嵌入式系統(tǒng)。目前測控系統(tǒng)包含5個(gè)任務(wù)：

CACULATE_TASK：計(jì)算任務(wù)，完成粉料流量的計(jì)算。

CTRL_TASK：控制任務(wù)，完成測控系統(tǒng)流量的控制。

GETWEIGHT_TASK：稱重任務(wù)，讀取稱重倉的數(shù)據(jù)。

UART_TFASK：串口通信任務(wù)，完成串口的數(shù)據(jù)交換。

DETECT_TASK：檢測任務(wù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測測控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

基于此，測控系統(tǒng)底層應(yīng)用程序新增USB通信數(shù)據(jù)接收任務(wù)USBCOMRX_TASK和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)USBCOMTX_TASK。其中，USBCOMRX_TASK任務(wù)實(shí)時(shí)接收上層應(yīng)用程序下發(fā)的命令，并將命令進(jìn)行解析處理;USBCOMTX_TASK任務(wù)實(shí)時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到上層應(yīng)用程序。

為提高通信數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計(jì)了專用的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。圖3為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖，其最小單位為數(shù)據(jù)包。

在程序設(shè)計(jì)時(shí)有如下定義：

typedef struct{

//數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

U8 DataBuffer[BUFLEN][CMDLEN];

//數(shù)據(jù)起始位置

U8 DataStart;

//數(shù)據(jù)結(jié)束位置

U8 DataStop;

//通信信號量

OS_EVENT*USB_sem;

}UsbBuffer;

緩沖區(qū)由二維數(shù)組構(gòu)成，每一行代表一幀數(shù)據(jù)，由BUFLEN幀數(shù)據(jù)組成，每幀數(shù)據(jù)長度為CMDLEN。其中，DataStart指示緩沖區(qū)有效數(shù)據(jù)包的起始位置，Datastop指示緩沖區(qū)有效數(shù)據(jù)包的結(jié)束位置。USB_sem為通信所需信號量，對于接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，USB接收中斷服務(wù)子程序中將接收到的數(shù)據(jù)包復(fù)制到該緩沖區(qū)中，并更新DataStop值，然后通過該信號量通知USBCOMRX_TASK進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;對于發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，需要通過USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)，將待發(fā)送數(shù)據(jù)填充到相應(yīng)的緩沖區(qū)中，并更新DataStop值，然后利用該信號量通知USBCOMTX_TASK進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖4為USBCOMRX_TASK任務(wù)流程圖。當(dāng)任務(wù)收到接收信號量時(shí)，循環(huán)處理緩沖區(qū)中DataStart至DataStop之間的有效數(shù)據(jù)包。

圖5為USBCOMTX_TASK任務(wù)流程圖。當(dāng)任務(wù)收到發(fā)送信號量時(shí)，循環(huán)發(fā)送緩沖區(qū)中Datastart至DataStop之間的有效數(shù)據(jù)包。

2.2 測控系統(tǒng)上層USB通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上層為基于C#語言的Windows應(yīng)用程序，基于此進(jìn)行測控系統(tǒng)上層USB通信設(shè)計(jì)。測控系統(tǒng)上層USB通信設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面：USB連接狀態(tài)監(jiān)測和USB數(shù)據(jù)通信。

2.2.1 USB連接狀態(tài)監(jiān)測

USB連接狀態(tài)監(jiān)測主要對測控系統(tǒng)的連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，完成USB正常通信之前的準(zhǔn)備工作。為實(shí)現(xiàn)USB連接狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用線程的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6為USB連接狀態(tài)監(jiān)測線程UsbDeviceStatus流程圖。USBConnected用于指示HID設(shè)備的連接狀態(tài)，若目標(biāo)USB設(shè)備已經(jīng)連接主機(jī)，則堵塞當(dāng)前線程，一旦監(jiān)測到USB設(shè)備連接斷開，則繼續(xù)輪詢主機(jī)上的HID設(shè)備。

2.2.2 USB數(shù)據(jù)通信

在Windows操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序通過文件操作的方式使用USB設(shè)備。在USB連接狀態(tài)監(jiān)測線程中，如果查找到目標(biāo)HID設(shè)備，會(huì)創(chuàng)建相應(yīng)的文件操作句柄供應(yīng)用程序使用。

文件的操作有4種方式：異步讀、同步寫、異步讀和異步寫。讀、寫文件操作即申請一次接收、發(fā)送數(shù)據(jù)操作。

在異步模式下，應(yīng)用程序向USB控制器發(fā)送一次請求之后，無論請求是否成功，相應(yīng)的請求函數(shù)即刻返回，將剩余的工作交由USB驅(qū)動(dòng)程序完成;在同步模式下，則必須等到請求成功之后才返回。采用同步讀的方式可以有效提高應(yīng)用程序處理通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。在此采用同步讀和異步寫的方式進(jìn)行USB通信。

采用同步讀方式通信時(shí)，若底層沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送，則當(dāng)前線程會(huì)處于堵塞狀態(tài)，直到讀取到數(shù)據(jù)線程恢復(fù)運(yùn)行。在此采用線程的方式完成USB數(shù)據(jù)的同步讀操作。

圖7為USB接收數(shù)據(jù)線程流程圖。通過ReadFile()函數(shù)的返回值即可判斷USB的連接狀態(tài)。表1為ReadFile()函數(shù)返回狀態(tài)值對應(yīng)的USB設(shè)備連接狀態(tài)。

當(dāng)應(yīng)用程序需要通過USB總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)檢測當(dāng)前USB設(shè)備的連接狀態(tài)，若狀態(tài)為“連接正常”，則調(diào)用WriteFile()函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送。

結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)功能需，完成了測控系統(tǒng)的USB通信功能設(shè)計(jì)，解決了如下幾個(gè)問題：

①采用USB全速通信方式，通信速率高達(dá)12Mbps，較大程度提高了測控系統(tǒng)流量數(shù)據(jù)的采集速率，為流量控制算法研究提供了更加完整的數(shù)據(jù)支持，解決了RS-232串口通信速率低的局限性。

②增加USB通信方式，應(yīng)用程序可以更加方便地監(jiān)測測控系統(tǒng)的通信狀態(tài)，有效提高通信連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

③有效解決了RS-232串口通信不支持熱插拔的問題，使得通信更加方便靈活。

針對于RS-232串口通信的應(yīng)用局限性，進(jìn)行了測控系統(tǒng)的USB通信設(shè)計(jì)，提高了科氏粉料流量測控系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)用可擴(kuò)展性，在今后的市場中將具有更廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)，該測控系統(tǒng)的USB通信設(shè)計(jì)方法對嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有_定的參考價(jià)值。