USB通信在開放式機床數控系統(tǒng)中的應用

葛伊倫，韓震宇

USB通信在開放式機床數控系統(tǒng)中的應用

葛伊倫，韓震宇

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

介紹了一種基于USB通信的開放式數控系統(tǒng)架構，并通過實驗驗證USB通信傳輸的可行性與正確性。實現了經由USB通信將數控系統(tǒng)上下位機資源整合，提升了系統(tǒng)資源利用率，并大大提升了數控系統(tǒng)開發(fā)通用性與使用便利性，并為將來其他外設接入預留升級接口。為推動開放式數控系統(tǒng)研究提供數據通信方面的支持。

USB通信；數控系統(tǒng)；通信協(xié)議；運動控制

1 開放式機床數控系統(tǒng)簡介

近些年來，中國勞動力人口紅利呈現遞減態(tài)勢，制造業(yè)用工成本上升，國際上前有德國工業(yè)4.0的技術浪潮，后有印度等發(fā)展中經濟體的快速追趕試圖取代中國世界工廠的地位。國家為扶持制造業(yè)的發(fā)展而減稅降費并戰(zhàn)略性地提出中國制造2025，諸多因素促進了運動控制器產量增長速度高于年均GDP增速。此外，數控加工、印刷、電子等行業(yè)的發(fā)展也拉動了市場需求。運動控制器作為伺服系統(tǒng)的控制裝置，近年來保持著穩(wěn)定增長的需求量。

自20世紀50年代數控機床誕生以來，數控技術在國計民生諸多領域發(fā)揮著不可替代的作用，取得舉世矚目的成就，為制造業(yè)行業(yè)生態(tài)實現跨越式飛速發(fā)展打下堅實基礎。與此同時，全球化所帶來的行業(yè)變化使制造業(yè)市場競爭空前激烈，成本低、質量好、產品個性化強等諸多要求對行業(yè)發(fā)展不斷提出挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)數控系統(tǒng)因其專用性、封閉性的特點，也越來越不能滿足市場需要。新的市場環(huán)境要求數控系統(tǒng)朝著開放式控制系統(tǒng)轉化，開放式機床數控系統(tǒng)應運而生。

開放式結構數控系統(tǒng)是運動控制器的發(fā)展趨勢，將傳統(tǒng)的封閉型數控系統(tǒng)向通用型開放式的數控系統(tǒng)轉化[1]，其接口規(guī)范標準統(tǒng)一，軟件協(xié)議對外開放，但凡市面上接口匹配的設備，均可實現與開放式運動控制器的連接，用戶借由通行的開發(fā)軟件平臺調用開放的API函數進行數控功能開發(fā)，具有極大的易用性、便利性，模塊化的設計開發(fā)理念也讓系統(tǒng)擁有極大柔性。

2 開放式數控系統(tǒng)架構

伴隨硬件發(fā)展水平的日新月異和計算機技術的突飛猛進，數控系統(tǒng)架構主要經歷了單處理器（MCU）、專業(yè)運動控制PLC、PC-I/O卡、專用運動控制芯片，直到開放式的發(fā)展歷程[2]。

本系統(tǒng)為基于PC的開放式運動控制器，總體框架為PC+運動控制卡。PC作為上位機，利用其強大的運算能力于內存容量，完成運動計算與路徑規(guī)劃。運動控制卡作為下位機，接收、執(zhí)行上位機運算結果，實現運動控制功能。USB通信模塊負責完成兩者間的數據傳輸。其對外軟件接口為運動控制API函數，PC機使用API函數進行二次開發(fā)，自行設計人機界面，硬件上通過高速總線（PCI、USB等）實現連接。

3 USB通信簡介

USB即通用串行總線，是一種快速、雙向、基于令牌的同步傳輸串行接口。具有接口統(tǒng)一、技術成熟、傳輸可靠、成本低廉、開發(fā)方便等優(yōu)點[3]。因此，市面上現已有各類基于USB接口的工業(yè)控制設備，使用USB作接口的智能機床控制器的研究也十分熱門。

3.1 USB傳輸方式選擇

USB數據傳輸以包（packet）為基本單位，從應用層的角度來說，數據傳輸屬于透明傳輸，單純作為USB協(xié)議的使用者，用戶只需要掌握如何調用API函數收發(fā)數據即可。

