何玉清

摘要：隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，為了滿足激光測(cè)量機(jī)器人對(duì)各關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)和激光位移傳感器所測(cè)高度數(shù)據(jù)采集的同步性，文章設(shè)計(jì)了一種激光測(cè)量機(jī)器人數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PROFIBUS總線和高速AD轉(zhuǎn)換芯片來達(dá)到數(shù)據(jù)同步采集的目的。采用STM32F103RCT6作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片，控制整個(gè)系統(tǒng)完成同步數(shù)據(jù)采集;由VPC3+C芯片實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議，通過PROFIBUS總線完成對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的傳輸;由16位高速A/D轉(zhuǎn)換芯片AD4001完成對(duì)激光位移傳感器的采樣。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)量機(jī)器人;激光位移傳感器;A/D轉(zhuǎn)換

1數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)主要由主控芯片、AD轉(zhuǎn)換電路、PROFIBUS-DP協(xié)議芯片、隔離電路和USB轉(zhuǎn)串口電路組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從圖中可以看出，工業(yè)機(jī)器人和數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過PROFIBU總線完成的，中間經(jīng)過RS485隔離電路到PROFIBU-DP從站協(xié)議芯片VPC3+C，最后通過并行數(shù)據(jù)接口連接到主控芯片STM32F103RCT6;激光位移傳感器的模擬輸出信號(hào)，通過16位高速AD轉(zhuǎn)換芯片AD4001將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后將得到的數(shù)字量數(shù)據(jù)通過串行接口經(jīng)隔離電路傳輸?shù)街骺匦酒?數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC機(jī)之間通過串口進(jìn)行連接。

2PROFIBUS-DP從站接口電路設(shè)計(jì)

2.1VPC3+C與STM32F103RCT6接口電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人之間通過PROFIBUS總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS總線是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。其數(shù)據(jù)傳輸速度為9.6Kbaud～12Mbaud。是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。PROFIBUS總線通信協(xié)議由三個(gè)兼容的部分組成，即PROFIBUS-PA（ProcessAutoma-tion）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）和PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）。PRO-FIBUS-PA協(xié)議是專門用于需要確保本征安全性或需要與總線供電的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的解決方案，數(shù)據(jù)傳輸速率是固定的其大小為32.15Kbps;PROFI-BUS-FMS用于解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，為用戶提供強(qiáng)有力的通信服務(wù)功能選擇，實(shí)現(xiàn)中等傳輸速度的周期性和非周期性數(shù)據(jù)傳輸;PROFIBUS-DP是專為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分散I/O的高速通信而設(shè)計(jì)的。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP協(xié)議來完成和工業(yè)機(jī)器人之間的通信。PROFIBUS總線是一種基于主從模式的現(xiàn)場(chǎng)總線，相互通信的兩個(gè)設(shè)備之間有主站和從站之分，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信的過程中作為從站。PROFIBUS-DP協(xié)議芯片和主控芯片是從站接口的核心器件。選用德國(guó)VIPA公司生產(chǎn)的VPC3+C作為PROFIBUS-DP協(xié)議芯片，VPC3+C是一個(gè)帶有8位微處理器接口的通訊芯片，用于智能PROFIBUS-DP從站的應(yīng)用，集成有全部PROFIBUS-DP協(xié)議，自動(dòng)識(shí)別和支持可達(dá)12Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。選用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6作為主控芯片，STM32F103RCT6是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位嵌入式-微控制器，具有256KB的程序存儲(chǔ)器，48KB的片上RAM，主頻為72MHz，具有豐富的片上外設(shè)。VPC3+C和STM32的連接電路如圖2所示。VPC3+C與外部控制器之間有80C32和80C165兩種連接方式，80C32方式適用于帶有總線接口的控制器，80C165方式適用于沒有總線接口的控制器。由于，STM32F103RCT6沒有總線接口，所以VPC3+C和STM32F103RCT6之間的連接方式選用80C165方式，通過I/O模擬總線的方式來訪問VPC3+C。從圖2的接線方式可以看出，在此系統(tǒng)中VPC3+C工作在異步Intel模式下，在該模式下VPC3+C的地址線和數(shù)據(jù)線是分開的。DB0～DB7為數(shù)據(jù)線分別連接到STM32F103RCT6的PB8～PB15;AB0～AB11（在這里ALE/AS作為AB11）為地址線分別連接到STM32F103RCT6的PC0～PC11;VPC3+C的時(shí)鐘由48MHz的有源晶振提供，VPC3+C將48MHz的時(shí)鐘4分頻以后由CLKOUT2/4引腳輸出作為主控芯片的時(shí)鐘源。

2.2電源電路設(shè)計(jì)

在此系統(tǒng)中，共用到了5種不同電壓值的電源。如圖3所示。分別為+24V、+5V_485、+5V_AD、+3.3V和+1.8V。其中+24V直接從機(jī)器人獲取，為激光測(cè)量傳感器和整個(gè)系統(tǒng)供電;+5V_485通過線性穩(wěn)壓器78M05從+24V電壓獲得，為機(jī)器人端的RS-485通信電路和同步信號(hào)發(fā)送電路中的TLP118供電;+5V_AD和+1.8V分別通過線性穩(wěn)壓芯片ADP7118-5.0和ADP7118-3.3從+12V電源獲得，分別作為AD4001的參考電壓和工作電壓，而+12V電源通過線性穩(wěn)壓器78L12從+24V電源獲得;+24V電源經(jīng)過DC-DC電源隔離模塊B2412S-3W產(chǎn)生一個(gè)和+24V電源完全隔離的+12V電源，這個(gè)+12V電源在經(jīng)過線性穩(wěn)壓器ASM1117-3.3穩(wěn)壓得到+3.3V電源，為主控芯片、VPC3+C和一些數(shù)字信號(hào)隔離芯片提供邏輯電壓。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)同步性測(cè)試結(jié)果和AD轉(zhuǎn)換精度的測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的激光測(cè)量機(jī)器人數(shù)據(jù)同步采樣系統(tǒng)，對(duì)兩種數(shù)據(jù)的采集的同步性較好，AD轉(zhuǎn)換具有較高的精度。適用于實(shí)際情況中對(duì)測(cè)量精度要求比較的場(chǎng)合。此系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人和激光位移傳感器相結(jié)合，可以在保證測(cè)量精度的同時(shí)，大大提高測(cè)量速度和測(cè)量效率。解決了現(xiàn)有高精度測(cè)量設(shè)備測(cè)量速度慢測(cè)量效率低的難題。

參考文獻(xiàn)

[1]陳欣，金俊杰，王可.一種復(fù)雜曲面測(cè)量新技術(shù)的理論研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007（2）：18-19，23.

[2]李雪寶，許駿，鄧林華，等.非接觸式激光平面檢測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（3）：134-136，146.

（作者單位：南京牧鐳激光科技有限公司）