對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床實行USB接口改造的實踐探索

圖4 改造后的DNC接口板結(jié)構(gòu)其中，SIE是串行接口引擎，是USB接口的核心模塊。如果CPU包含了USB接口，則CPU直接與負(fù)責(zé)實現(xiàn)USB協(xié)議要求主要功能的SIE核心模塊連接，否則，CPU則需通過串行總線，如I2C或數(shù)據(jù)地址線I/O口與SIE相連。

兩種硬件改造在USB接口實現(xiàn)上有本質(zhì)的區(qū)別：前者USB/RS232轉(zhuǎn)換器所用的USB芯片屬于USB接口芯片，從硬件結(jié)構(gòu)上來說僅包含USB的串行接口引擎（SIE）、FIFO內(nèi)存、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器等芯片；后者則屬于內(nèi)含USB單元的微處理器（MPU），即芯片包含了增強版的8051核心，可以通過I/O與原有CPU相連，甚至可以直接去驅(qū)動步進(jìn)電機，完成數(shù)控任務(wù)。

3. 軟件設(shè)計

(1)USB/RS232

這種結(jié)構(gòu)可以直接使用，不需要另外編制驅(qū)動程序。

(2)對直接改造DNC接口板的，要采用EZ-USB的固件開發(fā)

可以使用Cypress USB仿真器軟件——Cypress Lab中的Keil C Complier工具。該應(yīng)用程序是由Cypress半導(dǎo)體公司為配合USB芯片組的開發(fā)所研制出來的。通過編制相應(yīng)程序，可將編譯后的文件直接燒錄至EEPROM中，從而完成USB的固件設(shè)計。也可以采用CYASM匯編語言，這是一種只有38個精簡指令的編譯器程序，同樣將編譯好的16進(jìn)制格式文件（.hex）燒錄至EEPROM中使用。其主要功能是控制EZ-USB芯片接受并處理USB驅(qū)動程序的請求(請求設(shè)備描述符、請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請求設(shè)備設(shè)置、請求或設(shè)置設(shè)備接口等共11種USBl.1標(biāo)準(zhǔn)請求)；控制EZ-USB芯片接受應(yīng)用程序的控制指令；控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集；通過EZ-USB存儲數(shù)據(jù)并實時上傳PC機。

(3)在Windows系統(tǒng)下編制USB驅(qū)動程序

USB總線是支持熱插拔的，當(dāng)Windows檢測到一個新的USB外設(shè)時，必須做的一件事情是找出應(yīng)該使用哪個設(shè)備驅(qū)動應(yīng)用軟件來與設(shè)備通信，然后再載入選定的驅(qū)動。這是Windows設(shè)備管理器的工作，設(shè)備管理器使用類、設(shè)備安裝器和INF文件來找到這個匹配。當(dāng)Windows列舉新的USB設(shè)備時，設(shè)備管理器把所有INF文件中的數(shù)據(jù)(設(shè)備供應(yīng)商和產(chǎn)品的ID，也稱作VID和HD，以及制造商、供應(yīng)商名字和描述符等)與在列舉時從設(shè)備獲得的描述符中的信息做比較。找到匹配之后，Windows系統(tǒng)注冊表將保存所有已安裝設(shè)備的信息。在位置HKEY_L0CAL_ MACHINEEnum USB處，將列出所有的USB設(shè)備。

由于在Windows 98中提供了USBD(USB系統(tǒng)驅(qū)動程序)，且USBD又給用戶提供了直接支持的USB DI，用戶在編寫USB驅(qū)動程序時，只需配置滿足USB要求的URB(USB請求塊)，并通過USB DI發(fā)送下去，即可實現(xiàn)對USB設(shè)備的控制。設(shè)備驅(qū)動是保證應(yīng)用程序訪問硬件設(shè)備的軟件組件，一個設(shè)備驅(qū)動使得應(yīng)用程序不必知道物理連接、信號和與一個設(shè)備通信需要的協(xié)議等的細(xì)節(jié)。應(yīng)用程序可以使用一套操作系統(tǒng)支持的函數(shù)與設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行通信。用于讀寫USB設(shè)備的API函數(shù)是Creat Ne、Device Io Control或Read File和Write File。

把所有與設(shè)備有關(guān)的驅(qū)動操作編譯為DLL，提供給應(yīng)用程序使用。應(yīng)用程序無需知道操作設(shè)備的細(xì)節(jié)，只需知道DLL的接口函數(shù)即可。下面給出對USB設(shè)備基本操作函數(shù)的例子。

CreateFile(TEXT("\\.\Ez-USB"),GENERIC_READ,FILE_SHARE_ READ|FIlE_SHARE_WRITE，NULL,OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL)

第1個參數(shù)是需打開的設(shè)備名；第2和第3個參數(shù)分別為授權(quán)讀寫和共享模式；第4個參數(shù)為安全屬性，一般為NULL；第5個參數(shù)為打開方式(對USB設(shè)備來說應(yīng)該是打開已存在的)；第6個參數(shù)是異步交替模式；第7個參數(shù)為模板文件，這里并不需要。函數(shù)返回值為設(shè)備指針。

Device Io Control(hUSB, (DWORD)wFuncNum, (PVOID)pParam, (DWORD) dwSize,NULL,0,Returned,NULL)

hUSB為通過CreatFile所獲得的設(shè)備指針；wFunHum為設(shè)備操作代碼，具體可查閱CYPRESS公司或USBD提供的標(biāo)準(zhǔn)代碼；pParam為執(zhí)行操作的請求數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針；dwSize為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小，緊跟其后的兩個參數(shù)分別為操作的輸出數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)指針和大小，一般為NULL和0即可；Returned為操作返回指針；最后一個參數(shù)為異步操作，為NULL即可。

使用前先定義好請求數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，獲得設(shè)備指針后即可用相應(yīng)的操作代碼對USB設(shè)備進(jìn)行操作了。

以上的設(shè)備驅(qū)動程序和上層應(yīng)用軟件已在VC6．0下調(diào)試通過。

四、總結(jié)

通過上述的軟硬件改造，使經(jīng)濟(jì)型數(shù)控與PC之間具備了一個新的接口——USB接口。這種改造有助于提高經(jīng)濟(jì)數(shù)控系統(tǒng)與PC相配置的靈活性和多樣性，甚至我們可以用1臺PC來控制一條小型流水線上的所有NC。這不僅大大減少了安裝、配置時間，降低了故障率，減少了操作工人數(shù)量，更可以與相關(guān)軟件配合，實現(xiàn)并行制造，使ＮＣ的利用率達(dá)到最大，并使經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)功能，可以通過PC連入Internet/Intranet，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。