USB通信根據特點不同分為不同的傳輸方式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸。其中，控制傳輸是一種特殊的傳輸方式，當USB設備初次連接主機時，用控制傳輸傳送控制命令等對設備進行配置。同步傳輸一般用于要求數據連續(xù)、實時且數據量大的場合，其對傳輸延時十分敏感。中斷傳輸一般用于小批量的和非連續(xù)的數據傳輸，即數據量小的數據不連續(xù)但實時性高的場合。批量傳輸可以不定期傳輸大量數據，且具備錯誤檢查機制，在傳輸出錯的情況下會重新發(fā)送數據包，也是在空閑總線中，傳輸速度最快的方式[4]。

數控系統(tǒng)在數據傳輸中具有傳輸數據量大、傳輸正確性要求高、傳輸速率要求快的特點，據此對比以上四種傳輸方式的優(yōu)劣，選用批量傳輸方式。

3.2 USB接口速度選擇

USB經過多次升級，有不同的接口速度，現行最常用的USB2.0和USB3.0的最大通信速度分別為60 MB/s與 640 MB/s，均具備良好穩(wěn)定性。綜合考慮開發(fā)成本與本課題的性能需要，選擇USB2.0作為研發(fā)起點，后期根據課題需要，如引入更多軸的控制、更完善的數控指令后，造成數據傳輸量的激增，可通過更換硬件芯片進行升級，提高系統(tǒng)整體通信速度。

4 USB通信實現

4.1 通信協(xié)議制定

根據數控系統(tǒng)傳輸數據特點自定義通信協(xié)議，使USB通信以既定規(guī)則傳輸數據，方能使上位機的運算結果能被下位機“讀懂”。

數控程序國標采用G代碼加工程序，以便于機床操作人員使用統(tǒng)一工程語言編制加工代碼，而運動控制系統(tǒng)內部使用的數據溝通方式由開發(fā)商自行定義。上位機CNC軟件與運動控制器之間的數據交互手段為USB總線，USB協(xié)議中包含的握手機制和數據校驗機制保證了數據的準確性，因此自定義通信協(xié)議中無需增加這類機制，只需要解決數據意義的約定工作。

自定義通信協(xié)議應當包含數控加工中可能使用到的所有指令的具體定義，根據上位機PC傳輸的不同數控加工命令（含指令或數據），整理制定協(xié)議格式為如下六類：①同步頭+數據正文+同步尾；②同步頭+命令字+數據長度+數據正文+同步尾；③同步頭+地址碼+命令字+數據長度+數據正文+同步尾；④同步頭+數據正文+校驗碼；⑤同步頭+命令字+數據長度+數據正文+校驗碼；⑥同步頭+地址碼+命令字+數據長度+數據正文+校驗碼。

結合數控G代碼的種類和含義，并綜合考慮符合數控業(yè)務需求、便于數據識別、便于數據驗證的要求，制定出上下位機間經由USB進型數據傳輸的通信協(xié)議，其指令結構及定義如表1所示。

表1 實驗通信協(xié)議

位數數據定義 63-56指令計數器，從0開始計數，每次自增1，用于下位機判斷指令是否有丟失 55-54指令類型標志位，00位移指令；01非加工狀態(tài)下讀寫； 10 M型指令（開關量型指令），為立即指令時，M型為讀寫下位機寄存器或內存地址；11 S型指令（包含通訊、脈沖等） 53-52位移指令，0正方向，1負方向；SM指令，00寫寄存器，11讀寄存器 51指令結束標志位，1尚有后續(xù)加工指令，0無后續(xù)加工指令 50-43寄存器地址 42-32保留，留待后期增加定義 31-16X軸進給量，單位為um；M型指令時寫入數據的高16位 15-0Y軸進給量，單位為um；M型指令時寫入數據的低16位

自定義通信協(xié)議同樣具備高度靈活性與擴展性，隨著控制軸的增加，指令中的控制信息逐漸增加，64位長度的通信協(xié)議可能無法滿足實際需求，通信的效率有待提高，擴展片間通信總線的位寬以適應協(xié)議長度的增加[5]。

