基于USB接口的机器人上下位机通信

EDUROBOT-680-II型教学机器人是上海交通大学机器人研究所采用世界银行贷款研制的一种五自由度多关节的机器人。它具备工业机器的基本功能、良好的开放性以及舒适的使用界面，主要大专院校和科研机构提供教学和科研工具。学生可以通过亲手操作了解和学习工业机器人，它具备工业机器人的基本功能、良好的开放性以及舒适的使用界面，主要为大专院校和科研机构提供教学和科研工具。学生可以通过亲手操作了解和学习工业机器人，科研人员还可对它进行二次开发。

教学机器人的上位机（主控计算机）和下位机（运动控制器）原先采用并行口（LPT1）的SPP方式进行通信。利用LPT1的状态寄存器（Status Port）具有的读能力和每次传送半字节（Nibble）来实现数据的双向传送功能。每次传送的时序（次序）由软件建立，在控制字的协调下按照教学机器人的通信协议接收和发送数据。

目前USB越来越普及，正逐渐取代串口和并口在计算机接口中的地位。为了研究USB在实时通信时的性能，笔者已将教学机器人上下位机通信改用USB端口实现。

1 USB特点及其应用

通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是1994年底由Compaq、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的一种计算机接噪覆亡，目前已发展到USB2.0。由于USB具有以下几方面的特点，所以迅速普及，逐渐确定了在计算机接口中的主导地位。

（1）易用性。USB支持热插拔和即插即用。

（2）可扩展性。用户可以通过连接USB集线器到一个已有的端口来增加USB端口数量，集线器上还可以连更多的集线器。理论上可以连接127个外设到USB总线上。

（3）快速性。USB1.1版规定了两种传输速率：低速传输和全速传输。低速传输的速率是1.5Mbps，全速是12Mbps。这不但远远高于传统的串口传输速率，也比并口传输快了好多倍。最近推出的USB2.0允许的最高传输速率高达480Mbps。

（4）可靠性。USB的可靠性来自硬件设计和USB数据传输协议两方面的保证。USB驱动器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声；USB协议使用了差错校验和数据重传机制，可以最大程度保证数据传输的准确性。

（5）内置电源。USB总线内置电源线，可以给外设提供5V和最多500mA的电源供应，满足大部分低功耗外设的电源要求。

由于USB具有这些突出的优点，不但一些传统外设开始提供USB接口，而且大量新型外设也把USB接口作为首先甚至唯一的接口，如MP3播放器、移动硬盘等。由于USB的高可靠性和足够快的通信速率，USB开始应用于工业级的实时通信和控制，例如机器人系统中示教盒与控制器的通信。本文论述的用USB端口实现机器人上位机与下位机的通信也属于这些方面的应用。

2 用USB实现计算机双机通信

由于USB模型是一种Host-Slave(主机-外设)主从式结构，没有办法使两台主机不通过外设而直接通过USB总线通信。然而可通过增加外设控制器的方法使两台主机利用它们的USB端口通信。每个外设控制器连接到不同的主要，并利用共享的缓冲器交换数据。Cypress公司的EZ-Link和Prolific公司的PL-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总线通俗诉桥梁。其它公司也提供类似的控制芯片。在教学机器人中，采用PL-2301。

PL-2301是台湾Prolific公司生产的一种全速USB控制芯片。PL-2301的结构框图如图1所示。