基于USB协议的虚拟现实坐标测量系统数据传输方案

1、基于USB协议的虚拟现实坐标测量系统数据传输方案第l8卷第1期2005年3月传感技术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协议的虚拟现实坐标测量系统数据传输方案刘新凯,刘书桂(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)摘要:采用PI2302USB桥联芯片设计两台计算机间的数据传输方案,并提供利用DriveStudio开发工具设计USB设备驱动程序的方法.结合虚拟现实坐标测量系统的实际,进行了计算机互连和数据传输的实验,结果表明:该方案具有高速可靠,灵活易用等优点.关键词:USB协议;虚拟现实;三坐标测量机;数据传输中图分类号:TP2

4、12文献标识码:A文章编号:10041699(2005)01一IX/7804在精密测试技术领域,三坐标坝4量机是一种集光学,机械,数控技术和计算机技术为一体的大型高效率精密测量仪器.虚拟三坐标测量系统由三坐标测量机,主控机和虚拟测量机三部分构成.主控机对三坐标机进行测量操作控制,同时把待测步骤传输给虚拟测量机,根据虚拟测量机反馈信息进行实际测量操作;虚拟测量机根据CAD工程图纸建立三维模型,自动选取有效测头运动路径,专家系统进行模拟测量.虚拟三坐标测量系统通过将工作负荷分担在不同计算机上,增加了测量系统的灵活性,有效改善了测量系统的工作效率.传输模块作为其中重要的模块之一,要求为控制机和虚拟测

5、量机之间提供高速,可靠的传输功能.现在通用的数据传输卡一般都是基于串行总线协议,ISA或PCI总线协议,存在着多种不足,比如安装麻烦,尤其不适合移动式测量;每个设备占用计算机的插槽,地址和中断资源,可扩展性差.根据目前USB2.0规范,USB总线是分层的星形拓扑结构.在一个USB系统中有且只有一个USB主机,根集线器在每帧开始广播SOF包到所有设备,然后通过Setup,IN和OUT令牌包和设备端点建立数据传输,通过握手包检测传输情况.故而,两台计算机具有两个根集线器,无法直接构成USB系统.针对这个USB协议的限制,权宜之计就是采用桥联方式将两块USB设备芯片分别和两台主机连接通讯,实现了两台

6、主机通过USB总线进行通讯的目的.1USB协议简介图1所示为PL一2302芯片集成两个外设控制器和共享缓冲区.USB(UniversalSerialBus)通用串收稿日期:2004-0908作者简介:刘新凯(1979一)男,硕士研究生,主要研究方向有智能坐标测量技术,图形图像处理等,sinkayeyou 第1期刘新凯,刘书桂:基于USB协议的虚拟现实坐标测量系统数据传输方案79行总线是由Compaq,I-IP,Intel,Lucent,Microsoft,NEC和Philips七家公司1995年联合推出的标准接口总线.该总线是一种连接外围设备的机外总线,为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便.

7、三坐标测量机虚拟测量机图1虚拟三坐标测量系统USB总线在物理层上是分层的星形拓扑结构,如图2所示,每条线段都是点对点连接,各种设备分享USB带宽.在一个USB系统中,有且只有一个USB主机(包括主机控制器,USB系统软件和客户软件)来管理USB系统;USB设备主要分为集线器和功能部件两大类.根集线器集成在主机系统内,向上与主总线(如PCI总线)相连,向下提供一图2USB物理总线拓扑结构个或多个连接点.USB是一种查询总线,由主控制器启动所有的数据传输,接人的USB设备通过主机调度,基于令牌的协议来共享USB带宽.端点(Endpoint)是一个可唯一识别的USB设备的部分,它是主机与设备间通信流

