基于USB通信的科氏粉料流量測控系統設計

何景田，耿春明

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191）

何景田（碩士研究生），主要研究方向為機械電子工程。

引 言

目前，由北京航空航天大學與冀東發展集團有限責任公司合作研發的科氏粉料流量測控系統（以下簡稱“測控系統”）已經成功應用到工業現場，運行狀況良好，測量精度優于±0.5%。測控系統底層和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的各個參數進行修改，同時研發人員在進行現場調試時進行流量數據采集，然而，基于RS－232通信的測控系統還存在一定的應用限制。

雖然測控系統的流量測量精度高，但是其控制精度并不能滿足現場要求，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據，為粉料流量控制技術研究提供精確的數據支持。目前，測控系統的RS－232 通信速率為9 600 bps，并不能滿足需求，必須通過提高通信速率實現，然而，這樣會增加CPU 處理數據的負擔，導致通信數據不正確的情況發生，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進行實時監測，不利于測控系統對各個設備運行狀態的準確實時監測和控制。

綜上所述，開發更為快速、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、成本低廉等優點，本文設計了基于USB通信的測控系統。

1 USB設備簡介

USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）設備是USB通信系統中不可或缺的部分，隨著USB技術的不斷發展，USB 設備類型也逐漸增加，主要包括Audio設備、Communication 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操作系統自帶了HID類設備的驅動程序，用戶直接調用相應的API函數即可完成通信，不用開發特定的Windows驅動程序，這樣能夠有效縮短應用程序的開發周期。本文在測控系統中，采用HID 設備進行USB通信設計。

2 測控系統USB通信設計

根據系統功能需求，測控系統可分為系統上層、系統底層、中控室和系統外設4個部分。圖1為測控系統原理框圖。

圖1 測控系統原理框圖

系統上層為基于C＃語言的Windows應用程序，主要完成測控系統的數據交互功能。

測控系統底層為測控系統核心，主要由STM32F103VET6處理器（簡稱STM32）和μC／OS－II實時操作系統構成。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。

中控室為測控系統的遠程監控終端，通過4～20mA電流實現測控系統的流量監測與控制。

系統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 測控系統底層USB通信設計

STM32為ST 公司推出的基于ARM Cortex－M3 內核的微控制器，自帶USB全速設備接口，支持USB2.0通信協議，可配置1～8 個USB 端點，包含512 字節的SRAM 數據緩沖區。因此，基于STM32的USB通信設計可以有效簡化系統硬件電路。

圖2 為測控系統USB 接口硬件電路圖。其中，JPUSBENABLE接口用于實現對測控系統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。

2.1.1 HID設備內核定義

圖2 測控系統USB接口硬件電路

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STM32 的USB固件庫移植到現有工程目錄中，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、產品字符串等。只需根據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、最大數據包大小、配置個數等。在這里進行如下定義：

設備類：HID設備。

最大包大小：64字節。

配置個數：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、接口定義、每個接口下的端點定義。在本測控系統的USB設備配置描述符中有如下定義：

接口個數：1。

接口端點個數：2（一個IN 端點和一個OUT 端點）。

端點最大包大小：64字節。

（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。

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，通過多任務的編程方式易于實現具有較高性能的嵌入式系統。目前測控系統包含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，完成測控系統流量的控制。

GETWEIGHT＿TASK：稱重任務，讀取稱重倉的數據。

UART＿TASK：串口通信任務，完成串口的數據交換。

DETECT＿TASK：檢測任務。實時監測測控系統的工作狀態。

基于此，測控系統底層應用程序新增USB 通信數據接收任務USBCOMRX＿TASK 和數據發送任務USBCOMTX＿TASK。其中，USBCOMRX＿TASK 任務實時接收上層應用程序下發的命令，并將命令進行解析處理；USBCOMTX＿TASK 任務實時將相關數據通過USB接口發送到上層應用程序。

為提高通信數據的可靠性，設計了專用的環形數據緩沖區。圖3為數據緩沖區結構示意圖，其最小單位為數據包。

圖3 數據緩沖區結構示意圖

在程序設計時有如下定義：

／／數據緩沖區

／／數據起始位置

／／數據結束位置

／／通信信號量

緩沖區由二維數組構成，每一行代表一幀數據，由BUFLEN 幀數據組成，每幀數據長度為CMDLEN。其中，DataStart 指示緩沖區有效數據包的起始位置，DataStop指示緩沖區有效數據包的結束位置。USB＿sem為通信所需信號量，對于接收數據緩沖區，USB接收中斷服務子程序中將接收到的數據包復制到該緩沖區中，并更新DataStop值，然后通過該信號量通知USBCOMRX＿TASK 進行數據處理；對于發送數據緩沖區，需要通過USB接口發送數據的任務，將待發送數據填充到相應的緩沖區中，并更新DataStop值，然后利用該信號量通知USBCOMTX＿TASK 進行數據發送。

圖4為USBCOMRX＿TASK 任務流程圖。當任務收到接收信號量時，循環處理緩沖區中DataStart 至DataStop之間的有效數據包。

圖4 USBCOMRX＿TASK任務流程圖

圖5 為USBCOMTX＿TASK 任務流程圖。當任務收到發送信號量時，循環發送緩沖區中DataStart至DataStop之間的有效數據包。

圖5 USBCOMTX＿TASK任務流程圖

2.2 測控系統上層USB通信設計

系統上層為基于C＃語言的Windows應用程序，基于此進行測控系統上層USB 通信設計。測控系統上層USB 通信設計主要有兩個方面：USB 連接狀態監測和USB數據通信。

2.2.1 USB連接狀態監測

USB連接狀態監測主要對測控系統的連接狀態進行監測，完成USB正常通信之前的準備工作。為實現USB連接狀態的實時監測，采用線程的方式進行設計。

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

圖6 USB連接狀態監測流程圖

2.2.2 USB數據通信

在Windows操作系統中，應用程序通過文件操作的方式使用USB設備。在USB連接狀態監測線程中，如果查找到目標HID 設備，會創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、發送數據操作。在異步模式下，應用程序向USB控制器發送一次請求之后，無論請求是否成功，相應的請求函數即刻返回，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據的實時性。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，若底層沒有數據包發送，則當前線程會處于堵塞狀態，直到讀取到數據線程恢復運行。在此采用線程的方式完成USB數據的同步讀操作。

圖7為USB接收數據線程流程圖。通過ReadFile（）函數的返回值即可判斷USB的連接狀態。表1為Read－File（）函數返回狀態值對應的USB設備連接狀態。

表1 ReadFile（）函數返回狀態含義

當應用程序需要通過USB總線發送數據時，首先會檢測當前USB 設備的連接狀態，若狀態為“連接正常”，則調用WriteFile（）函數進行相應數據發送。

圖7 USB接收數據線程流程圖

結 語

根據系統功能需，完成了測控系統的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12 Mbps，較大程度提高了測控系統流量數據的采集速率，為流量控制算法研究提供了更加完整的數據支持，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測測控系統的通信狀態，有效提高通信連接和數據傳輸的可靠性。

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，進行了測控系統的USB通信設計，提高了科氏粉料流量測控系統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，該測控系統的USB通信設計方法對嵌入式高速數據采集系統有一定的參考價值。

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