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                基於LM629的機器人單關節控制器設計

                基於LM629的機器人單關節控制器設計 近年來隨著人工智能技術、計算機技術以及網絡技術等相關技術的飛速發展,機器人在各個領域已經得到了廣泛的應用,成為♂了一類關鍵的基礎裝備。機 器人單關節控制器是機器人的重要組成部分,每個完整的機器人控制系統都是由 單個的機器人單關節控制器所組成,因此機器人單關節控制器對機器人控制系統 起著決定性的作用。 LM629 是美國國家半導☉體公司生產的可編程全數字精密運動控制芯片,內置 PID 算法和梯形圖發生器能夠自動生成速度曲線,平穩地加速、減速。本文采用 LM629 精密運動控制芯片、AT89C51CC03 單片機和少量的驅動電路構成了基於 LM629 CAN總線的機器人單關節→控制器。實驗表明,由 AT89C51CC03 LM629建立的CAN 總線的機器人單關節控制器,不僅簡化了機器人控制系統軟、硬件設 計,提高系統可靠性,減輕設計工作量,而且提高了系統性能,具有反應快,控 制精度高、實時◇性能好等優點。 通過對機器人單關節控制器的軟硬件設計和反復的調試,所制作的機器人單 關節控制器已經初步完成了預定的功能。AT89C51CC03 單片機對LM629 進行控制 和初步的數據處理,通過CAN 現場總線與主機¤或其他設備進行實時通信,可以組 成現場總線控制系統。 在本次畢業設計中完成了機器人單關節控制器的設計制作及軟件系統的設 計調試。 關鍵詞 LM629 運動控制器 51 單片機 CAN 總線 TitleDesign SimplexArticulatory Controller RobotBased LM629Abstract recentyears, correlationtechnology, artificial intelligence technology, computer technology networkingrapid development, robot has already obtained application widespread eachdomain essentialfoundation equipment. simplexarticulatory controller mostconstituent robot.Each complete control system simplexarticulatory controller robot.Therefore, simplexarticulatory controller decisiverole controlsystem robot.LM629 programmablecontrol chip precisemovement which produced SemiconductorCompany PIDalgorithm trapezoidalchart generator which can produce velocitycurve automatically, acceleration decelerationsteadily. articleused LM629,AT89C51CC03 fewactuation electric circuits simplexarticulatory controller robotbased CANbus. experimentindicates simplexarticulatory controller robotwhich madeup LM629can simplify design robotcontrol system hardware,enhance reliability system,reduce work load hasmerits including respond quickly control precision high, real time debuggingrepeatedly