基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實坐標測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案

1、基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實坐標測量系統(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)實坐標測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案劉新凱,劉書桂(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津300072)摘要:采用PI2302USB橋聯(lián)芯片設計兩臺計算機間的數(shù)據(jù)傳輸方案,并提供利用DriveStudio開發(fā)工具設計USB設備驅動程序的方法.結合虛擬現(xiàn)實坐標測量系統(tǒng)的實際,進行了計算機互連和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒?結果表明:該方案具有高速可靠,靈活易用等優(yōu)點.關鍵詞:USB協(xié)議;虛擬現(xiàn)實;三坐標測量機;數(shù)據(jù)傳輸中圖分類號:TP2

4、12文獻標識碼:A文章編號:10041699(2005)01一IX/7804在精密測試技術領域,三坐標壩4量機是一種集光學,機械,數(shù)控技術和計算機技術為一體的大型高效率精密測量儀器.虛擬三坐標測量系統(tǒng)由三坐標測量機,主控機和虛擬測量機三部分構成.主控機對三坐標機進行測量操作控制,同時把待測步驟傳輸給虛擬測量機,根據(jù)虛擬測量機反饋信息進行實際測量操作;虛擬測量機根據(jù)CAD工程圖紙建立三維模型,自動選取有效測頭運動路徑,專家系統(tǒng)進行模擬測量.虛擬三坐標測量系統(tǒng)通過將工作負荷分擔在不同計算機上,增加了測量系統(tǒng)的靈活性,有效改善了測量系統(tǒng)的工作效率.傳輸模塊作為其中重要的模塊之一,要求為控制機和虛擬測

5、量機之間提供高速,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,尤其不適合移動式測量;每個設備占用計算機的插槽,地址和中斷資源,可擴展性差.根據(jù)目前USB2.0規(guī)范,USB總線是分層的星形拓撲結構.在一個USB系統(tǒng)中有且只有一個USB主機,根集線器在每幀開始廣播SOF包到所有設備,然后通過Setup,IN和OUT令牌包和設備端點建立數(shù)據(jù)傳輸,通過握手包檢測傳輸情況.故而,兩臺計算機具有兩個根集線器,無法直接構成USB系統(tǒng).針對這個USB協(xié)議的限制,權宜之計就是采用橋聯(lián)方式將兩塊USB設備芯片分別和兩臺主機連接通訊,實現(xiàn)了兩臺

6、主機通過USB總線進行通訊的目的.1USB協(xié)議簡介圖1所示為PL一2302芯片集成兩個外設控制器和共享緩沖區(qū).USB(UniversalSerialBus)通用串收稿日期:2004-0908作者簡介:劉新凱(1979一)男,碩士研究生,主要研究方向有智能坐標測量技術,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)實坐標測量系統(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)合推出的標準接口總線.該總線是一種連接外圍設備的機外總線,為微機系統(tǒng)擴充和配置外部設備提供了方便.

7、三坐標測量機虛擬測量機圖1虛擬三坐標測量系統(tǒng)USB總線在物理層上是分層的星形拓撲結構,如圖2所示,每條線段都是點對點連接,各種設備分享USB帶寬.在一個USB系統(tǒng)中,有且只有一個USB主機(包括主機控制器,USB系統(tǒng)軟件和客戶軟件)來管理USB系統(tǒng);USB設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物理總線拓撲結構個或多個連接點.USB是一種查詢總線,由主控制器啟動所有的數(shù)據(jù)傳輸,接人的USB設備通過主機調(diào)度,基于令牌的協(xié)議來共享USB帶寬.端點(Endpoint)是一個可唯一識別的USB設備的部分,它是主機與設備間通信流

8、的一個結束點.一系列相互獨立的端點在一起構成了一個USB邏輯設備.一個USB通道(Pipe)是設備上的一個端點和主機上軟件之間的聯(lián)系,體現(xiàn)了主機上緩存和端點間傳送數(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驅動模型WDM(WindowsDriverMode1)是Microsoft的一種Windows驅動程序設計構架,采用了"基于對象"的技術,建立了一個分層的驅動程序結構.通過編寫WDM驅動程序,用戶態(tài)應用程序可以借助與WDM程序的通訊(利用CreateFile,CloseHandle,ReadFile,WriteFile

9、,DevieelOContro1),可以實現(xiàn)IO讀寫,直接存取硬件.編寫WDM設備驅動程序的開發(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DDK進行了一定程度的封裝,大大減輕了WDM驅動程序的開發(fā)難度.USB設備的每個配置中都含有一個或更多的接口(Interface),接口指出軟件應該怎樣訪問硬件.設備的接口露出一個或多個端點,端點作為通信管道的一個終點.圖3顯示了一個多層次結構的通信模型,它表明了端點和管道所扮演的角色.在最低一級,USB電纜把主控制器與設備的總線

