李玉曉 李 晟

[摘要]介紹一種冗余自由度的工業(yè)機(jī)器人單片機(jī)分布式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),控制系統(tǒng)的硬件電路組成及其工作原理。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)機(jī)器人分布式控制步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210034-01

一、引言

冗余機(jī)器人有七個(gè)關(guān)節(jié)即七個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要控制,總共須占用十四個(gè)引腳,由于機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的控制需要三個(gè)定時(shí)器,采用的控制是一種分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng),即將每個(gè)關(guān)節(jié)用一個(gè)單片機(jī)控制,可以解決定時(shí)器資源不足的問題,還能使擴(kuò)展的軟硬件的實(shí)現(xiàn)都比較簡單。

二、主單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主單片機(jī)控制系統(tǒng)是示教盒與下位單片機(jī)之間的橋梁。其主要功能包括與示教盒、從單片機(jī)AVR之間的通訊控制,示教數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ),再現(xiàn)時(shí)的軌跡插補(bǔ),以及對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等。

(一)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。AT89S8252內(nèi)部有8K可串行下載的FLASH程序存儲(chǔ)器,選擇擴(kuò)展片外不掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

數(shù)據(jù)總線由PO口提供,在數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展時(shí),PO口與許多芯片相連,數(shù)據(jù)究竟走哪條通道,由地址線控制各個(gè)芯片的片選端決定的。

由于擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用不同的指令和不同的控制信號(hào),兩者的地址空間可以重疊,均為64K字節(jié)。此外,對片內(nèi)和片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作也用不同的指令,故允許二者地址重復(fù),對于程序存儲(chǔ)器而言,不論片內(nèi),片外都使用相同的指令,依靠硬件電路進(jìn)行選擇。

(二)通訊電路。通訊部分主要包括主機(jī)AT89S8252與示教盒之間的串行通訊和主單片機(jī)與下位AVR單片機(jī)AT90S2313之間的多機(jī)通訊兩部分。上位單片機(jī)的串口用來與示教盒通訊。而與AVR單片機(jī)之間的通訊涉及到多機(jī)通訊問題,所以擴(kuò)展了一片串行接口芯片INS8250實(shí)現(xiàn)與下位單片機(jī)的串行通訊?？刂破鞑捎卯惒椒绞酱型ㄓ?數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可同時(shí)進(jìn)行。

利用INS8250芯片的并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換功能,8位并行數(shù)據(jù)經(jīng)D7～D0雙向引腳寫入芯片或由芯片讀出。串行數(shù)據(jù)位經(jīng)SOUT腳輸出,經(jīng)SIN腳輸入。寄存器地址信號(hào)、、是在片選有效作用下用于選擇芯片內(nèi)部寄存器的。

INS8250的SOUT輸出的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過一片245分別與6個(gè)AVR單片機(jī)的RXD相連,哪個(gè)單片機(jī)接收此數(shù)據(jù),則主要由軟件來控制;AVR的TXD則分別經(jīng)過三態(tài)門接到INS8250的SIN腳,哪個(gè)三態(tài)門打開則由觸發(fā)器273來控制,從而有效的避免了多機(jī)通信中易出現(xiàn)的高低電平短路現(xiàn)象。

(三)微處理器監(jiān)控電路。微處理器監(jiān)控電路采用MAX706芯片。監(jiān)控電路見圖1:

圖1監(jiān)控電路

(四)AVR下位機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)。AVR關(guān)節(jié)控制器,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的是AT90S2313型AVR單片機(jī)。

1.時(shí)鐘電路。采用內(nèi)部時(shí)鐘方式,其中晶振值選用4MHz,兩個(gè)電容值選用30PF。

2.通用串行接口UART。AT90S2313帶有一個(gè)全雙工的通用串行異步收發(fā)器。

(1)數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送通過把被傳送的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)ART的I/O寄存器來初始化。當(dāng)UCR中的TXEN位被設(shè)置為1時(shí)使能UART的傳送。

(2)數(shù)據(jù)接收。接收器前端的邏輯以16倍波特率采樣RXD引腳的信號(hào),當(dāng)線路閑置時(shí),一個(gè)邏輯0的采樣將被轉(zhuǎn)換為起始位的下降沿,并且起始位的探測序列被初始化。讓采樣1指示出第一個(gè)0采樣,跟隨1到0的轉(zhuǎn)換之后,接收器在第8、9和10個(gè)采樣RXD引腳。如果三個(gè)采樣中兩個(gè)或兩個(gè)以上是邏輯1,則起始位是噪聲尖峰而被拒絕,接收器繼續(xù)探測下一個(gè)1到0的轉(zhuǎn)換。如果一個(gè)有效的起始位被發(fā)現(xiàn),就開始起始位之后的數(shù)據(jù)位的采樣。

三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),步進(jìn)脈沖信號(hào)CP用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度。驅(qū)動(dòng)器的CP信號(hào)為低電平有效,要求CP信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流為8-15mA,對CP的脈沖寬不小于5μS。方向電平信號(hào)DIR用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,AVR單片機(jī)AT90S2313的15腳為PWM控制引腳,用其控制驅(qū)動(dòng)器使能端,就可以控制電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路圖

四、結(jié)論

機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)具有成本低、精度高、可靠性好、功能強(qiáng),最大限度地發(fā)揮現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)的處理功能,具有很好的擴(kuò)展性,有較大的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

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作者簡介:

李玉曉(1983-),女,碩士學(xué)位,助教,主要研究方向:系統(tǒng)與電路。