EDUROBOT-680-II型教學機器人是上海交通大學機器人研究所采用世界銀行貸款研制的一種五自由度多關節(jié)的機器人。它具備工業(yè)機器的基本功能、良好的開放性以及舒適的使用界面，主要大專院校和科研機構(gòu)提供教學和科研工具。學生可以通過親手操作了解和學習工業(yè)機器人，它具備工業(yè)機器人的基本功能、良好的開放性以及舒適的使用界面，主要為大專院校和科研機構(gòu)提供教學和科研工具。學生可以通過親手操作了解和學習工業(yè)機器人，科研人員還可對它進行二次開發(fā)。 教學機器人的上位機（主控計算機）和下位機（運動控制器）原先采用并行口（LPT1）的SPP方式進行通信。利用LPT1的狀態(tài)寄存器（Status Port）具有的讀能力和每次傳送半字節(jié)（Nibble）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送功能。每次傳送的時序（次序）由軟件建立，在控制字的協(xié)調(diào)下按照教學機器人的通信協(xié)議接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 目前USB越來越普及，正逐漸取代串口和并口在計算機接口中的地位。為了研究USB在實時通信時的性能，筆者已將教學機器人上下位機通信改用USB端口實現(xiàn)。 1 USB特點及其應用 通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是1994年底由Compaq、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的一種計算機接噪覆亡，目前已發(fā)展到USB2.0。由于USB具有以下幾方面的特點，所以迅速普及，逐漸確定了在計算機接口中的主導地位。 （1）易用性。USB支持熱插拔和即插即用。 （2）可擴展性。用戶可以通過連接USB集線器到一個已有的端口來增加USB端口數(shù)量，集線器上還可以連更多的集線器。理論上可以連接127個外設到USB總線上。 （3）快速性。USB1.1版規(guī)定了兩種傳輸速率：低速傳輸和全速傳輸。低速傳輸?shù)乃俾适?.5Mbps，全速是12Mbps。這不但遠遠高于傳統(tǒng)的串口傳輸速率，也比并口傳輸快了好多倍。最近推出的USB2.0允許的最高傳輸速率高達480Mbps。 （4）可靠性。USB的可靠性來自硬件設計和USB數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩方面的保證。USB驅(qū)動器、接收器和電纜的硬件規(guī)范消除了大多數(shù)可能引起數(shù)據(jù)錯誤的噪聲；USB協(xié)議使用了差錯校驗和數(shù)據(jù)重傳機制，可以最大程度保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。 （5）內(nèi)置電源。USB總線內(nèi)置電源線，可以給外設提供5V和最多500mA的電源供應，滿足大部分低功耗外設的電源要求。 [align=center] 圖2 兩臺主機通過PL-2301傳輸數(shù)據(jù)的流程圖[/align] 由于USB具有這些突出的優(yōu)點，不但一些傳統(tǒng)外設開始提供USB接口，而且大量新型外設也把USB接口作為首先甚至唯一的接口，如MP3播放器、移動硬盤等。由于USB的高可靠性和足夠快的通信速率，USB開始應用于工業(yè)級的實時通信和控制，例如機器人系統(tǒng)中示教盒與控制器的通信。本文論述的用USB端口實現(xiàn)機器人上位機與下位機的通信也屬于這些方面的應用。 2 用USB實現(xiàn)計算機雙機通信 由于USB模型是一種Host-Slave（主機-外設）主從式結(jié)構(gòu)，沒有辦法使兩臺主機不通過外設而直接通過USB總線通信。然而可通過增加外設控制器的方法使兩臺主機利用它們的USB端口通信。每個外設控制器連接到不同的主要，并利用共享的緩沖器交換數(shù)據(jù)。Cypress公司的EZ-Link和Prolific公司的PL-2301把兩個外設控制器和共享緩沖區(qū)集成到一塊芯片上，作為兩臺主機通過USB總線通俗訴橋梁。