simplexarticulatory controller robothas already completed predeterminedfunction initially. AT89C51CC03carries preliminarydata processing LM629,carries real-timecommunication through CANbus mainengine otherequipment, may compose fieldbus control system. hascompleted manufacture simplexarticulatory controller softwaresystem KeywordsLM629 movement controller 51 MCU CAN bus 1.1機器人單關節控制器的研究背景及應用 1.2機器人單關節控制№器研究現狀 2.1機器人單關節控制器的總體設計 2.2機器人單關節控制器的方案論證 2.3機器人單關節控制器的組成 LM629運動控制器選擇 3.1LM629 的特點 3.2LM629 的操作↑理論 3.3LM629 讀〒和寫操作 113.4 旋轉編碼器接〖口 CAN現場總線 134.1 CAN 通信協議 134.2 CAN 控制器配置 165.1 位置檢測模塊設計 165.2 運動模塊設計 175.3 CAN 通訊模塊設計 326.1 單片機的C 語言程序設計說明 336.2 系統對々象字典 346.3 控制器總體程序流程圖 緒論機器人單關節控制器的研究背景及應用 機器人單關節控制器的研究背景 近年來隨著人工智能技術、計算機技術以及網絡技術等相關技術的發展,對智能 機器人的研究越來越多。機器人控制器成為各種智∩能控制方法(包括動態避障、群體 協作策略)的良好載體;同時,以現場總線為代表的控制網絡在工業以及其他控制系 統中卐扮演著不可缺少的角色。機◥器人控制系統開始從集散控制系統(DCS)向現場總線 控制系統(FCS)過度,現場總線將成為控制領域的主流。CAN 總線由於具有可靠性高、 成本低、容易實現等優點,在控制系統中得到廣泛的應用。由於♀機器人的各個組成部 分構成網絡◣化的分布式系統,為了開展多智能的調度、規劃等控制,所以對機器人控 制器的研究越來越受到重視。特別是在智能工程、控制工程以及機☆器人工程等領域起 著舉足輕重的作用。 機器人控制系統之間的雙向信息交換和實時數據傳輸需通過控制器來完成,因此 其控制器的運算工作量和通信工作量都很大。如果采用集中控制,CPU 的□運算速度 難以滿足實時性和高保真的性能要求。采用基於現場總線的分布式控制,把大量的伺 服控制和傳感器信息處理放在每個智能控制器節點來處理,有利於進一步提高控制系 統的性能。 機器人單關①節控制器的傳感器較多,線路比較復雜,線束的布局往往直接影響系統的性能。 大量的布線不僅影響使用和維修,而且也不美觀。 機器人單關節控制器的主要應用 機器人單關節控制器針ㄨ對於各種智能機器人、工業機器人、航天機器人等的設計, 對機器人各個關節進行實時的控制,因此機器人單關節控制器不僅可以對機器人的各 個關節控制進行∮管理,而且在各個智能節點設→備,也可以應用,特別是在研究和開發 領域,更是不可或缺的工具。 機器人單關節控制器作為一種很有潛力的高級機器人技術,在航天、軍工、核工 業、深♀海探測等特殊工作環境下正在大顯身手,而且在微創手術、生物醫學、虛擬現 實和地下開采等領域也扮演著越來越重要的角色。機器人單關節控制器是系統的關鍵設備,其性能好壞直接影響整個系統的可靠、穩定性。 機器人單關節控制器研】究現狀 國外研究現狀 國外的研究成果:目前,美國、英國、日本、新加坡、德國、法國、澳大利亞等 國家都早已研制出機器人單關節控制。如:東芝試制家用機器人“ApriAlpha” 該概念模型配備了新開發的利用分散對象技術的開放式機※器人控制器,因此可以很容 易追加新功能。另外該公司建立了利用分散對象技術的“開放式機器人控制器架構 (ORCA)”並且基於該架構新開發出控制器。采用模↓塊化設計的 IRC5 控制器是 ABB 公司最近推出的第五代機器人控制器,它標誌著機器人控制技術領域的一次最重大。 