基于USB总线的机器人上下位机通信
基于USB总线的机器人上下位机通信 关键词：USB 教学机器人 通信 EDUROBOT-680-II型教学机器人是上海交通大学机器人研究所采用世界 银行贷款研制的一种五自由度多关节的机器人。它具备工业机器的基本功能、良 好的开放性以及舒适的使用界面，主要大专院校和科研机构提供教学和科研工具。学生可以通过亲手操作了解和学习工业机器人，它具备工业机器人的基本功能、 良好的开放性以及舒适的使用界面，主要为大专院校和科研机构提供教学和科研 工具。学生可以通过亲手操作了解和学习工业机器人，科研人员还可对它进行二 次开发。
教学机器人的上位机（主控计算机）和下位机（运动控制器）原先采用并 行口（LPT1）的SPP方式进行通信。利用LPT1的状态寄存器（Status Port）具有 的读能力和每次传送半字节（Nibble）来实现数据的双向传送功能。每次传送的 时序（次序）由软件建立，在控制字的协调下按照教学机器人的通信协议接收和 发送数据。
目前USB越来越普及，正逐渐取代串口和并口在计算机接口中的地位。为 了研究USB在实时通信时的性能，笔者已将教学机器人上下位机通信改用USB端 口实现。
图1 PL-2301结构框图 1 USB特点及其应用 通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是1994年底由Compaq、IBM、 Microsoft等多家公司联合提出的一种计算机接噪覆亡，目前已发展到USB2.0。
由于USB具有以下几方面的特点，所以迅速普及，逐渐确定了在计算机接口中的 主导地位。
（1）易用性。USB支持热插拔和即插即用。
（2）可扩展性。用户可以通过连接USB集线器到一个已有的端口来增加 USB端口数量，集线器上还可以连更多的集线器。理论上可以连接127个外设到 USB总线上。（3）快速性。USB1.1版规定了两种传输速率：低速传输和全速传输。低 速传输的速率是1.5Mbps，全速是12Mbps。这不但远远高于传统的串口传输速率， 也比并口传输快了好多倍。最近推出的USB2.0允许的最高传输速率高达480Mbps。
（4）可靠性。USB的可靠性来自硬件设计和USB数据传输协议两方面的 保证。USB驱动器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的 噪声；
USB协议使用了差错校验和数据重传机制，可以最大程度保证数据传输的 准确性。
（5）内置电源。USB总线内置电源线，可以给外设提供5V和最多500mA 的电源供应，满足大部分低功耗外设的电源要求。
由于USB具有这些突出的优点，不但一些传统外设开始提供USB接口，而 且大量新型外设也把USB接口作为首先甚至唯一的接口，如MP3播放器、移动硬 盘等。由于USB的高可靠性和足够快的通信速率，USB开始应用于工业级的实时 通信和控制，例如机器人系统中示教盒与控制器的通信。本文论述的用USB端口 实现机器人上位机与下位机的通信也属于这些方面的应用。
2 用USB实现计算机双机通信 由于USB模型是一种Host-Slave(主机-外设)主从式结构，没有办法使两台 主机不通过外设而直接通过USB总线通信。然而可通过增加外设控制器的方法使 两台主机利用它们的USB端口通信。每个外设控制器连接到不同的主要，并利用 共享的缓冲器交换数据。Cypress公司的EZ-Link和Prolific公司的PL-2301把两个 外设控制器和共享缓冲区集成到一块芯片上，作为两台主机通过USB总线通俗诉 桥梁。其它公司也提供类似的控制芯片。在教学机器人中，采用PL-2301。
PL-2301是台湾Prolific公司生产的一种全速USB控制芯片。PL-2301的结构 框图如图1所示。
PL-2301包括两套独立的USB控制单元。在握手信号的协调下，它们通过 两个FIFO缓冲器无阻塞地交换数据。PL-2301包含四个终端：缺省的控制终端（地 址00H）、中断终端（地址81H）、块输出终端（地址02H）、块输入终端（地 址83H）。控制传输用于在主机列举阶段完成对PL-2301的配置及在两台主机通 信时控制PL-2301的握手信号；
中断传输用于PL-2301定期（每毫秒一次）向主机 报告握手信号的状态；
块传输用于两台主机之间实时地交换数据。块传输支持错误检测，这对实时通信和控制很重要。控制传输被确保拥有10%的USB总线带宽， 中断传输和等时传输最多可以使用90%的带宽，块传输使用剩余的最大可用带宽 （最多95%）。当总线不太忙时，由于块传输只有一个很小的协议头（13字节）， 它是所有传输类型中最快的。为了确何教学机器人上下位机以最快的速度通信， 满足实时性要求，最好不要在USB总线上挂接过多的USB外设。
PL-2301除了能对USB标准请求做出反应外，还能对几种厂商自定义的请 求做出反应。自定义请求ClearQuickLinkFeature和SetQuickLinkFeature用于控制两 台主机通信时PL-2301的握手信号。这些握手信号是：