8、的一个结束点.一系列相互独立的端点在一起构成了一个USB逻辑设备.一个USB通道(Pipe)是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系,体现了主机上缓存和端点间传送数据的能力.USB协议提供了4种不同的数据传输方式:控制传输,中断传输,块传输,同步传输.2WDM驱动模型WDM(WindowsDriverMode1)是Microsoft的一种Windows驱动程序设计构架,采用了"基于对象"的技术,建立了一个分层的驱动程序结构.通过编写WDM驱动程序,用户态应用程序可以借助与WDM程序的通讯(利用CreateFile,CloseHandle,ReadFile,WriteFile

9、,DevieelOContro1),可以实现IO读写,直接存取硬件.编写WDM设备驱动程序的开发工具有Microsoft提供的DDK,以及Compuware的DriverWorks和DriverStudio,BlueWaters的DriverWizard等,后几者均对DDK进行了一定程度的封装,大大减轻了WDM驱动程序的开发难度.USB设备的每个配置中都含有一个或更多的接口(Interface),接口指出软件应该怎样访问硬件.设备的接口露出一个或多个端点,端点作为通信管道的一个终点.图3显示了一个多层次结构的通信模型,它表明了端点和管道所扮演的角色.在最低一级,USB电缆把主控制器与设备的总线

10、接口连接起来.在第二级,一个控制管道把系统软件与逻辑设备连接起来.图3中系统软件方块的底部是由操作系统提供的驱动程序,包括主控制器驱动程序(OPENHCI.SYS或者UHCD.sYs),Hub驱动程序(USBHUB.SYS)和一个类驱动程序(USBD.sYS).在第三级,一组数据管道把客户软件与一组接口连接起来,这些接口组成设备的功能(function).WDM驱动程序占据系统软件方块的顶部,它的工作就是把应用软件的请求翻译成USBD能执行的事务,传递给底层的USB驱动程序.USB设备r一一一一一一一一一.一一一一一一一一'一一一一._一一虚拟信息流._物理信息流图3UsB层次通信模型

11、3解决方案USB总线是分层的星形拓扑结构,在一个USB系统中只有一个USB主机,两台计算机具有两个根集线器,无法直接构成USB系统.目前针对这传感技术2005正一问题的解决方案就是采用桥联方式采用两块USB设备分别和两台计算机相连,USB设备之间交换数据.比如Cypress公司的EZLink和Prolific公司的PL一2301把两个外设控制器和共享缓冲区集成到一块芯片上,作为两台主机通过USB总线通讯的桥梁,从而实现两台计算机的数据传输.实验方案采用Prolific公司开发的PL一2302USBUSBbridge芯片,支持USB1.1,全速传输模式12Mb/s.图4为PI.2302框架示意图

12、,该芯片包含两组独立工作的USB单元,它们通过之间的FiFo缓冲和逻辑控制单元无阻塞的交换数据,同时芯片集成时钟振荡器,相同步回路,电压调整,加点复位电路等,不需要附加逻辑电路.PortAPortAPortBPortBSElogiclogicSEL_r图4PL2302框架图实验方案中控制传输用于在主机列举阶段完成对PL一2302的配置及在两台主机通信时控制PL一2302的握手信号;中断传输用于PL一2302定期(每毫秒一次)向主机报告握手信号的状态;块传输用于两台主机之间实时地交换数据.根据USB协议,控制传输被确保拥有10%的USB总线带宽,中断传输和等时传输最多可以使用90%的带宽,块传输

13、使用剩余的最大可用带宽(最多95%).芯片端点设置情况如表1.表1PI_2302芯片端点设置PL一2302除了响应USB标准请求外,还能对响应厂商自定义的请求.其中厂商自定义请求ClearQuieHSnkFeature和SetQuickLinkFeature用于控制两台主机通信时PL一2302的握手信号,在这几个握手信号的协调下,上位机和下位机可以双向通信.这些握手信号信息如表2所示.WDM驱动程序Usblink的编写采用DriverStu.clio,向导生成的程序主要包括UsbllinkDrv和表2PI2302握手信号握手信号说明指示本地USB端口是否准备好传输数据的指TXfu)Y示信号SE

