片機驅動(dòng)LED數碼管顯示方式

針對多關(guān)節工業(yè)機械手的比例和開(kāi)關(guān)控制，以PLC作為其控制器，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊進(jìn)行數據傳輸，實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)遙控操作。

手持操作器采用16位單片機，對檢測到的按鈕和搖桿操作進(jìn)行數據編碼后通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送至PLC，PLC對其解碼后獲得指令實(shí)現對機械手各關(guān)節運動(dòng)的控制。該方案成本低，具有良好的通用性和可擴展性。

前言

可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一種適用性強的工業(yè)用控制器，廣泛應用于各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)，移動(dòng)機械設備的控制等環(huán)境較惡劣的工業(yè)場(chǎng)合。其工作性能穩定，可擴展性強，應用簡(jiǎn)便。根據不同的模塊配置，可以進(jìn)行邏輯及算數運算，對數字開(kāi)關(guān)量、模擬量等進(jìn)行控制和采集，同時(shí)具有豐富的總線(xiàn)接口形式，可以利用公開(kāi)的協(xié)議與不同設備構成復雜的系統。在我們所研制的工業(yè)機械手中，各關(guān)節由比例閥或開(kāi)關(guān)閥構成開(kāi)環(huán)液壓控制回路，實(shí)現比例調速或開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此我們選用了西門(mén)子的S7-200系列PLC作為其控制器。[1>[2>

在一些環(huán)境復雜的應用場(chǎng)合，尤其是對于移動(dòng)機械設備，控制系統的布線(xiàn)受到諸多限制，操作人員與控制系統的位置安排不方便。因此，具有高度靈活性的無(wú)線(xiàn)遙控操作系統的應用得到了推廣。目前工業(yè)上應用的無(wú)線(xiàn)遙控操作系統一般采用無(wú)線(xiàn)電數字傳輸方式。一些芯片廠(chǎng)商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各種適應于不同場(chǎng)合和要求的RF芯片[3>。

無(wú)線(xiàn)數傳模塊是一種集成式的專(zhuān)用于無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)的模塊，可直接通過(guò)數據總線(xiàn)與其它控制、采集等模塊連接完成無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)功能，廣泛應用于工業(yè)遙控、遙測，無(wú)線(xiàn)抄表，自動(dòng)化數據采集等場(chǎng)合。具有可靠性高，功耗低，協(xié)議透明使用方便等優(yōu)點(diǎn)。傳輸距離可以達到幾十至上百米，有些甚至可以到上千米的距離。目前很多廠(chǎng)商推出了工業(yè)化、系列化的產(chǎn)品，可以根據不同的使用場(chǎng)合和要求選擇合適的產(chǎn)品。

目前一些廠(chǎng)家推出了專(zhuān)用的基于嵌入式處理器的工業(yè)用無(wú)線(xiàn)遙控器，其性能優(yōu)異，集成度高。如HBC、JAY等，應用于混凝土泵車(chē)、裝載機等場(chǎng)合。但由于其一般針對專(zhuān)用工程設備，不具有較好的通用性及可擴展性，且主要是國外廠(chǎng)家，價(jià)格高昂，其應用推廣受到限制。

在我們研制的多關(guān)節工業(yè)機械手中，采用PLC作為其主控制器，完成對液壓泵站和各關(guān)節液壓閥的開(kāi)關(guān)及比例控制，實(shí)現機械手的基本功能。采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式收發(fā)數字信號，實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)遙控功能，所設計的手持遙控器的輸入開(kāi)關(guān)量及模擬量由16位單片機采集并編碼輸出。

1.總體方案

該機械手用于巷道內進(jìn)行混凝土噴漿作業(yè)，有自動(dòng)和手動(dòng)操作兩種模式。自動(dòng)模式下，PLC控制機械手各關(guān)節按程序預定的軌跡運動(dòng)，調整機械手末端的方位與角度，使噴漿噴頭按設定軌跡運動(dòng)，且始終垂直于受?chē)姷南锏烂?，完成巷道表面的噴漿作業(yè)。手動(dòng)模式下，由操作員分別采用按鈕和比例搖桿對開(kāi)關(guān)閥和比例閥進(jìn)行控制，驅動(dòng)各關(guān)節運動(dòng)，控制混凝土噴頭的方位及角度。其中按鈕控制泵站的啟停及開(kāi)關(guān)閥的方向切換，比例搖桿則根據操作人員的控制，形成一個(gè)±10V范圍內的模擬量，比例閥根據模擬量的大小及方向，控制關(guān)節運動(dòng)速度的大小及方向。

