基于IEEE1451.1的網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器設計

傳感器或執行器到微處理器及網(wǎng)絡(luò )之間的硬件和軟件接口標準。本文根據1451.1標準，研制面向Internet的網(wǎng)絡(luò )化智能機器人手爪傳感器系統，并給出硬件設計框圖和軟件流程。

傳感器 IEEE 1451.1 機器人手爪

引言

傳感器與網(wǎng)絡(luò )相連，是信息技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢。然而控制總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )多種多樣，千差萬(wàn)別，內部結構、通信接口、通信協(xié)議各不相同，以此來(lái)連接各種變送器（包括傳感器和執行器），則要求這些傳感器或執行器必須符合這些標準總線(xiàn)的有關(guān)規定。由于技術(shù)上、成本上的原因，傳感器的制造商無(wú)法使自己的產(chǎn)品同時(shí)滿(mǎn)足各種各樣的現場(chǎng)總線(xiàn)要求，而這些現場(chǎng)總線(xiàn)本身有各自的優(yōu)點(diǎn)，針對不同的應用對象，有自身的優(yōu)勢；但它們之間的不兼容性、不可互操作性和各自為戰的弊端，給廣大用戶(hù)帶來(lái)了很大的不便。一個(gè)通用的、普遍接受的傳感器接口標準將使制造商、系統集成者和最終用戶(hù)受益，這就是IEEE 1451標準產(chǎn)生最直接的原因[1～8]。在各方努力下，IEEE和NIST在1997年和1999年頒布了IEEE 1451.2和IEEE 1451.1標準，同時(shí)成立了2個(gè)新的工作組對標準進(jìn)行進(jìn)一步的擴展，即IEEE P1451.3和IEEEP1451.4。

IEEE 1451.2標準定義了一個(gè)連接傳感器到微處理器數字接口（STIM），并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )適配器（NCAP）把傳感器和執行器連接到網(wǎng)絡(luò )；IEEE 1451.1標準定義了網(wǎng)絡(luò )獨立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向對象的模型定義提供給智能傳感器及其組件。根據IEEE 1451.2標準，要研制一個(gè)網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器系統需要2個(gè)微處理器，分別承擔STIM模塊和NCAP模塊的內核作用，這給系統的研制帶來(lái)了很大的難度和復雜性。據IEEE和NIST最新資料，1451.X標準之間可以一起使用，也可以單獨使用。我們采用NetBox網(wǎng)絡(luò )模塊作為開(kāi)發(fā)平臺[9]，設計了基于IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò )化智能機器人手爪傳感器系統，實(shí)現了對機器人手爪狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò )監控，為整個(gè)機器人的網(wǎng)絡(luò )控制打下了基礎。

1 硬件設計

1.1 系統總體框圖

基于IEEE 1451.1標準的網(wǎng)絡(luò )化智能機器人手爪傳感器系統如圖1所示。它由傳感器、數據采集電路和NetBox網(wǎng)絡(luò )模塊組成。

1.2 傳感器簡(jiǎn)介

機器人手爪是機器人執行精巧和復雜任務(wù)的重要部件[10]。為了機器人能在存在不確定性因素的環(huán)境中進(jìn)行靈巧操作，其手爪必須具有很強的感知能力。即在機器人手爪上配置多種傳感器。手爪通過(guò)傳感器獲得外部環(huán)境的信息，以實(shí)現快速、準確、柔順地觸摸、抓取、操作工作等。

EMR機器人手爪的感覺(jué)系統由具有適當空間分布的10個(gè)力覺(jué)、6個(gè)接近覺(jué)、1個(gè)距離覺(jué)以及1個(gè)溫度傳感器構成。它們被一體化地設計和集成到手爪中，并且在手爪上集成了傳感器的信號調理電路，對外是一個(gè)15芯的接口來(lái)輸出傳感器信號和接入電源。采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )方法，對多傳感器的數據進(jìn)行融合，可得到手爪的握力大小，判斷手爪是否與工件安全連接（即可靠抓?。┮杂脵C器人手腕部所受的多維力大小和方向[11]。

