電力線(xiàn)載波通訊模塊在機器人控制技術(shù)中的應用

1 引言
機器人控制中采用各種通訊手段。這些通訊手段可分為有線(xiàn)通訊與無(wú)線(xiàn)通訊。無(wú)線(xiàn)通訊的優(yōu)點(diǎn)是不必配備專(zhuān)用的通訊電纜，設備各部分相互獨立，配置靈活。缺點(diǎn)是抗干擾性能低，另外會(huì )對鄰近設備造成無(wú)線(xiàn)電干擾，受無(wú)線(xiàn)電管制的約束。有線(xiàn)通訊可靠性高，但需配備專(zhuān)用的通訊電纜，提高了系統的設計與制造成本。近年來(lái)電力線(xiàn)載波通訊技術(shù)發(fā)展迅速，這為機器人控制提供了新的通訊手段。電力線(xiàn)載波通訊技術(shù)的特點(diǎn)^［２］是既有如RS485串行有線(xiàn)通訊方式的高可靠性，又不必專(zhuān)門(mén)鋪設通訊電纜，而是利用現有設備的電力輸電線(xiàn)。專(zhuān)用于電力線(xiàn)載波通訊的芯片很多，本系統采用美國Intellon公司的電力線(xiàn)載波通訊模塊。Intellon電力線(xiàn)載波通訊模塊的技術(shù)特點(diǎn)是^［１］：采用擴譜載波通訊技術(shù)，因此抗干擾能力很強，在環(huán)境惡劣的工業(yè)電纜上也能可靠地傳輸數據。模塊與電力線(xiàn)間的耦合方式簡(jiǎn)化到只有一對雙絞線(xiàn)。具有與EIA-600(CEBus)相兼容的通信總線(xiàn)標準，與主控制微處理器之間備有SPI高速傳輸接口、單5v電源，極易構成低成本的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。因此Intellon電力線(xiàn)載波通訊技術(shù)特別適合在機器人控制技術(shù)中應用。尤其當機器人聯(lián)網(wǎng)運行時(shí)其技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。
下面我們以Intellon公司的SSC(SpreadSpectrum Carrier) P200系列控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)P200)為例介紹電力線(xiàn)載波通訊技術(shù)在機器人控制中的應用。
2 使用P200控制器構成電力線(xiàn)載波通訊模塊
圖l所示為使用P200控制器構成的電力線(xiàn)載波通訊模塊。這是—個(gè)全雙工的網(wǎng)絡(luò )傳輸器。在發(fā)送模式下工作時(shí)，主控制處理器Host首先通過(guò)SPI接口把待傳輸的數據塊高速地傳輸到P200的中央處理器DLL Microprocessor。DLL中央處理器把數據經(jīng)D／A轉換成模擬量，由功率放大器AMP的放大后，經(jīng)前置濾波處理，濾掉對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾的諧波成份，再耦合到電力線(xiàn)上去。雖然輸入與輸出信息公用一根電力線(xiàn)，但由于A(yíng)MP功率放大器有三態(tài)門(mén)控制開(kāi)關(guān)，不會(huì )與輸入信號發(fā)生線(xiàn)路沖突。在接收模式下，傳輸信號通過(guò)電力線(xiàn)耦合進(jìn)入P200模塊，首先經(jīng)帶寬濾波器濾掉干擾信息，然后進(jìn)入P200，在芯片內部經(jīng)功率放大器Amp放大后，A／D轉換成數字量，進(jìn)入P200模塊的中央處理器DLL。DLL中央處理器由SPI接口高速地把數據塊傳入主控制處理器Host進(jìn)行分析處理。

3 P200數據傳輸軟件介面設計
本文中P200模塊完成一個(gè)標準數據塊的雙向傳輸任務(wù)，為此設計了專(zhuān)用的數據傳輸軟件介面，如表1所示，這個(gè)軟件介面由59個(gè)字節的寄存器數據結構組成。這個(gè)數據結構共有7個(gè)部分，各部分的主要功能如下表：

