（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）基于通用串行總線的嵌入式多軸控制器的開發(fā).pdf

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于通用串行總線的嵌入式多軸控制器的開發(fā) 摘要 數(shù)控技術(shù)在工業(yè)控制中有泛的應(yīng)用，基于p c 的控制器發(fā)展非常迅速。本 文提出了一種以p c 機(jī)微處理器+ d s p 為核心外移多軸控制器的結(jié)構(gòu)形式，通過 高速通用串行總線實(shí)現(xiàn)多軸控制器與p c 的通訊。 在介紹了所研究課題的意義及背景后，本文首先對運(yùn)動(dòng)控制器的概念作了 較為詳細(xì)的解釋，并闡述了其技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域。 為了選擇合適的多軸控制器的中央處理器，本文在對兩類主要的控制器處理器 單片機(jī)m c u 和數(shù)字信號處理器d s p 芯片進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了數(shù)字 信號處理器d s p 的特點(diǎn)、功能、選擇、分類及應(yīng)用，并將t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 確定作為控制器主控芯片，對其功能、特點(diǎn)作了說明。 隨后，本文構(gòu)建了所設(shè)計(jì)的嵌入式多軸控制器系統(tǒng)的硬件框架。通過功能 框圖、特點(diǎn)描述，明確了設(shè)計(jì)流程。 通過對常用計(jì)算機(jī)現(xiàn)場總線接口格式、傳輸速度、傳輸長度等參數(shù)的比較， 確立了以i e e e l 3 9 4 火線、u s b l 1 通訊接口之一作為通訊方式，詳細(xì)介紹分析二 者的定義、特點(diǎn)、傳輸方式、功能、軟件功能設(shè)計(jì)和優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)不同得需 求，選擇了不同的芯片，并給出了各種芯片與控制器主c p u 的連接原理圖。 在繪制功能原理圖的基礎(chǔ)上，通過對實(shí)驗(yàn)板的調(diào)試，本文將整個(gè)系統(tǒng)硬件 的開發(fā)作了詳細(xì)的說明：時(shí)鐘、復(fù)位、看門狗、r a m 、電源檢測電路的芯片選型 及設(shè)計(jì)：用于調(diào)試控制的顯示、鍵盤、聲光提示的原理說明；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的 設(shè)計(jì)以及芯片的特點(diǎn)：數(shù)字量及電機(jī)輸入輸出的控制的方法；c p l d 的芯片的功 能、選型、特點(diǎn)及原理圖設(shè)計(jì)等等。 最后，對軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試過程的常見問題進(jìn)行了介紹和說明。 關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng)通用串行總線多軸控制器 1 1 1 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h ed e v e l o p 腳 o fe m b e d d e dm u l t i - a x i sc o n t r o l l e rb a s e do nu s b a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r ia l c o n t r 0 1 p c b a s e dc o n t r o l l e ri sam a i nd e v e l o p i n gt r e n di nn c t h i sp a p e r p r o p o s e s a na r c h i t e c t u r e c o m p o s e d o f t h es t a n d a r dp c p l a t f o r m a n d d s p b a s e do u t b o xm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r 0 1 1 e r t h ep ca n dm u l t i - a x i s c o n t r o l l e ra r ec o n n e c t e dv i au i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) a f t e r i n t r o d u c i n g t h e b a c k g r o u n da n dm e a n i n go ft h ep r o j e c t ，t h e p a p e re x p l a i n s t h e c o n c e p t s o fm o t i o nc o n t r o l l e ra n de x p o u n d si t s t e c h n i c a lf e a t u r e s ，a p p li c a t i o n s ，d e v e l o p m e n ta n dd e s i g nd i v e r s i t i e s i no r d e rt oc h o s s ea na p p r o p r i a t ep r o c e s s o rf o rm u l t i a x i sc o n t r o l l e r f r o mv a r i o u sm i c r o p r o c e s s o r s ，t w om a i np o p u l a rc a t e g o r i e so f c o n t r o l l e r s ， s i n g l ec h i pc o n t r o l l e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，h a v eb e e n c a r e f u l l y e x a m i n e d t h e e m p h a s i s i s p l a c e d o nt h ed s p s f e a t u r e s ， f u n c t i o n s ，s o r ta n da p p l i c a t i o n a n df i n a l l yi ti sd e c i d e dt oa d o p tt h e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o ft ia st h em a inc o n t r o ll e rc p u t h e nah a r d w a r ef r a m eo ft h ed e s i g n e de m b e d d e dm u l t i - a x i sc o n t r o l l e r is s t u d i e d ，a n dad e s i g np r o c e s si ss p e c i f i e dt h r o u g hf u n c t i o nc h a r t s a n df e a t u r ed e s c r i p t i o n t h r o u g hc o m p a r i n g m a i nc h a r a c t e r s1i k ei n t e r f a c e f o r m a t ， t r a n s m is s i o nr a t ea n dd i s t a n c eo fp o p u l a rc o m p u t e rs e r i a lc o r m u n i c a t i o n jn t e r f a c e s ，w ed e c i d et oc h o o s e o n