基于USB的运动控制平台及采集卡的设计

电机驱动电路主要由驱动芯片组成，本系统使用的电机驱动芯片为UC3717A。UC3717A芯片使用非常简单，它通过3个输入管脚(Phase、I1和I0)分别图单片机引脚连接来接收输入的参数，在2个输出管脚（Aout和Bout）上与电机连接输出相应的控制信号。由于UC3717A包含一个H桥，因此电机驱动电路有两片UC3717A对应部分相连构成完整的驱动电路。如3微部分驱动电机驱动电路图。

图3 部分驱动电机驱动电路

3.4 LED显示电路设计

如图4所示，该系统的显示是使用的静态显示，应用74LS164的串入并出的特点，将显示编码通过单片机的串口发送到74LS164上锁存而实现稳定的静态显示。在74LS164和数码管之间串接1K的电阻限制电流，起到保护作用。

图4 显示部分电路设计

4系统的软件设计

USB数据采集系统是一个多任务系统，而且程序结构也比较复杂，为了提高开发率，增强系统的稳定性，降低开发和维护成本，就需要一个嵌入式操作系统作为系统发和运行的平台。μC/OS-Ⅱ作为一个源码公开的免费型嵌入式实时操作系统，其稳定性好、可靠性高，而且μC/OS-Ⅱ还具有移植性好、可固化、可裁剪等特点，非常适合作为USB数据采集系统的开发平台。

USB数据采集系统的软件由三个部分组成：USB设备固件程序、主机PC上的USB设备驱动程序和主机上的客户应用程序。系统软件的组成及各部分之间的关系如图5所示。

图5 系统软件的组成

设备固件程序按功能可以划分为USB通信程序、单片机上的A/D转换程序和LED显示程序，以及单片机对步进电机驱动芯片控制程序，其中USB通信程序是整个固件程序的主要部分，其功能是实现USB设备枚举和数据传输。USB设备枚举是USB设备插上之后，主机与设备交换信息并自动配置的过程，枚举成功后，USB接口与主机就可以进行通信了。

设备驱动程序是连接设备和主机应用程序的纽带，它向上提供应用程序的访问接口(API)，向下则实现对具体设备的访问和管理功能。驱动程序与设备硬件和上层用户程序密切相关，在USB体系的中间起到信息转换和传递的中介作用。在开发USB设备时，设备驱动程序的设计是一个非常重要的环节，直接影响到整个设备系统的性能。本系统采用Driverworks开发WDM型USB设备驱动程序

应用程序的主要功能是在设备驱动程序中查找设备，与设备交换数据，并将设备发送来的数据进行处理和显示。应用程序和驱动程序的通信是通过访问应用程序接口(API)函数实现的，所以应用程序的开发必须在能访问API函数的平台上进行。Microsoft公司提供的Visual Studio .NET是一种功能强大的支持API函数的编程工具，本设计的主机应用程序就是以.NET为平台进行开发的，其功能主要包括查找USB设备，与USB设备交换数据和动态显示数据曲线。

5 总结

本文的创新点是改变了传统的用微机PCI、ISA、串并行口做通讯口，改用高速的USB接口作为通讯口，有利于速度的提高，也方便了使用及携带，为以后的改进和扩展提供了余地；其次，将数据采集功能集合到控制卡里，也是本文的一个特点：电机运动过程中，为了监控驱动器的工作环境，需要采集温度数据；同时将运动轨迹的有关数据采集进来，作为插补和调整的依据，并且将输出电机的运动命令和及时传回电机轨迹状态相结合，形成了控制平台和数据采集为一体的模块，数据采集的过程是个实时的过程，是在电机运动中同步完成的；最后本系统是开放性的实时系统。该项目实施半年以来，创造经济效益60多万元。