1.3 數據采集電路

數據采集電路如圖1所示。它主要由4部分組成：位移傳感器脈沖信號接收電路、8253計數器電路、A/D轉換電路和地址譯碼電路。其工作原理如下：NetBox模塊通過(guò)CS0選通地址譯碼器，4根地址線(xiàn)可最多有16路輸出，從而選通相應的電路，啟動(dòng)相應的功能。比如通過(guò)地址設譯碼電路可選通多路模擬開(kāi)關(guān)，從而進(jìn)行機器手爪的力覺(jué)、接近覺(jué)和溫度傳感器的三個(gè)通道選擇，從而采集相應的傳感器信號；也可通過(guò)地址譯碼電路選中A/D轉換器，通過(guò)NetBox系統的XCLK時(shí)鐘分頻輸出控制A/D轉換，而A/D轉換結束后信號通過(guò)狀態(tài)線(xiàn)返回到NetBox的XIRQ，從而觸發(fā)中斷，讀取A/D轉換的結果。

1.4 NCAP

針對網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器的特點(diǎn)，我們選用了嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊NetBox作為NCAP的研制平臺。它的微處理器是Intel的高性能、32bit嵌入式微處理器386EX。NetBox模塊上設置了多種通信接口，包括可直接連接的以及網(wǎng)10Base-T接口、標準的RS232C接口、可擴展的RS422/RS485接口以及完善靈活的精簡(jiǎn)總線(xiàn)接口，可與大多數的A/D、D/A、DIO、定時(shí)器、雙口RAM等器件直接相連，而不需要任何接口邏輯電路等。圖2所示為NetBox模塊的功能框圖。

2 軟件設計

2.1 軟件框圖

系統軟件框圖如圖3所示。系統軟件采用模塊化設計，按功能分為：監控程序、外部中斷服務(wù)程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、初始化模塊、LCD顯示模塊、網(wǎng)絡(luò )通信模塊、客戶(hù)端服務(wù)程序和數據處理模塊。

2.2 系統工作流程

根據IEEE 1451標準的要求，我們利用CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）原理，把NetBox作為NCAP（網(wǎng)絡(luò )適配器），建立了嵌入式WEB服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是TCP/IP。圖4是系統的工作流程圖。系統啟動(dòng)初始化以后，判斷客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò )可有服務(wù)請求。有請求則轉向相應的處理，沒(méi)有請求則判斷數據處理定時(shí)到否。到則進(jìn)行多傳感器數據融合，得出機器人手爪當前的相應工作狀態(tài)，為機器人的控制、安全操作和行走提供決策的依據。

2.3 中斷服務(wù)程序

在本系統中，我們利用NetBox的中斷功能來(lái)采集傳感器數據和利用對外的輸出時(shí)鐘信號來(lái)控制A/D轉換。圖5是中斷服務(wù)程序流程圖。因為機器人手爪具有4種不同的傳感器，具各種傳感器具有不同的數量。在中斷服務(wù)程序中，采用設定標志位的方法，判斷每一種傳感器數據采集工作是否結束。沒(méi)有結束時(shí)，繼續當前傳感器的采樣；否則，轉入下一種傳感器的數據采集。在系統中斷服務(wù)程序中沒(méi)有相應的傳感器數據處理工作，是考慮到系統數據處理的工作量比較大，而且使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )算法進(jìn)行數據融合，否則易發(fā)生丟失數據。

結束語(yǔ)

在面向Internet的網(wǎng)絡(luò )化智能機器人手爪傳感器系統的設計中，我們采用了IEEE 1451.1標準中的一些先進(jìn)技術(shù)，系統具有如下特點(diǎn)：①電子數據表格TEDS技術(shù)，它可以充分描述傳感器的類(lèi)型、行為、性能屬性和相關(guān)的參數。比如，傳感器生產(chǎn)商的名稱(chēng)、傳感器的類(lèi)型和序列號等等，從而使傳感器具有了自我描述能力和自我識別能力；②校正引擎技術(shù)，使傳感器內部具有自動(dòng)修正誤差和自我補償能力；③支持TCP/IP協(xié)議，使系統只要在任何一個(gè)具有一定IP地址的Internet終端節點(diǎn)上，做到即插即用。