14、N挂起使能信号,置位后,PL一2301支持标准的一USB挂起特性RESET一0块输出管道的复位信号,用于出现错误时复位块输出通道块输入管道的复位信号,用于出现错误时复位RESET.IN块输入臂道TXREQ块尊入苎苎的复位信号,用于出现错误时复位TXREQ块传输的请求信号TXC块传输完成的指示信号PEERE告诉对方本地端口是否连接好的指示信号UsblinkDeviee两个类,前者从KDriver类继承,KDirver类封装了DDK程序的人口函数DriverEnt.ry,为设备驱动程序提供了基本的框架,负责初始化驱动程序,并把IRPs发送给目标设备;后者的祖先类是KDeviee,KDeviee类是

15、对物理设备和逻辑设备的一个抽象,它的成员函数包括排队和完成碾.PS,与底层设备通信的接口,到其他系统对象(比如中断,DMA通道等)的接口,以及针对各种类型碾一PS的处理函数.另一个重要类是KIrp,它是对I/O请求包(I)的封装,其成员函数主要包括读写IRPs数据成员及相应的通用操作等.UsblinkDevice类实际进行设备USB数据的传输.主机PeA向主机PcB传输数据过程如图5所示:图5主机PeA向主机PcB传输数据过程编译程序产生Usblink,sys,修改驱动程序安装配置文件UsblinkDrv.inf,具体信息参见参考文献2.将程序结合到虚拟三坐标机软件中,主控机向虚拟测量机发送三

16、坐标机移动数据,反应及时快第1期刘新凯,刘书桂:基于USB协议的虚拟现实坐标测量系统数据传输方案81速,最高数据传输速度可以达到500700kB/s,在离PC),进行数据交换.多工作环境下数据传输正确无误,完全符合项目参考文献:要求.4结束语本文通过对USB协议的分析,解决了目前无法通过USB协议直接连接两台计算机的问题.实验证明通过USB协议传输数据具有更高的可靠性和及时性,尤其适于移动式测量控制的要求.但由于数据线增加了USB芯片,方案成本比较高,而且无法解决两个USB设备(非计算机)的互连问题.只有寄希望于新一代USB协议一一USB0TG(OnTheGo)协议.它是USBIF组织对传统U

17、SB的一个追加协议,直接建立在USB2.0基础之上,将主要应用于各种不同的设备或移动设备间的联接(脱(上接第65页)这种几何校正的运算可视为底层的视觉处理操作中比较复杂的应用.为后续的视差匹配,三维重建的算法提供了良好的数据,如图5所示,几个障碍物都被准确重建出来,从而体现了几何校正的有效性.5结语图5视差结果图该系统用FI:A作为核心芯片来控制图像的采集和视觉处理,将所有的逻辑都实现在单一芯片1Compaq,Intel,Microsoft,NEC.UniversalSerialBusspeeilieationZ,version1.1,Sep.231998.2MicrosoftCA)rpora

18、tion着,周明全等译.Windows2000驱动程序开发大全M(上,下).机械工业出版社,2001.8.3ProlificTechnologyInc.PL一2302一USBbridgedeviceZ,ProDatasheet,Rev1.0.4JohnHyde(美)着,孙耀国译.USB设计应用实例M.北京:中国铁道出版社,2OO3.5谢瑞和主编.串行技术大全M.北京:清华大学出版社,2003.6马鸣锦等主编.高性能个人计算机硬件结构及接口M.北京:国防工业出版社,2001.内,简化了电路布线的复杂度.FPGA具有现场可编程的特性,因此可以非常方便地通过下载线对系统进行升级.实践证明,这个视觉处理系统不仅很好地完成了整个计算机视觉系统的前端数据采集和处理功能,为后续的检测算法提供了精确的数据;而且具有极强的可二次开发性,是实现各种实时图像处理算法