在布線(xiàn)方便的情況下，按鈕操作及搖桿操作的開(kāi)關(guān)及比例信號可通過(guò)電纜直接輸入到PLC的數字量及模擬量輸入模塊。這種方式結構簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，控制系統的硬件設計及軟件編程極為簡(jiǎn)化。但在實(shí)際工業(yè)現場(chǎng)中，布線(xiàn)受到諸多限制，尤其是對于移動(dòng)型設備，采用有線(xiàn)控制方式人員操作不夠方便靈活。由于我們研制的機械手需要在軌道上長(cháng)距離運動(dòng)，且操作距離較遠，因此必須采用無(wú)線(xiàn)遙控操作的方式。為此我們采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊作為通信模塊，并設計了基于16位單片機的手持式操作器，改進(jìn)后的遙控型機械手控制系統總體功能框圖如圖2所示。無(wú)線(xiàn)數傳模塊成對使用，在手持操作器端和機械手本體上的控制系統端各有一塊，分別完成數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送及接收功能。在控制系統需要的時(shí)候，也可以雙向收發(fā)，即同一端的數傳模塊在數據接收和數據發(fā)送功能中切換。此時(shí)需要注意，數傳模塊的發(fā)送與接收功能的切換需要一定的時(shí)間。

手持操作器根據操作員對按鈕及搖桿的不同操作，通過(guò)IO口及AD轉換進(jìn)行采集，采集后的信息進(jìn)行數字編碼后形成指令，以ASCII碼的形式通過(guò)串口發(fā)送到無(wú)線(xiàn)數傳模塊，無(wú)線(xiàn)數傳模塊再將指令以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)出;機械手上的控制系統的數傳模塊接收到發(fā)送來(lái)的指令編碼后通過(guò)串口總線(xiàn)傳送至PLC，PLC對指令編碼進(jìn)行解碼，分解出不同的操作指令，然后進(jìn)行邏輯運算，根據不同的指令得到不同的需要執行的動(dòng)作，再通過(guò)數字輸出和模擬輸出控制相應的繼電器或閥動(dòng)作，從而實(shí)現對機械手各關(guān)節的遠程無(wú)線(xiàn)操作。通過(guò)信號電纜連接到PLC的按鈕操作輸入及搖桿操作輸入保留在機械手本體上，作為備份或檢修使用。同時(shí)，在PLC數字輸入口和手持操作器上均設置遙控操作切換按鈕，可以進(jìn)入或退出遙控操作模式。PLC上的按鈕操作應具有更高的優(yōu)先級。

由于搖桿操作采集的對象為搖桿的比例位置狀態(tài)，它采用的是自動(dòng)對中的設計的。因此在控制系統軟件結構上，采用循環(huán)發(fā)送指令的方式。即進(jìn)入無(wú)線(xiàn)控制狀態(tài)后，手持操作器就定時(shí)地將采集到的狀態(tài)發(fā)送出來(lái)，而不管此時(shí)有沒(méi)有操作人員的操作輸入。

2.通信模式選擇

無(wú)線(xiàn)數傳模塊一般具備三種接口模式：TTL電平UART接口，可直接與單片機或其它芯片的串口管腳相連;標準的RS-232接口;標準的RS-485接口。其中232接口模式與485接口模式通過(guò)跳線(xiàn)進(jìn)行切換。西門(mén)子的S7-200系列PLC具備一個(gè)或兩個(gè)RS-485標準的接口，因此可以采用后兩種方式，將PLC直接與無(wú)線(xiàn)數傳模塊的485接口相連;或者利用與PLC相配的PC/PPI電纜將PLC的485接口轉換為232接口后，再與無(wú)線(xiàn)數傳模塊的232接口相連。

S7-200系列PLC的通訊端口支持多種通訊協(xié)議，此處可以采用的有兩種。一種是西門(mén)子的PPI主-從協(xié)議，利用這種協(xié)議主站可以直接對從站，即控制系統中的PLC，發(fā)出指令，控制從站的各端口及功能。這種方式PLC的編程簡(jiǎn)單，不需要對原有從站程序進(jìn)行修改。但是PPI協(xié)議不是一個(gè)公開(kāi)的協(xié)議，在文獻[4>中提到了一種通過(guò)串口偵聽(tīng)獲取PPI協(xié)議從而利用主站編程控制從站的方式。另外一種通訊模式是自由口模式，利用自定義的PLC程序控制S7-200CPU的通訊端口，使用用戶(hù)自己定義的通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現與外界的通訊。這種模式支持ASCII和二進(jìn)制協(xié)議。自由口模式使用簡(jiǎn)單、靈活，但需要對PLC進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的編程。因為無(wú)線(xiàn)遙控所需數據量不大，通過(guò)比較，選擇了自由口通訊模式，以ASCII碼的形式在手持操作器和PLC之間傳遞命令和反饋信息。在PLC內編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)的無(wú)線(xiàn)控制程序，實(shí)現無(wú)線(xiàn)控制狀態(tài)下的數據通信及對機械手的控制。

