基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案

1、基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案第l8卷第1期2005年3月傳感技術(shù)CHINESEJOURNALOFSENSORSANDALrUAToRSv01.18No.1Mar.20o5ResolutionofDataCommunicationforVirtualRealityCoordinateMeasuringSystemBasedonUSBProtocoluUXin-kai.LIUShugui,StatelaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInsmmnt,TianjinUniversity,Tiarg'in30('/2

2、,cina/Abstract:ThispaperprovidesadatacommunicationresolutionusingPL2302USBbridgechipsetbetweentwoeom.putem,andUSBdriverprogramsdevelopingtechniquebymeansofDriveStudiotools.Thedata municationexper.imentsbetweencomputershavebeenmade.Theresultsshowtheeffectivenessandrobusmessofthisdriverprogram.KeywOrd

3、s:USBProtocol;virtualreality;threecoordinatemeasuringmachine;datacommunication基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案劉新凱,劉書桂(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)摘要:采用PI2302USB橋聯(lián)芯片設(shè)計(jì)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸方案,并提供利用DriveStudio開發(fā)工具設(shè)計(jì)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法.結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際,進(jìn)行了計(jì)算機(jī)互連和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn),結(jié)果表明:該方案具有高速可靠,靈活易用等優(yōu)點(diǎn).關(guān)鍵詞:USB協(xié)議;虛擬現(xiàn)實(shí);三坐標(biāo)測(cè)量機(jī);數(shù)據(jù)傳輸中圖分類號(hào):TP2

4、12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10041699(2005)01一IX/7804在精密測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域,三坐標(biāo)壩4量機(jī)是一種集光學(xué),機(jī)械,數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的大型高效率精密測(cè)量?jī)x器.虛擬三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),主控機(jī)和虛擬測(cè)量機(jī)三部分構(gòu)成.主控機(jī)對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行測(cè)量操作控制,同時(shí)把待測(cè)步驟傳輸給虛擬測(cè)量機(jī),根據(jù)虛擬測(cè)量機(jī)反饋信息進(jìn)行實(shí)際測(cè)量操作;虛擬測(cè)量機(jī)根據(jù)CAD工程圖紙建立三維模型,自動(dòng)選取有效測(cè)頭運(yùn)動(dòng)路徑,專家系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)量.虛擬三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)通過將工作負(fù)荷分擔(dān)在不同計(jì)算機(jī)上,增加了測(cè)量系統(tǒng)的靈活性,有效改善了測(cè)量系統(tǒng)的工作效率.傳輸模塊作為其中重要的模塊之一,要求為控制機(jī)和虛擬測(cè)

5、量機(jī)之間提供高速,可靠的傳輸功能.現(xiàn)在通用的數(shù)據(jù)傳輸卡一般都是基于串行總線協(xié)議,ISA或PCI總線協(xié)議,存在著多種不足,比如安裝麻煩,尤其不適合移動(dòng)式測(cè)量;每個(gè)設(shè)備占用計(jì)算機(jī)的插槽,地址和中斷資源,可擴(kuò)展性差.根據(jù)目前USB2.0規(guī)范,USB總線是分層的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).在一個(gè)USB系統(tǒng)中有且只有一個(gè)USB主機(jī),根集線器在每幀開始廣播SOF包到所有設(shè)備,然后通過Setup,IN和OUT令牌包和設(shè)備端點(diǎn)建立數(shù)據(jù)傳輸,通過握手包檢測(cè)傳輸情況.故而,兩臺(tái)計(jì)算機(jī)具有兩個(gè)根集線器,無(wú)法直接構(gòu)成USB系統(tǒng).針對(duì)這個(gè)USB協(xié)議的限制,權(quán)宜之計(jì)就是采用橋聯(lián)方式將兩塊USB設(shè)備芯片分別和兩臺(tái)主機(jī)連接通訊,實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)

6、主機(jī)通過USB總線進(jìn)行通訊的目的.1USB協(xié)議簡(jiǎn)介圖1所示為PL一2302芯片集成兩個(gè)外設(shè)控制器和共享緩沖區(qū).USB(UniversalSerialBus)通用串收稿日期:2004-0908作者簡(jiǎn)介:劉新凱(1979一)男,碩士研究生,主要研究方向有智能坐標(biāo)測(cè)量技術(shù),圖形圖像處理等,sinkayeyou 第1期劉新凱,劉書桂:基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案79行總線是由Compaq,I-IP,Intel,Lucent,Microsoft,NEC和Philips七家公司1995年聯(lián)合推出的標(biāo)準(zhǔn)接口總線.該總線是一種連接外圍設(shè)備的機(jī)外總線,為微機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)充和配置外部設(shè)備提供了方便.