eo fu s ba n di e e e l 3 9 4b u s e sa s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt h ep ca n dm u l t i a x i sm o t i o n c o n t r o l l e r ac o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na n da n a l y s i sh a sb e e ng i y e na b o u t t h e i r d e f i n i t i o n s ，f e a t u r e s ，t r a n s m i s s i o nm o d e s ，f u n c t i o n s ， s o f t w a r e f u n c t i o n d e s i g n ，a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e t h e s c h e m a t i ce i r c u i t d i a g r a m s h a v eb e e n d e s i g n e d b e t w e e nt h ed s pa n di n t e r f a c ed e v i c e s ， s e l e c t e db yd i f f e r e n tr e q i u r m e n t s b a s e do ns c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a m sa n dd e b u g g i n go nt h et e s tb o a r d ， t h eh a r d w a r es y s t e md e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e di nd e t a i l ：c l o c k ，r e s e t ， i v 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 w a t c hd o g ，r a m ，s u p p l y d e t e c t i n gi c ，h u m a n i n t e r f a c e s u c ha sl c d a n d k e y b o a r d ，t h ec i r c u i td e s i g no fd a ca n dt h ef e a t u r e so ft h ec h i p ，d i g i t a l i n o u ta n dm o t o rc o n t r o lc i r c u i t c p l dt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t ot h i s s y s t e mt os i m p i f yt h eh a r d w a r ea n de n s u r e st h es a f e t yo ft h es y s t e m a s i m p l ei n t r u d u c t i o n i s d e p i c t e da b o u tt h ef u n c t i o n ，s e l e c t i o na n d a p p l i c a t i o nd e s i g no fc p l d a t l a s t ，t h ec o m m o np r o b l e m s ，w h i c hm a yc o m ea c r o s si nd e s i g na n d d e b u g g i n go fs o f t w a r e ，a r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d k e y w o r d ：e m b e d d e d s y s t e m ：u n i v e r s a l s e r i a lb u s ：m u l t i a x e s c o n t r o l l e r v 原創(chuàng)生聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研 究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完 全意識到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 罵，囊 論文作者簽名：璺二基 日 期：2 q q 3 生5 旦 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 罵，夏 論文作者簽名：璺= 基導(dǎo)師簽名：豎壅整日 期：2 q q 3 生5 旦 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 引言 1 1 課題的提出及意義 數(shù)控技術(shù)是機(jī)械制造自動(dòng)化的基礎(chǔ)，它是隨著科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的發(fā)展而 逐步發(fā)展起來的。數(shù)字控制控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，反映了一個(gè)國 家制造技術(shù)的水平和工業(yè)水平。 數(shù)控機(jī)床對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全具有極其重要的意義。數(shù)控機(jī)床使軍、 民用機(jī)械工業(yè)及整個(gè)制造業(yè)發(fā)生了革命性的變化，使產(chǎn)品質(zhì)量與性能、產(chǎn)品開發(fā) 和更新?lián)Q代的速度、交貨期以及勞動(dòng)生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)效益等達(dá)到一個(gè)嶄新的水平。 它既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)裝備，又是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的重要手 段，對整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大而深刻的影響。數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的 一個(gè)核心部件是各國竟相發(fā)展的高新技術(shù)，其技術(shù)復(fù)雜，難度大，是我國的一個(gè) 薄弱點(diǎn)。沒有一個(gè)自己的產(chǎn)業(yè)化數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品是影響我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根 本原因。因此研究開發(fā)可與國外名牌產(chǎn)品競爭的國產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化是 振興我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵“。 機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，尤其在航天、軍事和計(jì)算機(jī)工業(yè)中，其零件精度高， 形狀復(fù)雜，批量小，使得采用傳統(tǒng)普通機(jī)床加工困難、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、 精度難以保證。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由于其本身的特性限制已不能滿足現(xiàn)代工業(yè) 和社會發(fā)展的要求。