3．1 層配置信息
占用7個(gè)字節，規定了系統的工作模式以及最大重新啟動(dòng)次數。
3．2 傳輸介面標志信息
字節只讀寄存器，寄存的標志信息反映如下事實(shí)：
·一個(gè)數據包已收到或接收出現意外。
·一個(gè)發(fā)送過(guò)程已完成或傳輸出現意外。
·物理層錯誤或主機傳輸介面出錯。
·設備的復位狀態(tài)
3．3 控制寄存器
2字節只寫(xiě)寄存器，提供如下控制信息：
·確定主機忙閑與否；
·是否忽略掉一個(gè)數據包的接收過(guò)程；
·控制一個(gè)數據包的接收過(guò)程。
3．4 狀態(tài)寄存器
只讀寄存器,共6個(gè)字節。寄存上次數據包傳輸狀態(tài)，P200的設備型號與版本號。
3．5 數據通道控制寄存器
只寫(xiě)1字節寄存器。確定數據通道建立最短時(shí)間。
3．6 數據接受狀態(tài)寄存器
1字節只讀寄存器，確定接受數據時(shí)物理層檢測失敗的錯誤類(lèi)型。
3．7 數據包
數據包由一個(gè)頭文件和待發(fā)送的信息組成。頭文件包含控制場(chǎng)和地址場(chǎng)?？刂茍?chǎng)包含控制接收或發(fā)送信息時(shí)的控制指令。地址場(chǎng)包括了數據包的地址信息。
值得注意的是，P200數據傳輸軟件介面是由主控制微處理器Host Micro下載的，由于P200內部寄存器的易失性每次上電時(shí)，主控制微處理器Host Micro都必須對P200重新下載安裝一次軟件介面。
4 使用P200控制器構成的電力線(xiàn)載波通訊模塊在壁面清洗爬壁機器人系統中應用
圖2為我校研制的爬壁清洗機器人，其主要由機器人本體，控制系統，清洗機構，地面控制器，保險與卷?yè)P升降控制系統構成。其基本工作原理是：由地面控制器向本體控制器發(fā)出指令，機器人本體上的高速風(fēng)機起動(dòng)，產(chǎn)生較強吸附力，使機器人本體安全可靠地吸附在工作壁面上。然后驅動(dòng)兩套交流伺服電機，帶動(dòng)車(chē)輪使機器人在玻璃、瓷磚等壁面上快速移動(dòng)，同時(shí)清洗機械開(kāi)始工作完成相應清洗任務(wù)。在本體快速移動(dòng)同時(shí)，卷?yè)P升降系統也在地面控制器作用下相應升降運動(dòng)，使保險懸掛機構與機器人本體隨動(dòng)。

由上可見(jiàn)，機器人系統在工作時(shí)，地面控制器、機器人主體控制器、卷?yè)P升降系統控制器，三者間必須相互協(xié)調，交換信息，才能保證機器人的正常運行。這種信息的交換正是使用P200控制器構成的電力線(xiàn)載波通訊模塊，通過(guò)由地面拉上去的電力線(xiàn)進(jìn)行電力線(xiàn)載波通訊完成的。
圖3所示為壁面清洗機器人電力線(xiàn)載波通訊控制方案。當操作者按動(dòng)地面控制器功能鍵發(fā)出工作指令時(shí)，單片機AT89C51把信息送到顯示模塊顯示，同時(shí)經(jīng)電力線(xiàn)載波通訊模塊發(fā)送到電力線(xiàn)上。P200在發(fā)送指令信息時(shí)，附加上了地址號，由于主體控制器與卷?yè)P控制器的P200模塊具有不同的地址號，由地面控制器發(fā)來(lái)的信息只能被地址號相符的一方所接受。主體控制器與卷?yè)P控制器也可把相應的現場(chǎng)信息反饋到地面控制器，當地面控制器收到反饋信息后，由于各模塊地址唯一，會(huì )作出正確的解釋?zhuān)⒓皶r(shí)地向發(fā)信方發(fā)出回執，現場(chǎng)控制器在收到回執后知道信息已收到，會(huì )自動(dòng)停止發(fā)送反饋信息，否則發(fā)送反饋信息會(huì )定時(shí)進(jìn)行。
5 電力線(xiàn)載波通訊模塊在壁面清洗機器人聯(lián)網(wǎng)運行中應用
在清洗一個(gè)復雜壁面時(shí)，為提高工效，可使用多臺機器人聯(lián)網(wǎng)運行。由于多臺機器人都使用Intellon P200模塊利用電力線(xiàn)通訊，如不采取措施，會(huì )發(fā)生信息傳輸的混亂^［３］。為防止混亂在兩方面要采取措施。其一：機器人與機器人之間通訊如何協(xié)調。其二：機器人各部分之間如何協(xié)調。從前述內容我們知道單臺爬壁清洗機器人控制系統有地面控制器，主控制器，卷場(chǎng)升降控制器三大部分，事實(shí)上這三大部分的P200模塊電路構成是完全相同的。都由一個(gè)主控單片機，一個(gè)P200模塊，一個(gè)功率放大器及若干濾波器外圍電路組成，為此我們設計了一個(gè)標準的嵌入式P200模塊電路供所有功能模塊使用，如圖4所示。

在這個(gè)模塊電路中，使用了一個(gè)專(zhuān)用單片機AT89C2051^［４］作為與外部控制電路的接口控制器，這個(gè)單片機專(zhuān)職服務(wù)于P200的雙向通訊任務(wù)，在其ROM存儲器中固化了本模塊的二層地址信息，高層地址信息用一個(gè)字節記錄了該模塊是那個(gè)機器人的，低層地址信息用一個(gè)字節記錄了該模塊是屬于