值得指出的是,由於將處理速度更高的微處理器引入至機器人控制器,從而顯╱著地提高 了機器人運動控制性能,使機器人制造商能將諸如減振算法、前饋控制、預測算法等 先進的現代控制理論嵌入到機器人控制器內。 圖1-1 為帶機器人單關節控制器【的機械手實物照片: 圖1-1帶機器人單關節控制器【的機械手實物照片 國內研究現狀 我國目前的研究狀況:國家863 計劃在“八五”、“九五”和“十五”期間分別 將機器人技術作為主題,制定了相應的高技術研究發展規劃。“八五”期間重點圍繞 惡劣環境的室外移動機器人』,用於處理核廢料的遙控移動作業機器人,壁面爬行機器 人,水下無纜自治機器人,高精度裝配機器人等五種類型開展先進機器人控制技術研 究。“九五”期間重點圍繞汽車,家電等工業機器人產ζ 業化與以水下 6000 米機器人 為代表的特種機器人等方面開展了先進機器人關鍵技術與應用示範研究。“十五”期 間進一步拓寬了機器人技術向自動化裝備◤◤技術方面的發展,一方面圍繞國家急需的關 鍵基礎裝⌒ 備,包括高精尖數控機床,全斷面盾構掘進機與工程機械.自動化生產線 等.開展了相應關鍵技術與應用示範研究另一方面圍繞國家社會發展需求的機器人與∏∏ 自動化裝備,包括深海載人潛器、仿人仿生機器人,危險作業與反恐防爆機器人.醫 療外科機器人等方面 開展了先◇進機器人控制器研究。 機器人控■制器在我國應用的主要問題是: 機器人控制器價格昂貴,許多企業和科學研究機構無法接受; 機器人控制器的許多標定基礎是以外國標準進行的,由於技術保密,系統參數 的修定只能由機器人▽控制器生產廠家來進行,無法適應我國產品品種多的現狀。 總之,無論從高校還是從企業來看,對機器人控制器的研究都已有很大的進展, 雖然還是落後於發達國家的研究水平,但隨著我國對科研研究力度的加大,對機器人 單關節控制的研究將更為深入,相信在不久的將來會研制出更ω加先進的機器人控制 機器人單關節控制器的主體設計機器人單關節控制包括硬件電路和軟件系統。硬件電路是軟件系統的載體,因此, 設計機器人單關節控制的電氣部分先得確定硬件電≡路的設計方案,然後再通過軟件系 統控制其工作。 機器人單關節控制器的總體設計 總體設計思想 基於LM629 精密運動控制器,利用CAN 現場總線與其他設備〓控制器進行通信。 通過調研決定①選取單片機AT89C51CC03 作為控制器的核心,C 語言作為設計程序語 言。機器人單關節控制總體設計方框圖如下圖2-1: 2-1機器人單關節控制總體設計方框圖 擬解決的主要問□ 題和研究的主要內容 擬解決的主要問□ 題: 微處理芯片(AT89C51CC03)硬件電路設計及用高級語言C 的程序設計; LM629 精密運動控制芯片的硬件電路設計及程序設計; CAN 現場總▲線通信的軟件設計; 擬研究的主要內容:AT89C51CC03 的接口電路設計及C 語言編程與PCB 圖的設計; 選擇LM629 精密運動控制芯片以及光電編碼器的確定; CAN 現場總線原理及應用; 機器人單關節控制器的方案論證 硬件電路◆的方案 AT89C51CC03 是ATMEL 公司推出的一款內帶 CAN 控制器增強型 80C51 單片 機。由於內置CAN 控制器,具有抗幹擾能力強和性能價格比高等優點,特別是在機 器人控制和實時通訊方面更具有其獨特的魅▂力。AT89C51CC03 具有完善的 CAN 制器,利用TXDC和RXDC 兩個引腳來作為CAN 通信接口。通過此功能可以方便的 組成基於CAN 總線的分布式控制系統,實現數據的實時傳輸和交換。AT89C51CC03 單片↑機內部嵌入的ADC 模塊具有10 位數↑字量精度,共有8 個模擬通道,不用外加專 ADC即可以對模擬信號進行數字信號的轉化。因此,AT89C51CC03 可以作為 機器人單關節控制器的微處理器。 