歸納起來，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 封閉式結(jié)構(gòu)。提供給用戶的只是特定環(huán)境下的特定功能的目標(biāo)作業(yè)，控制系 統(tǒng)的內(nèi)部包括控制算法和底層的接口等對用戶是一個(gè)“黑箱”。這種結(jié)構(gòu)不便于 對系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，同時(shí)也不便于對系統(tǒng)資源的共享和再利用，因而 造價(jià)高。 控制軟件的兼容性差。軟件的結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難于在不同的系統(tǒng)間 移植，同時(shí)也不便于軟件的升級或更新。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)封閉、專用、復(fù)雜，為提高系統(tǒng)的性能，常為多c p u 結(jié)構(gòu)，與 標(biāo)準(zhǔn)的p c 平臺不兼容，難以借用p c 技術(shù)的進(jìn)步而更新升級。 網(wǎng)絡(luò)功能弱，與外部的交互能力差。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)大多只有r s 一2 3 2 c 串行通 訊接口，速度只有幾十k b p s ，這不便于與外部的信息交互，是車間信息化和網(wǎng) 絡(luò)化的瓶頸。 針對傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的這些缺陷，研究和開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的高性能運(yùn) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)控制器是當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，越來越得到世界各國學(xué)者的 廣泛關(guān)注。 美國在八十年代末提出了開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有開放 柔性高、成本低、升級擴(kuò)展容易、投資風(fēng)險(xiǎn)性小和可以引入日新月異的p c 軟硬 件技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，是二十一世紀(jì)數(shù)控技術(shù)的必然發(fā)展方向。而多軸運(yùn)動(dòng)控制器在j 1 ： 放式數(shù)控系統(tǒng)扮演著重要的角色。以運(yùn)動(dòng)控制器作為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件可以明顯縮 短新產(chǎn)品的研制開發(fā)周期，有利于使用者創(chuàng)造自己的品牌產(chǎn)品。目前，由于以 d s p 為代表的高速高性能專用微處理器的出現(xiàn)和p c 機(jī)的廣泛普及，開放式運(yùn)動(dòng) 控制器的發(fā)展趨勢是以d s p 芯片作運(yùn)動(dòng)控制處理器，以p c 機(jī)作為信息處理平臺， 這樣將p c 機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力 有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通 用性好的特點(diǎn)。采用運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)將成為新一代數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流，運(yùn) 動(dòng)控制器將成為未來數(shù)控系統(tǒng)的核心。因此，自主開發(fā)一款基于p c 的具有高速、 高精度、使用靈活的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，不但克服了傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)的局限性， 而且實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的軟硬件模塊化功能的開放式數(shù)控系統(tǒng)，對數(shù)控技術(shù)的發(fā)展具 r 口 有重要的意義“。 1 2 運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀 1 2 1 概念 運(yùn)動(dòng)控制器是通過對以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備進(jìn)行速度和位置控制，以 實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)的裝置。可以說，只要有位置和速度控制的應(yīng)用場合就離 不開運(yùn)動(dòng)控制器，它以其特有的靈活性和優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力使許多工業(yè)生 產(chǎn)設(shè)備煥發(fā)出勃勃生機(jī)。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢就是采用運(yùn)動(dòng)控制器的開放式的數(shù) 控系統(tǒng)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器( 步進(jìn)、交流、直流) 的應(yīng) 用已走出機(jī)械加工行業(yè)，越來越多地應(yīng)用于其它工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制，如電子機(jī) 械、木工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等諸多行業(yè)。目前開放式數(shù)控技術(shù)的主要形 式就是采用“p c + 多軸運(yùn)動(dòng)控制器”，不僅具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、 運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確、通用性好等特點(diǎn)，而且還從很大程度上提高了現(xiàn)有加工制造 的精度、柔性和應(yīng)付市場需求的能力。美國將其稱為新一代的工業(yè)控制器，日本 稱其將帶來第三次工業(yè)革命，并預(yù)測其應(yīng)用將和現(xiàn)在的p l c 一樣普遍“。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 2 特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，實(shí)現(xiàn)開放性、互換性、可移植性和擴(kuò)展性是運(yùn)動(dòng)控 制技術(shù)的主要研究內(nèi)容，具有以下特點(diǎn)： 技術(shù)更新，功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，是傳統(tǒng)數(shù)控裝置 的換代產(chǎn)品； 結(jié)構(gòu)形式模塊化，可以方便地相互組合，建立適用不同場合、不同功能需求 的控制系統(tǒng)； 操作簡單，在p c 機(jī)上經(jīng)簡單編程即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，而不一定需要專門的 數(shù)控軟件。 