10、接口連接起來.在第二級,一個控制管道把系統(tǒng)軟件與邏輯設備連接起來.圖3中系統(tǒng)軟件方塊的底部是由操作系統(tǒng)提供的驅動程序,包括主控制器驅動程序(OPENHCI.SYS或者UHCD.sYs),Hub驅動程序(USBHUB.SYS)和一個類驅動程序(USBD.sYS).在第三級,一組數(shù)據(jù)管道把客戶軟件與一組接口連接起來,這些接口組成設備的功能(function).WDM驅動程序占據(jù)系統(tǒng)軟件方塊的頂部,它的工作就是把應用軟件的請求翻譯成USBD能執(zhí)行的事務,傳遞給底層的USB驅動程序.USB設備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撲結構,在一個USB系統(tǒng)中只有一個USB主機,兩臺計算機具有兩個根集線器,無法直接構成USB系統(tǒng).目前針對這傳感技術2005正一問題的解決方案就是采用橋聯(lián)方式采用兩塊USB設備分別和兩臺計算機相連,USB設備之間交換數(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總線通訊的橋梁,從而實現(xiàn)兩臺計算機的數(shù)據(jù)傳輸.實驗方案采用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阻塞的交換數(shù)據(jù),同時芯片集成時鐘振蕩器,相同步回路,電壓調(diào)整,加點復位電路等,不需要附加邏輯電路.PortAPortAPortBPortBSElogiclogicSEL_r圖4PL2302框架圖實驗方案中控制傳輸用于在主機列舉階段完成對PL一2302的配置及在兩臺主機通信時控制PL一2302的握手信號;中斷傳輸用于PL一2302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).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%).芯片端點設置情況如表1.表1PI_2302芯片端點設置PL一2302除了響應USB標準請求外,還能對響應廠商自定義的請求.其中廠商自定義請求ClearQuieHSnkFeature和SetQuickLinkFeature用于控制兩臺主機通信時PL一2302的握手信號,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.這些握手信號信息如表2所示.WDM驅動程序Usblink的編寫采用DriverStu.clio,向導生成的程序主要包括UsbllinkDrv和表2PI2302握手信號握手信號說明指示本地USB端口是否準備好傳輸數(shù)據(jù)的指TXfu)Y示信號SE

14、N掛起使能信號,置位后,PL一2301支持標準的一USB掛起特性RESET一0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塊輸入管道的復位信號,用于出現(xiàn)錯誤時復位RESET.IN塊輸入臂道TXREQ塊尊入苧苧的復位信號,用于出現(xiàn)錯誤時復位TXREQ塊傳輸?shù)恼埱笮盘朤XC塊傳輸完成的指示信號PEERE告訴對方本地端口是否連接好的指示信號UsblinkDeviee兩個類,前者從KDriver類繼承,KDirver類封裝了DDK程序的人口函數(shù)DriverEnt.ry,為設備驅動程序提供了基本的框架,負責初始化驅動程序,并把IRPs發(fā)送給目標設備;后者的祖先類是KDeviee,KDeviee類是

15、對物理設備和邏輯設備的一個抽象,它的成員函數(shù)包括排隊和完成碾.PS,與底層設備通信的接口,到其他系統(tǒng)對象(比如中斷,DMA通道等)的接口,以及針對各種類型碾一PS的處理函數(shù).另一個重要類是KIrp,它是對I/O請求包(I)的封裝,其成員函數(shù)主要包括讀寫IRPs數(shù)據(jù)成員及相應的通用操作等.UsblinkDevice類實際進行設備USB數(shù)據(jù)的傳輸.主機PeA向主機PcB傳輸數(shù)據(jù)過程如圖5所示:圖5主機PeA向主機PcB傳輸數(shù)據(jù)過程編譯程序產(chǎn)生Usblink,sys,修改驅動程序安裝配置文件UsblinkDrv.inf,具體信息參見參考文獻2.將程序結合到虛擬三坐標機軟件中,主控機向虛擬測量機發(fā)送三

16、坐標機移動數(shù)據(jù),反應及時快第1期劉新凱,劉書桂:基于USB協(xié)議的虛擬現(xiàn)實坐標測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案81速,最高數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到500700kB/s,在離PC),進行數(shù)據(jù)交換.多工作環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸正確無誤,完全符合項目參考文獻:要求.4結束語本文通過對USB協(xié)議的分析,解決了目前無法通過USB協(xié)議直接連接兩臺計算機的問題.實驗證明通過USB協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)具有更高的可靠性和及時性,尤其適于移動式測量控制的要求.但由于數(shù)據(jù)線增加了USB芯片,方案成本比較高,而且無法解決兩個USB設備(非計算機)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組織對傳統(tǒng)U

17、SB的一個追加協(xié)議,直接建立在USB2.0基礎之上,將主要應用于各種不同的設備或移動設備間的聯(lián)接(脫(上接第65頁)這種幾何校正的運算可視為底層的視覺處理操作中比較復雜的應用.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,幾個障礙物都被準確重建出來,從而體現(xiàn)了幾何校正的有效性.5結語圖5視差結果圖該系統(tǒng)用FI:A作為核心芯片來控制圖像的采集和視覺處理,將所有的邏輯都實現(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驅動程序開發(fā)大全M(上,下).機械工業(yè)出版社,2001.8.3ProlificTechnologyInc.PL一2302一USBbridgedeviceZ,ProDatasheet,Rev1.0.4JohnHyde(美)著,孫耀國譯.USB設計應用實例M.北京:中國鐵道出版社,2OO3.5謝瑞和主編.串行技術大全M.北京:清華大學出版社,2003.6馬鳴錦等主編.高性能個人計算機硬件結構及接口M.北京:國防工業(yè)出版社,2001.內(nèi),簡化了電路布線的復雜度.FPGA具有現(xiàn)場可編程的特性,因此可以非常方便地通過下載線對系統(tǒng)進行升級.實踐證明,這個視覺處理系統(tǒng)不僅很好地完成了整個計算機視覺系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集和處理功能,為后續(xù)的檢測算法提供了精確的數(shù)據(jù);而且具有極強的可二次開發(fā)性,是實現(xiàn)各種實時圖像處理算法