基于USB通信的科氏粉料流量測控系統(tǒng)設計

引言

目前，由北京航空航天大學與冀東發(fā)展集團有限責任公司合作研發(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)成功應用到工業(yè)現(xiàn)場，運行狀況良好，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)的各個參數(shù)進行修改，同時研發(fā)人員在進行現(xiàn)場調(diào)試時進行流量數(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的相關研究工作，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現(xiàn)，然而，這樣會增加CPU處理數(shù)據(jù)的負擔，導致通信數(shù)據(jù)不正確的情況發(fā)生，降低底層程序性能。同時RS-232串口通信為端到端傳輸模式，在實際運行時，上層應用程序無法對當前通信狀態(tài)進行實時監(jiān)測，不利于測控系統(tǒng)對各個設備運行狀態(tài)的準確實時監(jiān)測和控制。

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

1 USB設備簡介

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

2 測控系統(tǒng)USB通信設計

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4個部分。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實時操作系統(tǒng)構成。主要通過對應的命令方式完成對外設進行控制、傳感器測量信號采集、粉料流量計算與控制。

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

系統(tǒng)外設主要包括變頻器、繼電器、電動機以及各類信號終端。系統(tǒng)底層通過對應的命令方式對外設進行控制，或對傳感器測量信號進行采集。

2.1 測控系統(tǒng)底層USB通信設計

STM32為ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，自帶USB全速設備接口，支持USB2.0通信協(xié)議，可配置1～8個USB端點，包含512字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。因此，基于STMS2的USB通信設計可以有效簡化系統(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接口用于實現(xiàn)對測控系統(tǒng)USB通信功能控制，USBENABLE用于底層應用程序控制USB設備的連接狀態(tài)。

2.1.1 HID設備內(nèi)核定義

在進行USB通信設計之前，必須完成USB設備的底層驅動設計。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于USB設備的相關定義即可。在該庫中，提供了完整的HID設備定義所需描述符，包括設備描述符、配置描述符、報告描述符、廠商字符串、產(chǎn)品字符串等。只需根據(jù)需要進行相關描述符的修改即可滿足要求，在此，只針對設備描述符、配置描述符、報告描述符做簡要介紹。

(1)設備描述符

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

設備類：HID設備。

最大包大小：64字節(jié)。

配置個數(shù)：1。

(2)配置描述符

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

接口個數(shù)：1。

接口端點個數(shù)：2(一個IN端點和一個OUT端點)。

端點最大包大?。?4字節(jié)。

(3)報告描述符

HID設備要和主機進行正常通信，必須在主機對設備枚舉時提供完整的通信報文描述符，主機將根據(jù)設備提供的報告描述符進行USB通信控制。在報告描述符中可以定義多個報告(輸入報告、輸出報告)，在這里，只定義一個輸入報告和一個輸出報告，其中報告大小均為64字節(jié)。

2.1.2 基于μC/OS—II的USB通信設計

μC/OS—II為多任務實時操作系統(tǒng)，通過多任務的編程方式易于實現(xiàn)具有較高性能的嵌入式系統(tǒng)。目前測控系統(tǒng)包含5個任務：

CACULATE_TASK：計算任務，完成粉料流量的計算。

CTRL_TASK：控制任務，完成測控系統(tǒng)流量的控制。

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

UART_TFASK：串口通信任務，完成串口的數(shù)據(jù)交換。

DETECT_TASK：檢測任務。實時監(jiān)測測控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

基于此，測控系統(tǒng)底層應用程序新增USB通信數(shù)據(jù)接收任務USBCOMRX_TASK和數(shù)據(jù)發(fā)送任務USBCOMTX_TASK。其中，USBCOMRX_TASK任務實時接收上層應用程序下發(fā)的命令，并將命令進行解析處理;USBCOMTX_TASK任務實時將相關數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到上層應用程序。

為提高通信數(shù)據(jù)的可靠性，設計了專用的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。圖3為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)結構示意圖，其最小單位為數(shù)據(jù)包。

在程序設計時有如下定義：

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接收中斷服務子程序中將接收到的數(shù)據(jù)包復制到該緩沖區(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，將待發(fā)送數(shù)據(jù)填充到相應的緩沖區(qū)中，并更新DataStop值，然后利用該信號量通知USBCOMTX_TASK進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖4為USBCOMRX_TASK任務流程圖。當任務收到接收信號量時，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任務流程圖。當任務收到發(fā)送信號量時，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通信設計

系統(tǒng)上層為基于C#語言的Windows應用程序，基于此進行測控系統(tǒng)上層USB通信設計。測控系統(tǒng)上層USB通信設計主要有兩個方面：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)進行監(jiān)測，完成USB正常通信之前的準備工作。為實現(xiàn)USB連接狀態(tài)的實時監(jiān)測，采用線程的方式進行設計。

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

2.2.2 USB數(shù)據(jù)通信

在Windows操作系統(tǒng)中，應用程序通過文件操作的方式使用USB設備。在USB連接狀態(tài)監(jiān)測線程中，如果查找到目標HID設備，會創(chuàng)建相應的文件操作句柄供應用程序使用。

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，相應的請求函數(shù)即刻返回，將剩余的工作交由USB驅動程序完成;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用程序處理通信數(shù)據(jù)的實時性。在此采用同步讀和異步寫的方式進行USB通信。

采用同步讀方式通信時，若底層沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送，則當前線程會處于堵塞狀態(tài)，直到讀取到數(shù)據(jù)線程恢復運行。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)值對應的USB設備連接狀態(tài)。

當應用程序需要通過USB總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先會檢測當前USB設備的連接狀態(tài)，若狀態(tài)為“連接正常”，則調(diào)用WriteFile()函數(shù)進行相應數(shù)據(jù)發(fā)送。

結語

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

①采用USB全速通信方式，通信速率高達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串口通信的應用局限性，進行了測控系統(tǒng)的USB通信設計，提高了科氏粉料流量測控系統(tǒng)的靈活性和應用可擴展性，在今后的市場中將具有更廣闊的應用前景，同時，該測控系統(tǒng)的USB通信設計方法對嵌入式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有_定的參考價值。