能方便地與機(jī)床、機(jī)器人等被控設(shè)備聯(lián)接； 一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器從硬件上可以實(shí)現(xiàn)一到多個(gè)坐標(biāo)軸的位置、速度和軌跡伺服 控制，從軟件上具有完善的軌跡插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和伺服控制功能； 用它可以迅速、便捷地建立高層應(yīng)用程序與機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備的控制、測 試及數(shù)據(jù)交換，開發(fā)使用簡單； 由于它采用開放化的技術(shù)，具有維護(hù)、擴(kuò)展、升級方便的特點(diǎn)。 1 2 3 應(yīng)用 采用”p c + 運(yùn)動(dòng)控制器”的開放式系統(tǒng)在我國廣泛應(yīng)用和推廣，對于我國各類 機(jī)電一體化控制設(shè)備的升級，提高我國裝備工業(yè)水平將起到促進(jìn)作用?？＜夹g(shù)可 以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，具有非常好的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)效益。如： 食品加工：食品包裝，家禽修整加工，精密切肉機(jī)； 航天：天線定位控制，空間攝影控制，激光跟蹤控制，天文望遠(yuǎn)鏡； 機(jī)床：無心磨床，e d m 機(jī)床，激光切割機(jī)床，銑床，沖壓機(jī)床，快速成型機(jī)， 靠模銑床，螺紋機(jī)床，超聲焊接機(jī)，水射流切割； 產(chǎn)業(yè)制造：粘膠配料，軟管紡織機(jī)，繞線機(jī)，光纖玻璃拉伸機(jī)，龍門式輸送 臂，玻璃凈化爐，高速標(biāo)簽印刷機(jī)，標(biāo)簽粘貼機(jī)，包裝機(jī)械，飛剪； 材料輸送設(shè)備：紙板運(yùn)送，輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)，核反應(yīng)棒拆卸搬運(yùn)，包裝系統(tǒng)，碼 垛機(jī)； 醫(yī)療器械：人工咀嚼仿真器，血液分析儀，c a t 掃描儀，d n a 測試儀，測步 儀，醫(yī)療成像聲納，尿樣測試儀； 半導(dǎo)體測試及加工：晶片自動(dòng)輸送，盒帶搬運(yùn)，電路板特型銑，i c 插裝機(jī)， 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 晶片拋光機(jī)，晶片探測機(jī)，晶片切割機(jī)，引線焊接機(jī)： 測試及測量：座標(biāo)檢驗(yàn)，齒輪檢驗(yàn)，鍵盤測試，來料檢驗(yàn)，顯微儀定位，p c b 測試，焊點(diǎn)超聲掃描檢查； 紡織機(jī)械：自動(dòng)織袋機(jī)，地毯紡織機(jī)，珩縫機(jī)，紗綻卷繞機(jī)； 軍事：白行火炮，坦克等武器的火控系統(tǒng)，車( 船) 載衛(wèi)星移動(dòng)通信，飛機(jī) 的機(jī)載雷達(dá)“。 1 3 本課題解決的問題 以往的運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入p c 機(jī)，即”p c + 運(yùn)動(dòng)控制卡”的模式。其缺 點(diǎn)是使用不靈活，p c 與被控制的功率放大模塊之間距離太近，也容易引起干擾， 當(dāng)控制軸數(shù)多時(shí)，往外引線多，布線困難，可靠性差。由于計(jì)算機(jī)通用串行總線 ( u s b ) 已經(jīng)很普及，且速度越來越快，u s b l 1 的傳輸速率可達(dá)12 m b p s ，u s b 2 ，0 的傳輸速率達(dá)4 8 0 m b p s ，采用u s b 總線作為p c 與控制卡之間的通訊方式可以滿 足一般控制系統(tǒng)的要求。因此，本課題提出了以通用串行總線為基礎(chǔ)的多軸運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的多軸控制，具有下列各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)： 是p c 內(nèi)部總線運(yùn)動(dòng)控制卡外移的一種形式，它將上位機(jī)p c 的優(yōu)良性能與下 位機(jī)d s p 的實(shí)時(shí)特點(diǎn)完美的結(jié)合在一起。 u s b 是p c 的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)總線，這樣采用標(biāo)準(zhǔn)p c ，不用開箱通過外擴(kuò)多軸控制 卡和數(shù)控應(yīng)用軟件既可實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能。使得控制器可以隨處移動(dòng)，便于人員 操作。 外移控制卡使得n c 的連線方便，只需要一根u s b 接口線，如果需要延長距 離，加上中繼器即可。 成本低廉。 由于經(jīng)過了詳細(xì)的分析比較，采用的控制器主芯片在需要少量外擴(kuò)芯片的基 礎(chǔ)上，可以達(dá)到功能完善的實(shí)時(shí)控制任務(wù)，這使得硬件成本有所降低；另一方面， 由于將復(fù)雜的計(jì)算設(shè)計(jì)任務(wù)放在了上微機(jī)，則軟件的開發(fā)過程要容易的多且時(shí)間 加快，這也帶來了成本上的減少。 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 嵌入式多軸控制器的需求分析與總體設(shè)計(jì) 2 1 系統(tǒng)功能描述 數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)通用控制設(shè)備，從數(shù)控機(jī)床到產(chǎn)業(yè)機(jī)械都有它的應(yīng)用范圍， 這些設(shè)備對控制系統(tǒng)的要求各種各樣，但大多系統(tǒng)都存在著多軸控制與聯(lián)動(dòng)、丌 關(guān)量i o 和過程量的檢測與控制。本多軸控制器針對一般的應(yīng)用系統(tǒng)，考慮控制 軸數(shù)不超過4 軸，具有一定開關(guān)量輸入輸出控制能力。其基本要求如下： 系統(tǒng)具有可以控制四軸( 一個(gè)主軸，三個(gè)進(jìn)給軸) 的控制能力，每個(gè)控制電 路可控制交流伺服、直流伺服和步進(jìn)電機(jī)等； 系統(tǒng)具有正交編碼脈沖的捕獲能力。正交編碼脈沖是兩個(gè)頻率相同且正交 ( 相差9 0 度) 的方波。當(dāng)它由電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 方向可通過檢測兩個(gè)方波序列中的哪一列先到達(dá)來確定，角位置和轉(zhuǎn)速可由 方波數(shù)和方波頻率來決定。用a 、b 相代表正交的兩列脈沖，z 相每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一 個(gè)脈沖。每個(gè)進(jìn)給軸均有h o m e ( 原位) 、l i m i t + 及l(fā) i m i t 一開關(guān)、報(bào)警脈沖輸 出等； 系統(tǒng)將具備2 4 路數(shù)字信號的采集能力及1 6 路數(shù)字信號的輸出能力； 系統(tǒng)通過u s b 建立上位機(jī)p c 端與下位機(jī)器嵌入式多軸控制器的通訊： 系統(tǒng)將具有顯示信息、鍵盤控制、看門狗等功能，還具有r s 2 3 2 、s p i 的通 訊功能； 系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)低功耗、小體積、干擾小； 集成度高，并且功耗低； 可執(zhí)行各種復(fù)雜的多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，帶雙閉環(huán)和誤差補(bǔ)償功能； 可做直線、圓弧、電子齒輪等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制功能。 