其它公司也提供類似的控制芯片。在教學機器人中，采用PL-2301。 PL-2301是臺灣Prolific公司生產(chǎn)的一種全速USB控制芯片。PL-2301的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 PL-2301包括兩套獨立的USB控制單元。在握手信號的協(xié)調(diào)下，它們通過兩個FIFO緩沖器無阻塞地交換數(shù)據(jù)。PL-2301包含四個終端：缺省的控制終端（地址00H）、中斷終端（地址81H）、塊輸出終端（地址02H）、塊輸入終端（地址83H）?？刂苽鬏斢糜谠谥鳈C列舉階段完成對PL-2301的配置及在兩臺主機通信時控制PL-2301的握手信號；中斷傳輸用于PL-2301定期（每毫秒一次）向主機報告握手信號的狀態(tài)；塊傳輸用于兩臺主機之間實時地交換數(shù)據(jù)。塊傳輸支持錯誤檢測，這對實時通信和控制很重要。控制傳輸被確保擁有10%的USB總線帶寬，中斷傳輸和等時傳輸最多可以使用90%的帶寬，塊傳輸使用剩余的最大可用帶寬（最多95%）。當總線不太忙時，由于塊傳輸只有一個很小的協(xié)議頭（13字節(jié)），它是所有傳輸類型中最快的。為了確何教學機器人上下位機以最快的速度通信，滿足實時性要求，最好不要在USB總線上掛接過多的USB外設。 PL-2301除了能對USB標準請求做出反應外，還能對幾種廠商自定義的請求做出反應。自定義請求ClearQuickLinkFeature和SetQuickLinkFeature用于控制兩臺主機通信時PL-2301的握手信號。這些握手信號是： （1）TX_RDY指示本地USB端口是否準備好傳輸數(shù)據(jù)的指示信號。 （2）S_EN掛起使能信號。置位后，PL-2301支持標準的USB掛起特性。 （3）RESET_O塊輸出管道的復位信號，用于出現(xiàn)錯誤時復位塊輸出通道。 （4）RESET_IN塊輸入管道的復位信號，用于出現(xiàn)錯誤時復位塊輸入管道。 （5）TX_REQ塊傳輸?shù)恼埱笮盘枴? （6）TX_C塊傳輸完成的指示信號。 （7）PEER_E告訴對方本地端口是否連接好的指示信號。 在這幾個握手信號的協(xié)調(diào)下，上位機和下位機可以雙向通信。圖2是主機PC A向PC B傳輸數(shù)據(jù)的流程圖。這些底層的細節(jié)問題并不需要控制，由PL-2301的驅(qū)動程序完成。 3 軟件結(jié)構(gòu) 3.1 教學機器人軟件結(jié)構(gòu) EDUROBOT-680-II型教學機器人控制系統(tǒng)的控制軟件包括下位機的底層控制軟件和上位機的上層控制軟件，它們通過USB端口通信。其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 上層控制軟件運行在Windows98平臺上，它為用戶提供與機器人交互的人機接口界面，完成復雜運動控制的數(shù)據(jù)處理和插補計算。它由人機界面、運算插補、主控、通信四大模塊構(gòu)成。通信模塊能夠?qū)崟r地發(fā)送控制命令給下位機并從下位機獲得反饋信息，同時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。 為了提供對USB的支持（為了使底層控制系統(tǒng)有更好的實時性和更緊湊，下一步準備將底層控制系統(tǒng)改用支持USB的Windows CE、VxWorks或嵌入式Linux），底層控制系統(tǒng)目前采用Windows98平臺。底層控制軟件接口收上層控制軟件的控制命令，同時解釋并執(zhí)行控制命令。這通過多線程實現(xiàn)。任務調(diào)度和管理模塊是底層控制軟件的主線程，它負責從指令隊列中取出指令并解釋執(zhí)行。主線程執(zhí)行過程會產(chǎn)生一個輔助線程——通信線程。通信線程調(diào)用通信模塊的輸出函數(shù)，負責監(jiān)視USB端口。如果上位機傳來控制命令，則遵循教學機器人通信協(xié)議接收并存入指令隊列中。 