無(wú)線(xiàn)數傳模塊的功能僅為實(shí)現PLC與手持操作器的無(wú)線(xiàn)通信功能，對于PLC與手持操作器中CPU而言，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊的無(wú)線(xiàn)通信與通過(guò)串行端口直接相連的有線(xiàn)通信兩種方式，在編程上是沒(méi)有任何差別的。

單片機與無(wú)線(xiàn)數傳模塊的通信接口則可以選擇三種接口模式中的任一種，既可以采用簡(jiǎn)單的直接相連;為提高穩定性，也可以采用232或485芯片進(jìn)行電平轉換后再與數傳模塊相連。為保持更好的可擴展性，我們選擇了RS-232接口標準。

3.手持操作器的設計

手持操作器的功能為通過(guò)處理器的數字IO及AD功能檢測按鈕及搖桿上的操作輸入，并將轉換后的數字信號進(jìn)行編碼后形成控制指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊發(fā)出。

XC166系列單片機是英飛凌科技（Infineon）的16位微控制器產(chǎn)品，其優(yōu)異的內核結構，高效的指令集，以及不斷擴充更新的產(chǎn)品線(xiàn)，使其廣泛應用于汽車(chē)電子、工業(yè)控制和信息技術(shù)領(lǐng)域。該系列單片機具有豐富的接口模式，如14通道10位AD變換器，同步/異步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模塊，79個(gè)IO引腳等，并可與各種設備組成通訊網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)，該系列單片機適應于惡劣的工業(yè)環(huán)境，工作溫度可在-40～125°C。[6>針對我們所設計的手持操作器的功能，我們選擇了XC166系列中的XC164CS型單片機。這樣只需附加極少的外圍硬件，就可以實(shí)現所需的功能，同時(shí)，使該遙控器具有工作性能穩定和易于進(jìn)行功能擴展的優(yōu)點(diǎn)。

手持操作器的功能模塊主要包括AD采樣功能，即采集搖桿操作產(chǎn)生的比例控制電壓;數字IO功能，即采集按鈕操作狀態(tài)和進(jìn)行一些功能狀態(tài)顯示;通訊功能，即定時(shí)地將采集到的控制指令按規定的格式編碼后通過(guò)串口以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送。

手持操作器由電池供電，XC166系列單片機及無(wú)線(xiàn)數傳模塊可以滿(mǎn)足低功耗的要求。

4.數據可靠性

無(wú)線(xiàn)遙控操作系統必須保證數據傳輸的高可靠性和控制的安全性，避免發(fā)生失控和錯誤控制指令現象，本系統主要通過(guò)以下幾方面來(lái)保證：

無(wú)線(xiàn)數傳模塊的高抗干擾能力和低誤碼率，高效前向糾錯信道編碼技術(shù);

串行通訊協(xié)議校驗，一般采用奇偶校驗;

軟件協(xié)議校驗;通過(guò)軟件編程，對發(fā)送的數據進(jìn)行校驗，可采用CRC校驗、交互確認或多次發(fā)送對比的方式。在我們的程序中采用同一動(dòng)作指令重復發(fā)送的方式，只有命令指令與確認指令完全相同，PLC才接受指令，否則忽略此指令。這樣就完全避免了通信所產(chǎn)生的錯誤指令;

PLC的“軟件看門(mén)狗”;在PLC程序中設置定時(shí)程序，當超時(shí)未收到無(wú)線(xiàn)指令時(shí)，停止機械手動(dòng)作，防止由于通訊中斷而使機械手失控;

通過(guò)以上四個(gè)措施，可以有效地保證無(wú)線(xiàn)遙控的可靠性，防止產(chǎn)生錯誤操作指令或機械手失控。

5.結論

通過(guò)試驗證明，這種采用PLC和無(wú)線(xiàn)數傳模塊的遙控方式簡(jiǎn)單可行，由于PLC及數傳模塊都有成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，可靠性高，成本低，擴展性好，因此本方案具有較高的實(shí)用價(jià)值，簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。但手持操作器中的單片機模塊尚需進(jìn)一步的工業(yè)化設計，以達到更高的工業(yè)可靠性要求，并實(shí)現總線(xiàn)通信、自檢驗等更多功能。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：通過(guò)設計一種新的架構體系，利用工業(yè)化的無(wú)線(xiàn)數傳模塊 ，將PLC控制與無(wú)線(xiàn)遙控結合起來(lái)，使機械手控制系統能夠兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，降低了成本、滿(mǎn)足了控制系統穩定性、兼容性及無(wú)線(xiàn)控制的要求。