2 2 主控芯片c p u 的選型 任何以c p u 為主體構(gòu)成的嵌入式控制系統(tǒng)，其c p u 的選擇都是至關(guān)重要的。 c p u 不僅是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成系統(tǒng)主要功能的實(shí)施，其可靠性、易開發(fā) 性、價(jià)格等方面都需要仔細(xì)的斟酌。選擇一款好的處理器對產(chǎn)品開發(fā)會起到事半 功倍的作用。 目前的大多控制系統(tǒng)，主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)和d s p 控制系統(tǒng)。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 1單片機(jī)的概念及主要特點(diǎn) 概念：把微型計(jì)算機(jī)的主要功能部件c p u 、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、輸出 輸入接口電路、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、中斷控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器等部件 集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)叫做單片機(jī)。單片機(jī)是s i n g l ec h i p r 1 m i c r o c o m p u t e r 的簡稱。也叫微控制器m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，即m c u ”。o 特點(diǎn)：片內(nèi)存儲量大；抗干擾能力強(qiáng)：容易擴(kuò)展，控制能力強(qiáng)：有各種不 同性能的產(chǎn)品先滿足不同的應(yīng)用對象。 應(yīng)用：在通信、測控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，單片機(jī)的應(yīng)用與單純的高速海量 計(jì)算要求不同，它要求：直接面向?qū)ο?，即針對某一控制對象而控制，而不?用一套控制系統(tǒng)控制多處或多臺應(yīng)用體；嵌入到具體的應(yīng)用體中，而不是以具 體的通用計(jì)算機(jī)的面目出現(xiàn)；高抗干擾，能在現(xiàn)場可靠的運(yùn)行；體積小，滿足 嵌入需要：軟硬件結(jié)合，應(yīng)用靈活；突出控制功能，特別是對外信息的捕捉要 快速、多樣，并有豐富的i o 功能?？刂萍夹g(shù)的實(shí)踐證明，同時(shí)滿足這些要求 與滿足海量高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)兩者是不可兼得的。 缺點(diǎn)：速度、運(yùn)算能力、控制能力不如d s p 。 2 2 2 d s p 適合于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 接口方便：d s p 系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼 容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容 易得多； 編程方便：d s p 系統(tǒng)中的可編程d s p 芯片可使設(shè)計(jì)人員在丌發(fā)過程中靈活方 便地對軟件進(jìn)行修改和升級； 穩(wěn)定性好：d s p 系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小 可靠性高： 精度高：1 6 位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到的精度； 可重復(fù)性好； 集成方便； 改進(jìn)的哈佛機(jī)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)； 流水線操作采用硬件乘法器，一個(gè)指令內(nèi)可以完成加法及乘法； 特殊的d s p 指令； 快速的指令周期； 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 良好的多機(jī)并行運(yùn)行特性； 多種尋址方式： 片內(nèi)具有快速r a m ，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問； 具有低開銷或無丌銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； 快速的中斷處理和硬件i o 支持； 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作； 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行“。； 當(dāng)然，d s p 也存在一定的缺點(diǎn)。例如，d s p 系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘可能帶來高頻 干擾和電磁泄漏等問題，而且d s p 系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外，d s p 技術(shù)更新 的速度快，數(shù)學(xué)知識要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還不盡完善。 雖然d s p 系統(tǒng)存在著些缺點(diǎn)，但其突出的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使之在通信、語音、 圖像、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表等許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 而就本課題提出的嵌入式多軸控制器而言，d s p 比單片機(jī)更符合要求。 2 2 3 d s p 芯片的選擇 設(shè)計(jì)d s p 應(yīng)用系統(tǒng)，選擇d s p 芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了d s p 芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路?？偟膩碚f，d s p 芯片的選 擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。不同的d s p 應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場合、應(yīng)用 目的等不盡相同，對d s p 芯片的選擇也是不同的。一般來說，選擇d s p 芯片時(shí)應(yīng) 考慮到如下諸多因素。 2 2 3 1 d s p 芯片的運(yùn)算速度 運(yùn)算速度是d s p 芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇d s p 芯片時(shí)所需要 考慮的一個(gè)主要因素。d s p 芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來衡量： 指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以n s ( 納秒) 為單位。如 t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 在主頻為8 0 m h z 時(shí)的指令周期為1 2 5 n s ： m a c 時(shí)間：即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。