3.2 通信模塊的實現(xiàn) 上位機和下位機控制軟件共用相同的PL-2301客戶驅(qū)動程序、傳輸模塊（由Prolific公司提供）和通信模塊。 PL-2301客戶驅(qū)動程序是典型的WDM驅(qū)動程序。驅(qū)動程序屏蔽了底層的硬件細節(jié)和USB協(xié)議，使上層軟件僅通過驅(qū)動程序接口函數(shù)就可以訪問PL-2301。主要的幾個驅(qū)動程序接口函數(shù)是CreateFile（）、WriteFile（）、ReadFile（）、DeviceIOControl（）。 傳輸模塊（Transfer.dll）是驅(qū)動程序的上層模塊，它通過調(diào)用驅(qū)動程序接口函數(shù)，實現(xiàn)了兩臺主機通過PL-2301通信的基本通信能力。Transfer.dll會產(chǎn)生一列三個線程： （1）發(fā)送線程。這個線程對發(fā)送請求進行排隊并按先后順序處理請求。如果出現(xiàn)錯誤，則努力恢復。 （2）接收線程。這個線程等待來自狀態(tài)線程的消息，如果發(fā)現(xiàn)對方主機將要傳輸數(shù)據(jù)，就按照傳輸協(xié)議接收數(shù)據(jù)。接收線程把接收到的數(shù)據(jù)放在接收FIFO緩沖器中，等待上層軟件（Comm.dll）取走。如果有錯誤發(fā)生時，也會努力恢復。 （3）狀態(tài)線程。這個線程監(jiān)視PL-2301的狀態(tài)信號。如果發(fā)現(xiàn)有任何狀態(tài)改變，它將給相關線程發(fā)消息或調(diào)用回調(diào)函數(shù)通知上層軟件。 Transfer.dll提供幾個供上層軟件（Comm.dll）調(diào)用的輸出函數(shù)： ·USB_InitService（）調(diào)用Transfer.dll里的其他輸出函數(shù)之間必須先調(diào)用這個函數(shù)。 ·USB_OpenConnect（）調(diào)用此函數(shù)獲得PL-2301的句柄。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時要用到這個句柄。 ·USB_WriteConnect（）調(diào)用此函數(shù)向?qū)Ψ街鳈C發(fā)送指定的數(shù)據(jù)。 ·USB_ReadConnect（）調(diào)用此函數(shù)從接收FIFO緩沖器中讀取數(shù)據(jù)。 通信模塊（Comm.dll）通過調(diào)用Transfer.dll提供的輸出函數(shù)完成教學機器人控制命令的發(fā)送和接收。為了協(xié)調(diào)命令的發(fā)送和接收，定義了套控制字，作為上位機與下位機通信時的握手信號（與PL-2301的握手信號沒有聯(lián)系）。上位機發(fā)送數(shù)據(jù)（控制命令或控制字）時，直接調(diào)用USB-WriteConnect（）即可。下位機讀取數(shù)據(jù)采取輪詢方式，循環(huán)調(diào)用USB-Read Connect（）掃描USB端口，如果有數(shù)據(jù)則接收下來。如果接收到的是指令，則放入指令隊列中，等待任務管理和調(diào)度線程取走。圖4是上位機發(fā)送一條命令的示意圖。有些命令需要下位機發(fā)送返回值給上位機，如讀機器人狀態(tài)命令status需要下位機發(fā)送返回值給上位機，如讀機器人狀態(tài)命令status需要下位機把機器人狀態(tài)返回給上位機。下位機發(fā)送返回值的過程與上位機發(fā)送命令的過程相似。 USB作為一種新興的計算機外設接口標準，其技術特點使不但能作為計算機與一般外設的接口，也可用于實時通信和控制。本文介紹的用USB實現(xiàn)教學機器為上下位機的通信，為機器人上下位機的通信提供了一種新穎、方便和可靠的解決方案。隨著USB2.0的推出，其高達480Mbps的傳輸速率可滿足高實時性要求的工業(yè)設備控制、動態(tài)圖像實時傳輸?shù)龋瑸閁SB在更廣闊領域的應用打下了堅實的基礎。 [align=center] 圖4 上機位發(fā)送一條控制命令的流程圖[/align]