7、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬測(cè)量機(jī)圖1虛擬三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)USB總線在物理層上是分層的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示,每條線段都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,各種設(shè)備分享USB帶寬.在一個(gè)USB系統(tǒng)中,有且只有一個(gè)USB主機(jī)(包括主機(jī)控制器,USB系統(tǒng)軟件和客戶軟件)來(lái)管理USB系統(tǒng);USB設(shè)備主要分為集線器和功能部件兩大類.根集線器集成在主機(jī)系統(tǒng)內(nèi),向上與主總線(如PCI總線)相連,向下提供一圖2USB物理總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn).USB是一種查詢總線,由主控制器啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳輸,接人的USB設(shè)備通過主機(jī)調(diào)度,基于令牌的協(xié)議來(lái)共享USB帶寬.端點(diǎn)(Endpoint)是一個(gè)可唯一識(shí)別的USB設(shè)備的部分,它是主機(jī)與設(shè)備間通信流

8、的一個(gè)結(jié)束點(diǎn).一系列相互獨(dú)立的端點(diǎn)在一起構(gòu)成了一個(gè)USB邏輯設(shè)備.一個(gè)USB通道(Pipe)是設(shè)備上的一個(gè)端點(diǎn)和主機(jī)上軟件之間的聯(lián)系,體現(xiàn)了主機(jī)上緩存和端點(diǎn)間傳送數(shù)據(jù)的能力.USB協(xié)議提供了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式:控制傳輸,中斷傳輸,塊傳輸,同步傳輸.2WDM驅(qū)動(dòng)模型WDM(WindowsDriverMode1)是Microsoft的一種Windows驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)構(gòu)架,采用了"基于對(duì)象"的技術(shù),建立了一個(gè)分層的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu).通過編寫WDM驅(qū)動(dòng)程序,用戶態(tài)應(yīng)用程序可以借助與WDM程序的通訊(利用CreateFile,CloseHandle,ReadFile,WriteFile

9、,DevieelOContro1),可以實(shí)現(xiàn)IO讀寫,直接存取硬件.編寫WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工具有Microsoft提供的DDK,以及Compuware的DriverWorks和DriverStudio,BlueWaters的DriverWizard等,后幾者均對(duì)DDK進(jìn)行了一定程度的封裝,大大減輕了WDM驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)難度.USB設(shè)備的每個(gè)配置中都含有一個(gè)或更多的接口(Interface),接口指出軟件應(yīng)該怎樣訪問硬件.設(shè)備的接口露出一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn),端點(diǎn)作為通信管道的一個(gè)終點(diǎn).圖3顯示了一個(gè)多層次結(jié)構(gòu)的通信模型,它表明了端點(diǎn)和管道所扮演的角色.在最低一級(jí),USB電纜把主控制器與設(shè)備的總線

10、接口連接起來(lái).在第二級(jí),一個(gè)控制管道把系統(tǒng)軟件與邏輯設(shè)備連接起來(lái).圖3中系統(tǒng)軟件方塊的底部是由操作系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)程序,包括主控制器驅(qū)動(dòng)程序(OPENHCI.SYS或者UHCD.sYs),Hub驅(qū)動(dòng)程序(USBHUB.SYS)和一個(gè)類驅(qū)動(dòng)程序(USBD.sYS).在第三級(jí),一組數(shù)據(jù)管道把客戶軟件與一組接口連接起來(lái),這些接口組成設(shè)備的功能(function).WDM驅(qū)動(dòng)程序占據(jù)系統(tǒng)軟件方塊的頂部,它的工作就是把應(yīng)用軟件的請(qǐng)求翻譯成USBD能執(zhí)行的事務(wù),傳遞給底層的USB驅(qū)動(dòng)程序.USB設(shè)備r一一一一一一一一一.一一一一一一一一'一一一一._一一虛擬信息流._物理信息流圖3UsB層次通信模型