大部分d s p 芯片可在一個(gè)指令 周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作，如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的m a c 時(shí)間就是 1 2 5 n s ； f f t 執(zhí)行時(shí)間：即運(yùn)行一個(gè)n 點(diǎn)f f t 程序所需的時(shí)間。由于f f t 運(yùn)算涉及的 運(yùn)算在數(shù)字信號處理中很有代表性，因此f f t 運(yùn)算時(shí)間常作為衡量d s p 芯片 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)； m i p s ：即每秒執(zhí)行百萬條指令。如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的處理能力為8 0m i p s ， 即每秒可執(zhí)行八千萬條指令； m o p s ：即每秒執(zhí)行百萬次操作。如t m s 3 2 0 c 4 0 的運(yùn)算能力為2 7 5m o p s ； m f i 。o p s ：即每秒執(zhí)行百萬次浮點(diǎn)操作。如t m s 3 2 0 c 3 1 在主頻為4 0 m h z 時(shí)的處 理能力為4 0m f l o p s ； b o p s ：即每秒執(zhí)行十億次操作。如t m s 3 2 0 c 8 0 的處理能力為2b o p s ”。 2 2 3 2 d s p 芯片的價(jià)格 d s p 芯片的價(jià)格也是選擇d s p 芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。如果采用價(jià)格 昂貴的d s p 芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍肯定會受到一定的限制，尤其是民 用產(chǎn)品。因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定個(gè)價(jià)格適中的d s p 芯片。當(dāng)然， 由于d s p 芯片發(fā)展迅速，d s p 芯片的價(jià)格往往下降較快，因此在開發(fā)階段選用某 種價(jià)格稍貴的d s p 芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價(jià)格可能已經(jīng)下降一半甚至更多。 2 2 3 3 d s p 芯片的硬件資源 不同的d s p 芯片所提供的硬件資源是不相同的，如片內(nèi)r a m 、r o m 的數(shù)量， 外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，t o 接口等。即使是同一系列的d s p 芯片( 如t i 的t m s z 2 0 c 5 4 x 系列) ，系列中不同d s p 芯片也具有不同的內(nèi)部硬件 資源，可以適應(yīng)不同的需要。 2 2 3 4d s p 芯片的字長 一般的定點(diǎn)d s p 芯片的字長為1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定點(diǎn)芯 片為2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮點(diǎn)芯片的字長一般為3 2 位，累 加器為4 0 位。 2 2 3 5 d s p 芯片的開發(fā)工具 在o s p 系統(tǒng)的開發(fā)過程中，開發(fā)工具是必不可少的。如果沒有開發(fā)工具的支 持，要想開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的d s p 系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果有功能強(qiáng)大的開發(fā)工具 的支持，如c 語言支持，則開發(fā)的時(shí)間就會大大縮短。所以，在選擇d s p 芯片的 同時(shí)必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具”。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 3 6d s p 芯片的功耗 在某些d s p 應(yīng)用場合，功耗也是一個(gè)需要特別注意的問題。如便攜式的d s p 設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的d s p 設(shè)備等都對功耗有特殊的要求。目前，3 3 v 供電的低功耗高速d s p 芯片已大量使用。 2 2 3 7 其它 除了上述因素外，選擇d s p 芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情 況、生命周期等。有的d s p 芯片可能有d i p 、p g a 、p l c c 、p q f p 等多種封裝形式。 有些d s p 系統(tǒng)可能最終要求的是工業(yè)級或軍用級標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時(shí)就需要注意到所 選的芯片是否有工業(yè)級或軍用級的同類產(chǎn)品。如果所設(shè)計(jì)的d s p 系統(tǒng)不僅僅是一 個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而是需要批量生產(chǎn)并可能有幾年甚至十幾年的生命周期，那么需要 考慮所選的d s p 芯片供貨情況如何，是否也有同樣甚至更長的生命周期等。 在上述諸多因素中，一般而言，定點(diǎn)d s p 芯片的價(jià)格較便宜，功耗較低，但 運(yùn)算精度稍低。而浮點(diǎn)d s p 芯片的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算精度高，且c 語言編程調(diào)試方便， 但價(jià)格稍貴，功耗也較大。例如t i 的t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 4 x 系列屬于定點(diǎn)d s p 芯片， 低功耗和低成本是其主要的特點(diǎn)。而t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 6 7 x 屬于浮點(diǎn)d s p 芯片， 運(yùn)算精度高，用c 語言編程方便，開發(fā)周期短，但同時(shí)其價(jià)格和功耗也相對較高。 d s p 應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力為多大的d s p 芯片的基礎(chǔ)。運(yùn)算 量小則可以選用處理能力不是很強(qiáng)的d s p 芯片，從而可以降低系統(tǒng)成本。相反， 運(yùn)算量大的d s p 系統(tǒng)則必須選用處理能力強(qiáng)的d s p 芯片，如果d s p 芯片的處理能 力達(dá)不到系統(tǒng)要求，則必須用多個(gè)d s p 芯片并行處理。 綜上所述，根據(jù)系統(tǒng)的需求，在本設(shè)計(jì)中選擇t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作為系統(tǒng)的主 控芯片。 2 2 4 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片特點(diǎn) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片作為d s p 控制器2 4 x 系列的新成員，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平 臺下的一種定點(diǎn)d s p 芯片。