（1）TX_RDY指示本地USB端口是否准备好传输数据的指示信号。
（2）S_EN挂起使能信号。置位后，PL-2301支持标准的USB挂起特性。
（3）RESET_O块输出管道的复位信号，用于出现错误时复位块输出通道。
（4）RESET_IN块输入管道的复位信号，用于出现错误时复位块输入管道。
（5）TX_REQ块传输的请求信号。
（6）TX_C块传输完成的指示信号。
（7）PEER_E告诉对方本地端口是否连接好的指示信号。
在这几个握手信号的协调下，上位机和下位机可以双向通信。图2是主机 PC A向PC B传输数据的流程图。这些底层的细节问题并不需要控制，由PL-2301 的驱动程序完成。
图3 教学机器人控制系统软件结构 3 软件结构 3.1 教学机器人软件结构 EDUROBOT-680-II型教学机器人控制系统的控制软件包括下位机的底层 控制软件和上位机的上层控制软件，它们通过USB端口通信。其软件结构如图3 所示。
上层控制软件运行在Windows98平台上，它为用户提供与机器人交互的人机接口界面，完成复杂运动控制的数据处理和插补计算。它由人机界面、运算插 补、主控、通信四大模块构成。通信模块能够实时地发送控制命令给下位机并从 下位机获得反馈信息，同时保证数据传输的准确性。
为了提供对USB的支持（为了使底层控制系统有更好的实时性和更紧凑， 下一步准备将底层控制系统改用支持USB的Windows CE、VxWorks或嵌入式 Linux），底层控制系统目前采用Windows98平台。底层控制软件接口收上层控 制软件的控制命令，同时解释并执行控制命令。这通过多线程实现。任务调度和 管理模块是底层控制软件的主线程，它负责从指令队列中取出指令并解释执行。
主线程执行过程会产生一个辅助线程——通信线程。通信线程调用通信模块的输 出函数，负责监视USB端口。如果上位机传来控制命令，则遵循教学机器人通信 协议接收并存入指令队列中。
3.2 通信模块的实现 上位机和下位机控制软件共用相同的PL-2301客户驱动程序、传输模块（由 Prolific公司提供）和通信模块。
PL-2301客户驱动程序是典型的WDM驱动程序。驱动程序屏蔽了底层的硬 件细节和USB协议，使上层软件仅通过驱动程序接口函数就可以访问PL-2301。
主要的几个驱动程序接口函数是CreateFile（）、WriteFile（）、ReadFile（）、 DeviceIOControl（）。
传输模块（Transfer.dll）是驱动程序的上层模块，它通过调用驱动程序接 口函数，实现了两台主机通过PL-2301通信的基本通信能力。Transfer.dll会产生 一列三个线程：
（1）发送线程。这个线程对发送请求进行排队并按先后顺序处理请求。
如果出现错误，则努力恢复。
（2）接收线程。这个线程等待来自状态线程的消息，如果发现对方主机 将要传输数据，就按照传输协议接收数据。接收线程把接收到的数据放在接收 FIFO缓冲器中，等待上层软件（Comm.dll）取走。如果有错误发生时，也会努 力恢复。
（3）状态线程。这个线程监视PL-2301的状态信号。如果发现有任何状态 改变，它将给相关线程发消息或调用回调函数通知上层软件。Transfer.dll提供几个供上层软件（Comm.dll）调用的输出函数：
·USB_InitService（）调用Transfer.dll里的其他输出函数之间必须先调用这 个函数。
·USB_OpenConnect（）调用此函数获得PL-2301的句柄。发送和接收数据 时要用到这个句柄。
·USB_WriteConnect（）调用此函数向对方主机发送指定的数据。
·USB_ReadConnect（）调用此函数从接收FIFO缓冲器中读取数据。
通信模块（Comm.dll）通过调用Transfer.dll提供的输出函数完成教学机器 人控制命令的发送和接收。为了协调命令的发送和接收，定义了套控制字，作为 上位机与下位机通信时的握手信号（与PL-2301的握手信号没有联系）。上位机 发送数据（控制命令或控制字）时，直接调用USB-WriteConnect（）即可。下位 机读取数据采取轮询方式，循环调用USB-Read Connect（）扫描USB端口，如果 有数据则接收下来。如果接收到的是指令，则放入指令队列中，等待任务管理和 调度线程取走。图4是上位机发送一条命令的示意图。有些命令需要下位机发送 返回值给上位机，如读机器人状态命令status需要下位机发送返回值给上位机， 如读机器人状态命令status需要下位机把机器人状态返回给上位机。下位机发送 返回值的过程与上位机发送命令的过程相似。
USB作为一种新兴的计算机外设接口标准，其技术特点使不但能作为计算 机与一般外设的接口，也可用于实时通信和控制。本文介绍的用USB实现教学机 器为上下位机的通信，为机器人上下位机的通信提供了一种新颖、方便和可靠的 解决方案。随着USB2.0的推出，其高达480Mbps的传输速率可满足高实时性要求 的工业设备控制、动态图像实时传输等，为USB在更广阔领域的应用打下了坚实 的基础。