11、3解決方案USB總線是分層的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在一個(gè)USB系統(tǒng)中只有一個(gè)USB主機(jī),兩臺(tái)計(jì)算機(jī)具有兩個(gè)根集線器,無(wú)法直接構(gòu)成USB系統(tǒng).目前針對(duì)這傳感技術(shù)2005正一問題的解決方案就是采用橋聯(lián)方式采用兩塊USB設(shè)備分別和兩臺(tái)計(jì)算機(jī)相連,USB設(shè)備之間交換數(shù)據(jù).比如Cypress公司的EZLink和Prolific公司的PL一2301把兩個(gè)外設(shè)控制器和共享緩沖區(qū)集成到一塊芯片上,作為兩臺(tái)主機(jī)通過USB總線通訊的橋梁,從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸.實(shí)驗(yàn)方案采用Prolific公司開發(fā)的PL一2302USBUSBbridge芯片,支持USB1.1,全速傳輸模式12Mb/s.圖4為PI.2302框架示意圖

12、,該芯片包含兩組獨(dú)立工作的USB單元,它們通過之間的FiFo緩沖和邏輯控制單元無(wú)阻塞的交換數(shù)據(jù),同時(shí)芯片集成時(shí)鐘振蕩器,相同步回路,電壓調(diào)整,加點(diǎn)復(fù)位電路等,不需要附加邏輯電路.PortAPortAPortBPortBSElogiclogicSEL_r圖4PL2302框架圖實(shí)驗(yàn)方案中控制傳輸用于在主機(jī)列舉階段完成對(duì)PL一2302的配置及在兩臺(tái)主機(jī)通信時(shí)控制PL一2302的握手信號(hào);中斷傳輸用于PL一2302定期(每毫秒一次)向主機(jī)報(bào)告握手信號(hào)的狀態(tài);塊傳輸用于兩臺(tái)主機(jī)之間實(shí)時(shí)地交換數(shù)據(jù).根據(jù)USB協(xié)議,控制傳輸被確保擁有10%的USB總線帶寬,中斷傳輸和等時(shí)傳輸最多可以使用90%的帶寬,塊傳輸

13、使用剩余的最大可用帶寬(最多95%).芯片端點(diǎn)設(shè)置情況如表1.表1PI_2302芯片端點(diǎn)設(shè)置PL一2302除了響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求外,還能對(duì)響應(yīng)廠商自定義的請(qǐng)求.其中廠商自定義請(qǐng)求ClearQuieHSnkFeature和SetQuickLinkFeature用于控制兩臺(tái)主機(jī)通信時(shí)PL一2302的握手信號(hào),在這幾個(gè)握手信號(hào)的協(xié)調(diào)下,上位機(jī)和下位機(jī)可以雙向通信.這些握手信號(hào)信息如表2所示.WDM驅(qū)動(dòng)程序Usblink的編寫采用DriverStu.clio,向?qū)傻某绦蛑饕║sbllinkDrv和表2PI2302握手信號(hào)握手信號(hào)說明指示本地USB端口是否準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)的指TXfu)Y示信號(hào)SE

14、N掛起使能信號(hào),置位后,PL一2301支持標(biāo)準(zhǔn)的一USB掛起特性RESET一0塊輸出管道的復(fù)位信號(hào),用于出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)復(fù)位塊輸出通道塊輸入管道的復(fù)位信號(hào),用于出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)復(fù)位RESET.IN塊輸入臂道TXREQ塊尊入苧苧的復(fù)位信號(hào),用于出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)復(fù)位TXREQ塊傳輸?shù)恼?qǐng)求信號(hào)TXC塊傳輸完成的指示信號(hào)PEERE告訴對(duì)方本地端口是否連接好的指示信號(hào)UsblinkDeviee兩個(gè)類,前者從KDriver類繼承,KDirver類封裝了DDK程序的人口函數(shù)DriverEnt.ry,為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了基本的框架,負(fù)責(zé)初始化驅(qū)動(dòng)程序,并把IRPs發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備;后者的祖先類是KDeviee,KDeviee類是