2 4 0 x 芯片為c 2 x x c p u 功能強(qiáng)大的t m s 3 2 0 d s p 結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力，對電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用； 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基礎(chǔ)上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 有以下一些特點(diǎn)： 采用高性能靜態(tài)c m o s 技術(shù)，使得供電電壓降為3 3 v ，減小了控制器的功耗； 4 0m i p s 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到2 5 n s ( 4 0m h z ) ，從而提高了控制器 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 的實(shí)時(shí)控制能力； 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核保證了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代碼和t m s 3 2 0 系列d s p 代碼兼容； 片內(nèi)高達(dá)3 2 k 字的f l a s h 程序存儲器，高達(dá)2 5 k 字的數(shù)據(jù)程序r a m ，其 中5 4 4 字雙口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的單口r a m ( s a r a m ) ； 兩個(gè)事件管理器模塊e v a 和e v b ，每個(gè)包括：兩個(gè)1 6 位通用定時(shí)器；8 個(gè)1 6 位的脈寬調(diào)制( p w m ) 通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；p w m 的對稱和非 對稱波形；當(dāng)外部引腳p d p i n t 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉p w m 通道；可編程的 p w m 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖：3 個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電 編碼器接口電路；1 6 通道a d 轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感 應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器： 可擴(kuò)展的外部存儲器( l f 2 4 0 7 ) 總共1 9 2 k 字：6 4 k 字程序存儲器；6 4 1 ( 字?jǐn)?shù)據(jù) 存儲器：6 4 k 字i 0 尋址空間； 看門狗定時(shí)器模塊( w d t ) ； 1 0 位a d 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)問為5 0 0n s ，可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā) 的兩個(gè)8 通道輸入a d 轉(zhuǎn)換器或一個(gè)1 6 通道輸入的a d 轉(zhuǎn)換器； 控制器局域網(wǎng)絡(luò)( c a n ) 2 ob 模塊； 串行通信接口( s c l ) ； 1 6 位的串行外設(shè)接口模塊( s p i ) ： 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器； 高達(dá)4 0 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳( g p i o ) ； 5 個(gè)外部中斷( 電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷) ； 電源管理包括3 種低功耗模式，并且能獨(dú)立將外沒器件轉(zhuǎn)入低功耗模式”。 2 3 系統(tǒng)總體功能框圖 根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，繪制圖2 - i 之功能框圖 u s b 部分將作為下位機(jī)與上位機(jī)的通訊方式； x 2 5 0 4 5 部分則用來存儲少量參數(shù)以及保證系統(tǒng)可靠復(fù)位運(yùn)行： l c d 顯示部分用來調(diào)試、設(shè)置、指示； 鍵盤用來輸入信息、命令； r a m 部分用來存儲數(shù)據(jù)或作為調(diào)試時(shí)的程序存儲區(qū)； 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 電源部分將選擇具有多種電壓輸出的開關(guān)電源來給不同的芯片及模塊供電； c p l d 部分作為譯碼、總線擴(kuò)展在一些模塊與d s p 之間；接口的邏輯控制； 系統(tǒng)的電機(jī)控制前向輸出通道將由光電隔離器+ 差分電路組成；系統(tǒng)的電機(jī) 后向輸入通道反饋由差分電路+ c p l d 組成； 系統(tǒng)的d i o 將由光電隔離器+ c p l d 組成； 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章重點(diǎn)講述多軸控制器的硬件設(shè)計(jì)基本方法和原則，包括各種串行接口的 比較，u s b 作為高速通信方式的優(yōu)點(diǎn)；系統(tǒng)復(fù)位及防死機(jī)的措施；系統(tǒng)時(shí)鐘及晶 振的特點(diǎn)；系統(tǒng)前向及后向通道的確定等問題。 3 1 p c 與控制器通訊方式的分析、比較與芯片選擇、原理圖設(shè) 計(jì) 在本課題的這種p c 總線外移方式的多軸控制器中，上位機(jī)與下位機(jī)的通訊 是非常重要的，不但要保證其傳輸?shù)目煽啃裕乙惨M量提高傳輸速度，提 高實(shí)時(shí)性。因此，要對各種串行總線進(jìn)行分析比較，選擇其中適合本多軸控制 器與計(jì)算機(jī)通訊的方式。 3 1 1 常用計(jì)算機(jī)串行通訊接口的比較 表3 - 1 常用計(jì)算機(jī)串行通訊接口的比較 接口格式設(shè)備的最大最大傳輸距離最大速度用途 數(shù)目( 英尺)( b s ) 1 6 ( 或是到9 6 1 5 m ，1 2 m ，鼠標(biāo)、鍵盤、硬盤、 u s b異步串行1 2 7英尺，使用54 8 0 m 調(diào)制解跳器，音頻 個(gè)集線器) r s 一2 3 22 0 k ( 有些硬調(diào)制解調(diào)器、 ( e i a t i a 一2異步串行 2 5 0 一1 0 0件可以到鼠標(biāo)、儀器 3 2 )1 1 5 k ) r s 4 8 53 2 ( 有些硬 數(shù)據(jù)存耿與控 ( t i a e i a 一4異步串行件可以到4 0 0 01 0 m系統(tǒng) 8 5 )2 5 6 個(gè)設(shè)備) i r d a異步串行紅261 1 5 k打印機(jī)、手持計(jì) 外線算機(jī) m i c r o w i r e同步串行8l o2 m微處理器通信 s p i同步串行81 02 1 m微處理器通信 1 2 c同步串行4 01 83 4 f l微處理器通信 i e e e 一串行 6 41 54 0 0 f l 1 3 9 4 ( f i r e w( 1 e e e 影像。