基于COMX的機器人伺服控制器設計

摘要：為了配合EtherCAT協(xié)議在機器人控制系統上的使用，本文提出了基于COMX和STM32的機器人伺服控制器解決方案。介紹了COMX模塊的功能及結構，設計了基于FSMC的接口電路來(lái)控制COMX，并設計了COMX驅動(dòng)和伺服控制器的應用軟件。最后搭建實(shí)驗平臺以測試通信功能和分析轉發(fā)延時(shí)，驗證了本方案的可行性。
關(guān)鍵詞：機器人；伺服控制器；EtherCAT；STM32；COMX

引言
目前，機器人控制系統的研究重點(diǎn)在開(kāi)放式、模塊化控制系統等方面，機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò )化已成為研究熱點(diǎn)；同時(shí)，機器人伺服控制器的研究也具有很大的應用價(jià)值。在伺服通信方面，傳統的基于模擬信號傳輸的集散控制系統需采用數／模轉換器，系統構成復雜、分辨率低、可靠性得不到保障且難以擴展。為了解決此問(wèn)題，本系統采用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT協(xié)議作為機器人伺服系統的底層協(xié)議，同時(shí)構建伺服從站控制器。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)化了一般總線(xiàn)的互操作性和實(shí)時(shí)性等方面的問(wèn)題，能滿(mǎn)足控制網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)時(shí)性要求，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性高、速度快、拓撲結構靈活等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注。本控制器采用德國赫優(yōu)訊公司開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)模塊COMX來(lái)完成EtherCAT通信的功能，采用STM32系列單片機(以下簡(jiǎn)稱(chēng)STM32)為主控制器，由STM32來(lái)控制電機和COMX的工作流程。

1 COMX介紹
嵌入式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)模塊COMX-CA-RE是德國赫優(yōu)訊公司開(kāi)發(fā)的特殊網(wǎng)卡，支持所有主流的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(EtherCAT、PROFINET IO、Ethernet／IP、Power-Link、Sereos III、Modbus TCP等)。其協(xié)議棧設計成可裝載的固件存儲在Flash中；在系統啟動(dòng)時(shí)，COMX模塊會(huì )自動(dòng)裝載保存在Flash中的協(xié)議固件。COMX模塊使用netX500網(wǎng)絡(luò )控制芯片，主機通過(guò)雙端口內存DPM接口來(lái)進(jìn)行數據交互，通過(guò)對DPM讀和寫(xiě)來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信及模塊控制。COMX結構框圖如圖1所示。

COMX模塊與主機交互的接口是雙端口內存DPM，DPM是netX500控制器和主機之間共享的存儲區，應用程序通過(guò)DPM來(lái)實(shí)現EtherCAT數據通信、netX系統配置和診斷信息的獲取。在使用COMX模塊進(jìn)行通信時(shí)，主要完成主機對DPM操作程序的編寫(xiě)以及握手標記的設置等。EtherCAT網(wǎng)絡(luò )上的數據是實(shí)時(shí)地映射到DPM的，同時(shí)應用程序通過(guò)DPM來(lái)發(fā)送和接收數據，整個(gè)DPM區域是16 KB的地址空間。

2 硬件設計
本伺服控制器主要用于機器人伺服節點(diǎn)通信、關(guān)節電機的控制、I／O控制，以及傳感信息的采集。主要硬件由COMX和STM32來(lái)組成。其中COMX負責EtherCAT通信，STM32采用FSMC機制來(lái)讀寫(xiě)COMX。STM32是從站的伺服控制器主控芯片，主要進(jìn)行電機控制和A／D、D／A轉換模塊的控制，以及負責管理COMX模塊的運行流程。其中，伺服通信功能是基于EtherCAT協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)來(lái)達到各模塊互聯(lián)和數據交換的目的，這樣便于伺服節點(diǎn)的擴展和硬件結構的設計；電機控制方面，采用RS485接口控制SR518數字舵機；STM32的I／O口用于基本的輸入／輸出功能；A／D通道可以連接傳感設備用于機器人的感知，D／A通道用于對語(yǔ)音、電流等模擬量的輸出；RS232是開(kāi)發(fā)過(guò)程中的調試接口。其硬件結構框圖如圖2所示。

STM32采用FSMC機制控制COMX，將COMX映射到STM32的內存空間中，對COMX的讀寫(xiě)方式與讀寫(xiě)SRAM相同。嵌入式模塊COMX通過(guò)一個(gè)50引腳插槽來(lái)連接主控芯片，插槽包含了與主機通信必備的控制線(xiàn)總線(xiàn)、16位數據總線(xiàn)和14位地址總線(xiàn)等。COMX與STM32的硬件電路如圖3所示。CO MX內存映射到FSMC的第一個(gè)存儲塊的第4個(gè)分區中，起始地址為0x6C000000，并且采用8位數據寬度來(lái)讀寫(xiě)DPM存儲區。