15、對(duì)物理設(shè)備和邏輯設(shè)備的一個(gè)抽象,它的成員函數(shù)包括排隊(duì)和完成碾.PS,與底層設(shè)備通信的接口,到其他系統(tǒng)對(duì)象(比如中斷,DMA通道等)的接口,以及針對(duì)各種類型碾一PS的處理函數(shù).另一個(gè)重要類是KIrp,它是對(duì)I/O請(qǐng)求包(I)的封裝,其成員函數(shù)主要包括讀寫IRPs數(shù)據(jù)成員及相應(yīng)的通用操作等.UsblinkDevice類實(shí)際進(jìn)行設(shè)備USB數(shù)據(jù)的傳輸.主機(jī)PeA向主機(jī)PcB傳輸數(shù)據(jù)過程如圖5所示:圖5主機(jī)PeA向主機(jī)PcB傳輸數(shù)據(jù)過程編譯程序產(chǎn)生Usblink,sys,修改驅(qū)動(dòng)程序安裝配置文件UsblinkDrv.inf,具體信息參見參考文獻(xiàn)2.將程序結(jié)合到虛擬三坐標(biāo)機(jī)軟件中,主控機(jī)向虛擬測(cè)量機(jī)發(fā)送三

16、坐標(biāo)機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù),反應(yīng)及時(shí)快第1期劉新凱,劉書桂:基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案81速,最高數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到500700kB/s,在離PC),進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.多工作環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸正確無(wú)誤,完全符合項(xiàng)目參考文獻(xiàn):要求.4結(jié)束語(yǔ)本文通過對(duì)USB協(xié)議的分析,解決了目前無(wú)法通過USB協(xié)議直接連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的問題.實(shí)驗(yàn)證明通過USB協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)具有更高的可靠性和及時(shí)性,尤其適于移動(dòng)式測(cè)量控制的要求.但由于數(shù)據(jù)線增加了USB芯片,方案成本比較高,而且無(wú)法解決兩個(gè)USB設(shè)備(非計(jì)算機(jī))的互連問題.只有寄希望于新一代USB協(xié)議一一USB0TG(OnTheGo)協(xié)議.它是USBIF組織對(duì)傳統(tǒng)U

17、SB的一個(gè)追加協(xié)議,直接建立在USB2.0基礎(chǔ)之上,將主要應(yīng)用于各種不同的設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備間的聯(lián)接(脫(上接第65頁(yè))這種幾何校正的運(yùn)算可視為底層的視覺處理操作中比較復(fù)雜的應(yīng)用.為后續(xù)的視差匹配,三維重建的算法提供了良好的數(shù)據(jù),如圖5所示,幾個(gè)障礙物都被準(zhǔn)確重建出來(lái),從而體現(xiàn)了幾何校正的有效性.5結(jié)語(yǔ)圖5視差結(jié)果圖該系統(tǒng)用FI:A作為核心芯片來(lái)控制圖像的采集和視覺處理,將所有的邏輯都實(shí)現(xiàn)在單一芯片1Compaq,Intel,Microsoft,NEC.UniversalSerialBusspeeilieationZ,version1.1,Sep.231998.2MicrosoftCA)rpora

18、tion著,周明全等譯.Windows2000驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)大全M(上,下).機(jī)械工業(yè)出版社,2001.8.3ProlificTechnologyInc.PL一2302一USBbridgedeviceZ,ProDatasheet,Rev1.0.4JohnHyde(美)著,孫耀國(guó)譯.USB設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例M.北京:中國(guó)鐵道出版社,2OO3.5謝瑞和主編.串行技術(shù)大全M.北京:清華大學(xué)出版社,2003.6馬鳴錦等主編.高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及接口M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.內(nèi),簡(jiǎn)化了電路布線的復(fù)雜度.FPGA具有現(xiàn)場(chǎng)可編程的特性,因此可以非常方便地通過下載線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí).實(shí)踐證明,這個(gè)視覺處理系統(tǒng)不僅很好地完成了整個(gè)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集和處理功能,為后續(xù)的檢測(cè)算法提供了精確的數(shù)據(jù);而且具有極強(qiáng)的可二次開發(fā)性,是實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)圖像處理算法