4.2 上下位機USB連接與數據傳輸

按如下步驟完成標準USB傳輸操作：設備上電后在設備管理器中查看設備VID與PID并在程序中完成宏定義#define m_dev_VID 0×0951和#define m_dev_PID 0×1666；Libusb庫函數usb_init( )初始化；調用usb_find_busses( )查找所有總線，調用usb_find_devices( )查找總線上的所有設備；設置循環(huán)利用庫函數bus_get_busses( )遍歷總線列表并返回結果；在上一步循環(huán)中遍歷設備列表并返回結果；調用庫函數usb_set_configuration( )設置活躍配置；調用庫函數usb_claim_interface( )通過OS認領一個與操作系統(tǒng)通信的接口；獲取端點的地址并對讀寫端點分配非缺省通道；開辟緩存區(qū)存儲發(fā)送數據或接收數據；根據業(yè)務需要，在上下位機調用庫函數進行數據的讀寫，如批量寫API函數int usb_bulk_write()或批量讀API函數int usb_bult_read()。

5 USB通信實驗

5.1 通信可靠性與速率實驗

建立上下位機連接；設置一定大小（2 048字節(jié)）的讀寫緩沖區(qū)以進行讀寫速度測試；采用批量傳輸方式調用庫函數usb_bulk_write( )向下位機發(fā)送數據；采用批量讀取方式調用庫函數usb_bulk_read( )從下位機讀取數據；調用Windows高精度（精確至毫秒級）時間函數QueryPerformance Frequency( )和QueryPerformanceCounter( )分別測量晶振與計數；利用時間計數函數結果計算讀數據速度。時間計數函數結果如圖1所示。USB2.0的最高傳輸速率為480 Mbps，即60 MB/s。但是，60 MB/s為標稱的理論速度，實際使用中設備共用USB通道時，每個設備的實際可支配帶寬會被分配，故傳輸數值小于60 MB/s為正常現象[6]。

圖1 時間計數函數結果

5.2 USB通信數據正確性實驗

進行數據收發(fā)實驗，定義發(fā)送緩沖區(qū)為0～2 048的遞增循環(huán)，并利用串口調試助手監(jiān)測數據傳輸結果，監(jiān)測數據傳輸結果如圖2所示，數據校驗無誤，說明通信正確可靠。

6 總結與展望

本課題驗證了USB通信用于開放式數控系統(tǒng)中數據傳輸的可行性與正確性，使PC-運動控制板卡的數控架構成為可能，可實現前者高運算能力和內存容量與后者高實時性的優(yōu)點整合，提高數控系統(tǒng)效率；有利于未來數控系統(tǒng)的擴展和升級：硬件USB通用接口與軟件API函數接口為后續(xù)升級留下便利接口[7]；提高了系統(tǒng)集成度，降低了開發(fā)成本與周期，使上下位機數控技術研發(fā)可分頭并進。為進一步推動開放式數控系統(tǒng)的研究提供了數據傳輸方面的技術支撐。

圖2 監(jiān)測數據傳輸結果

［1］丁娜仁花.基于開放式數控系統(tǒng)的刀具數據庫管理研究與設計［J］.機械工程學報，2007，43（5）：1-7.

［2］李再銀.基于Windows的車床開放式數控系統(tǒng)研究與設計［J］.科技創(chuàng)新導報，2008（32）：37-38.

［3］楊大奎，曹川川，郭鵬遠.基于PMAC運動控制的數控加工中心G73代碼研發(fā)［J］.南方農機，2009（3）：54-56.

［4］王鵬，彭琰舉，李阿為，等.基于圖像處理的數控機床運動控制系統(tǒng)［J］.現代電子技術，1998（12）：44-46，51.

［5］張一凡，瞿華，周麗華.一種數控玻璃切割機運動控制系統(tǒng)的設計［J］.制造業(yè)自動化，2008（30）：130-132.

［6］馬秀明.基于CNC改進的開放式數控系統(tǒng)研究［J］.安徽冶金科技職業(yè)學院學報，2005（2）：53-57.

［7］何欣.一種基于運動控制卡的小型數控磨床系統(tǒng)研制［J］.機械設計與制造，2012（11）：37-40.

2095－6835（2020）06－0156－03

TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.064

葛伊倫（1993—），男，四川大學機械工程學院研究生，主要從事運動控制相關方面的研究。韓震宇（1963—），男，四川大學機械工程學院副教授，博士碩士生導師，主要從事機器視覺和運動控制方面的研究。

葛伊倫。

〔編輯：嚴麗琴〕