大容量存 a r e )1 3 9 4 b 可以到設(shè)備 3 2 g ) e t h e r n e t串行1 0 2 41 6 0 01 0 m l o o m 網(wǎng)絡(luò)p c 1 g m i d i串行循環(huán)2 ( 使用f l o w t h r o u g h 5 03 1 5 k 音樂控制 模式更多) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 從上表中分析可得，r s - - 2 3 2 4 8 5 i r d a m i d i 的傳輸速度較慢，而 m i c r o w i r e 、s p i 、1 2 c 雖然具有較快的傳輸速度，但她們都不是p c 標(biāo)準(zhǔn)配置中 的總線，如果選用這些總線，p c 中還要插卡進(jìn)行總線轉(zhuǎn)接，不合適。而e t h e r n e t 的協(xié)議過于復(fù)雜，對d s p 而言，開發(fā)過程可能較長。因此我們將重點(diǎn)介紹u s b 與i e e e l 3 9 4 兩種總線方式“。 3 1 2u s b 芯片特點(diǎn)、功能綜述、選型、原理圖設(shè)計(jì) 3 1 2 1u s b 簡介 通用串行總線( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是用于將適用u s b 的外圍設(shè)備連接 到主機(jī)的外部總線結(jié)構(gòu)，其主要是用在中速和低速的外設(shè)。u s b 是通過p c i 總線 和p c 的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。u s b 同時(shí)又是一種通信協(xié)議， 他支持主系統(tǒng)( h o s t ) 和u s b 的外圍設(shè)備( d e v i e e ) 之間的數(shù)據(jù)傳送，在u s b 的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議中，每個(gè)u s b 的系統(tǒng)有且只有一個(gè)h o s t ，因此不能將兩臺p c 的u s b 口通過 a a 頭連接起來實(shí)現(xiàn)通信，因?yàn)閷τ陔娔X主板上的u s b 設(shè)備，都是h o s t ，如果連 起來就是兩個(gè)h o s t 的通信，這樣一來的一個(gè)u s b 的系統(tǒng)有了兩個(gè)的h o s t ，與它 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議沖突。1 3 1 2 2u s b 的組成 u s b 規(guī)范中將u s 8 分為五個(gè)部分：控制器、控制器驅(qū)動(dòng)程序、u s 8 芯片驅(qū)動(dòng)程 序、u s b 設(shè)備以及針對不同u s b 設(shè)備的客戶驅(qū)動(dòng)程序。 控制器( h o s tc o n t r o l l e r ) ：主要負(fù)責(zé)執(zhí)行由控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出的命令。 控制器驅(qū)動(dòng)程序( h o s tc o n t r o l l e td r i v e r ) ：在控制器與u s b 設(shè)備之間建立 通信信道。 u s b 芯片驅(qū)動(dòng)程序( u s bd r i v e r ) ：提供對u s b 的支持。 u s b 設(shè)備( i j s bd e v i c e ) ：包括與p c 相連的u s b 外圍設(shè)備，分為兩類，一類設(shè)備 本身可再接其它u s b 夕b 圍設(shè)備，另一類設(shè)備本身不可再連接其它外圍設(shè)備，前 者稱為集線器( h u b ) ，后者稱為設(shè)備( f u n c ti o n ) ?；蛘哒f，集線器帶有連接 其它外圍設(shè)備的u s b 端口，而設(shè)備則是連接在計(jì)算機(jī)上用來完成特定功能并 符合u s b 規(guī)范的設(shè)備單元。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序( c 1 i e n td r i v e rs o f t w a r e ) ：就是用來驅(qū)動(dòng)u s b 設(shè)備的程序， 通常由操作系統(tǒng)或u s b 設(shè)備制造商提供“一。 1 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 2 3u s b 的優(yōu)點(diǎn) 設(shè)備安裝和配置容易：安裝u s b 設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減己安裝過的設(shè)備 完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有u s b 設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進(jìn)行自動(dòng)配置， 徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。u s b 為所有的u s b 外設(shè)提供了單一 的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。這樣一來就簡化了u s b 外設(shè)的設(shè)計(jì)，同時(shí) 也簡化了用戶在判斷哪個(gè)插頭對應(yīng)哪個(gè)插槽時(shí)的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通 用接口； 系統(tǒng)資源占用：u s b 排除了各個(gè)設(shè)備象鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、鍵盤和打印機(jī)設(shè) 備對去系統(tǒng)資源的需求，因而減少了硬件的復(fù)雜性和對端口的占用，整個(gè)的 u s b 的系統(tǒng)只有一個(gè)端口和一個(gè)中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源； u s b 支持熱插拔( h o tp l u g ) ：也就是說在不關(guān)p c 的情況下可以安全的插上和 斷丌u s b 設(shè)備，動(dòng)態(tài)的加載驅(qū)動(dòng)程序。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如s c s i 設(shè)備等必須在關(guān)掉主機(jī)的情況下爿能增加或移走外圍設(shè)備； u s b 支持p n p ：當(dāng)插入u s b 設(shè)備的時(shí)候，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測該外設(shè)并且通過自 動(dòng)的加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序來對該設(shè)備進(jìn)行配置，并使其正常工作； u s b 在設(shè)備供電方面提供了靈活性：u s b 直接連接到h u b 或者是連接到h o s t 的設(shè)備可以通過u s b 電纜供電，也可以通過電池或者其它的電力設(shè)備來供電， 或使用兩種供電方式的組合并且支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式： 速度快：u s b i 1 有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為1 2 m b p s ， 另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等，u s b 還提供低速方式，速率為1 5 m b s ： 易于擴(kuò)展：通過使用 【u b 擴(kuò)展可撥接多達(dá)1 2 7 個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)u s b 電纜長度為 3 m ( 5 m 低速) 。通過h u