1 、引言

基于PC機各種總線的步進電機或數字式伺服電機的上位控制單元，總線形式多種多樣，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術。通常使用的是基于ISA總線、PCI總線。由于計算機主板的更新換代，ISA插槽使用的越來越少了PCI總線的運動控制卡成了目前的主流。但是PCI總線存在一些缺陷：易受機箱內環境的影響，受計算機插槽數量的地址、中斷資源的限制而不可能掛接很多設備等。USB總線具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優點，其中USB2.0標準有著高達480MB/s的傳輸速率，已經逐漸成為計算機接口的主流。而且，通用串行總線USB為多點數據采集提供了很大的便利，利用USB可以實現比傳統方式更有效、更經濟、點數更多的數據采集。USB數據總線已經在各種計算機上得到普及，成為計算機的標準設備。

2、 系統體系結構

基于USB總線的運動控制平臺及采集卡系統按照功能的劃分，主要包括3個方面：USB接口設計，通過USB接口實現PC機與單片機的通訊；電機的驅動，采用電機驅動芯片UC3717A；數據采集問題，數據采集的目的是為了監控外界情況，步進電機的工作環境例如溫度，以及捕獲運動軌跡等，它是通過傳感部件利用傳感器監控外界，將采集的信息作模數轉換后傳遞到單片機，由單片機送到微機，作分析、顯示。系統的體系結構如圖1所示。

系統的工作過程就是一個數據采集和控制步進電機運行的過程，其中的每一步都需要不同組的支持。首先，溫度和壓力參數經傳感器轉換成模擬信號，模擬信號經過A/D轉換變單片機可識別的數字信號；接著單片機將數字信號進行處理之后，就可以送往LED顯示或者發送給USB接口芯片；然后USB接口芯片在主機需要的時候，把接收到的數據經USB總發送給主機進行處理和顯示；最后將處理的結果經USB總線和單片機來控制步進電機的運行。

3、系統的硬件電路設計

USB數據采集系統的硬件電路結構主要包括以下幾個部分：USB通信電路部分、數據采集電路部分、步進電機驅動。模塊的功能都是在以ATmega16為核心的硬件平臺上實現的。

3.1 USB通信電路的設計

USB通信電路的功能是實現數據采集系統設備端和主機端之間的通信，這一功能主要是由核心微控制器ATmega16和USB控制器件PDIUSBD12實現的。其中，PDIUSBD12是符合USB1.1協議的芯片，在USB通信電路中起著聯系設備和主機的橋梁的作用。微控制器ATmegal6和USB控制器PDIUSBD12之間通過8位并行總線進行通信，8位并行總線在ATmegal6端需要連接8個I/O口。PDIUSBD12片內集成了時鐘乘法PLL，晶振電路使用6MHZ的晶振和兩個2pF到68pF的電容。PDIUSBD12的信號輸出端D+/D-上要各串接一個18歐的匹配電阻。通信電路如圖2所示。

3.2 數據采集電路的設計

數據采集電路的功能就是將現場的溫度、壓力以及應力等數據轉換成合適的模擬信號，再把模擬信號傳送給A/D轉換電路。此模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊兩部分。

溫度數據采集使用了DS18B20，它是美國Dallas公司生產的數字化溫度傳感器，世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。測量溫度范圍為-55°C～+125°C。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。新一代的DS18B20體積更小、更經濟、更靈活。將采集的溫度送至ATmegal6內部的采樣保持電路，然后進行放大、A/D轉換，再經過固件程序的換算就可以得到測量溫度了。

在本系統中，測量壓力采用的器件是廣州森納士儀器有限公司生產的壓力變送器，其量程是0.0lMPa，輸出信號是4~20mA的電流。當壓力改變時，輸出電流也隨之發生變化，所

以在信號輸出端接一個精密電阻，然后對電阻兩端的電壓進行采樣和轉換，再經過固件程序的換算就可以得到測量壓力了。

3.3步進電機驅動電路設計

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

電機驅動電路主要由驅動芯片組成，本系統使用的電機驅動芯片為UC3717A。UC3717A芯片使用非常簡單，它通過3個輸入管腳（Phase、I1和I0）分別圖單片機引腳連接來接收輸入的參數，在2個輸出管腳（Aout和Bout）上與電機連接輸出相應的控制信號。由于UC3717A包含一個H橋，因此電機驅動電路有兩片UC3717A對應部分相連構成完整的驅動電路。如3微部分驅動電機驅動電路圖。

3.4 LED顯示電路設計

如圖4所示，該系統的顯示是使用的靜態顯示，應用74LS164的串入并出的特點，將顯示編碼通過單片機的串口發送到74LS164上鎖存而實現穩定的靜態顯示。在74LS164和數碼管之間串接1K的電阻限制電流，起到保護作用。

4、系統的軟件設計

USB數據采集系統是一個多任務系統，而且程序結構也比較復雜，為了提高開發率，增強系統的穩定性，降低開發和維護成本，就需要一個嵌入式操作系統作為系統發和運行的平臺。μC/OS-Ⅱ作為一個源碼公開的免費型嵌入式實時操作系統，其穩定性好、可靠性高，而且μC/OS-Ⅱ還具有移植性好、可固化、可裁剪等特點，非常適合作為USB數據采集系統的開發平臺。

USB數據采集系統的軟件由三個部分組成：USB設備固件程序、主機PC上的USB設備驅動程序和主機上的客戶應用程序。系統軟件的組成及各部分之間的關系如圖5所示。

設備固件程序按功能可以劃分為USB通信程序、單片機上的A/D轉換程序和LED顯示程序，以及單片機對步進電機驅動芯片控制程序，其中USB通信程序是整個固件程序的主要部分，其功能是實現USB設備枚舉和數據傳輸。USB設備枚舉是USB設備插上之后，主機與設備交換信息并自動配置的過程，枚舉成功后，USB接口與主機就可以進行通信了。

設備驅動程序是連接設備和主機應用程序的紐帶，它向上提供應用程序的訪問接口（API），向下則實現對具體設備的訪問和管理功能。驅動程序與設備硬件和上層用戶程序密切相關，在USB體系的中間起到信息轉換和傳遞的中介作用。在開發USB設備時，設備驅動程序的設計是一個非常重要的環節，直接影響到整個設備系統的性能。本系統采用Driverworks開發WDM型USB設備驅動程序

應用程序的主要功能是在設備驅動程序中查找設備，與設備交換數據，并將設備發送來的數據進行處理和顯示。應用程序和驅動程序的通信是通過訪問應用程序接口（API）函數實現的，所以應用程序的開發必須在能訪問API函數的平臺上進行。Microsoft公司提供的Visual Studio .NET是一種功能強大的支持API函數的編程工具，本設計的主機應用程序就是以.NET為平臺進行開發的，其功能主要包括查找USB設備，與USB設備交換數據和動態顯示數據曲線。

5、 總結

本文的創新點是改變了傳統的用微機PCI、ISA、串并行口做通訊口，改用高速的USB接口作為通訊口，有利于速度的提高，也方便了使用及攜帶，為以后的改進和擴展提供了余地；其次，將數據采集功能集合到控制卡里，也是本文的一個特點：電機運動過程中，為了監控驅動器的工作環境，需要采集溫度數據；同時將運動軌跡的有關數據采集進來，作為插補和調整的依據，并且將輸出電機的運動命令和及時傳回電機軌跡狀態相結合，形成了控制平臺和數據采集為一體的模塊，數據采集的過程是個實時的過程，是在電機運動中同步完成的；最后本系統是開放性的實時系統。該項目實施半年以來，創造經濟效益60多萬元。

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