如圖2-2 AT89C51CC03 片內資源¤示意圖: 圖2-2AT89C51CC03 片內資源¤示意圖 如圖2-3 AT89C51CC03 片PLCC 封裝的外觀示意圖: 圖2-3 AT89C51CC03 的PLCC 封裝的外觀示意圖 AT89C51CC03 增強型51 單片機的主要特點: 80C51 內核;256 的片內RAM;2K 的片內ERAM;2K 的EEPROM;雙數據指針; 64KB片內可編程序Flash存儲器; 14個中斷向々量,其具有4個優先級的中斷; 工作時鐘頻率2MHz—60MHz; 3級程序存儲器保密; 32+4個可編程I/O口; 3個16位定時器/計數器;1個21位的看門狗; 5通道16位的PCA; 8通道10位的ADC; CAN控制器,全面支持CAN2.0A、CAN2.0B協議; 10 軟件系統的方案 在編寫單片機程序時,可以『用匯編語言編寫,也可以用 高級語言來編寫,還可以用兩者混合編程。C 語言作為高級語言,它更接近和體現人的設計思想;C 高級 語言是目前流行的一種計算機語言,它主要用於單片ξ 機和一般微型計算機。 高級語言程序設計快、可讀性好、可靠性高、可移植性好、代碼轉換質量高。單片機 高級語言的特點是同時兼有高級語言和匯編語言的優點,還能像匯編語言那樣直☆接利用 CPU 的硬件特性進行程序設計,直接操作單片機的硬件和接口。C 級語言目標模塊還可以同匯編連接組成一個完整的程序,目前在單片機應用領域,C高級語※言越來越受到人們的重視。使用 高級語言的工作效率高,其生成的機器代碼質量也是高水平的。 總體方案的確定 總體方案:基於LM629 運動控制芯片和內帶CAN 控制器的AT89C51CC03 單片 機構成的機器人單關節控制器,機器人單關節控◆制器示意圖如下圖2-4 所示。運動控 制芯片LM629 通過8 位數據線和6 根控制線與單片機AT89C51CC03 連。單片機通過數據線向LM629發送位置或速度命令、設定PID 調節參數,或者從 LM629 中讀取速度、加速度等數值。LM629 輸出的脈寬調制幅度信號▼和方向信號, 經過功率放大後驅動直流電動機。增量式光電編碼○器提供閉環控制所需的反饋信號 (A、B、IN),梯形圖發生器計算出位置或速度模式下所需控制的運動軌跡。 AT89C51CC03 為LM629 提︼供加速度、速度和目標位置量,在每個采樣周期用這些值 來計算出新的命令和位置給定值,將其作為指令值。由增量式光電編碼器檢測電動機 的實⌒際位置,其輸出〖信號經過LM629 四倍頻後進行解碼,形成位置反饋值。指令值 與反饋值的差值作為數字PID 校正環節的輸入。通過數字調節器PID 計算,LM629 輸出脈寬㊣調制信號PWMM 和方向信號PWMS 用於控制,進而驅動電動機運動到指 定的位置。LM629 在進行位置控制的同時,還對速度進行控制。LM629 在接受到主 機√送來的位置信號後,按梯形圖生成加速、勻速、減速的速度曲線,曲線與坐標橫軸 所包圍的面積就是指定的位置。PID 算法中的比例、積分和微分系數有時需要進行修 改,因此將它們◣存貯在單片機的中。控制器和主機可以通過CAN 現場總線進行實時 通信。 11 機器人單關節控制器示意圖如圖2-4 所示: 圖2-4 機器人單關節控制器示意圖 機器人單關節控制器的組成 基於LM629 的機器人單關節控制器,由傳感器電路,控制電路,單片機接口電 路,CAN 現場總線接口電路以及應用程序軟件等組成。 傳感器電路: 把位移信號和轉數信號轉化成電信號。傳感器電路是機器人單關節★控制器的輸入 部分,是系統的數據源ぷぷぷ。 控制電路: 對數據的采集、初步處理和執行控制的芯片,並通過接口電路與單片機進行數據 傳輸。 單片機接口電路: 單片機和運ω動控制芯片以及 CAN 現場╳總線通信接口所需要的電路。單片機接口 電路是機器人單關節控制器數據交換及控制處理的基礎。 CAN 現場總線接口電路: 對單片機傳來的數據通過接口電路與主機或者其他設備控∞制器進行數據傳輸。 12 LM629 運動控制器選擇 LM629 致力於運動控制處理器與一些直流和無刷直流飼服電動機或其他具有積 分增量位置反饋信號的伺服機制的設計。這部分執行高精密數字運動控制所要求的精 密實時計算任務。微處理器控制軟件接口因∩一個高級別命令集而更便利。LM629 位輸出,這8位輸出可驅動一個8 位或12 位的DAC。這個組成需要建立一個伺服系 統簡化直流電動機/驅動器、旋轉編碼器、數模轉換、功率放大器和 LM629。它提供 一個8 位脈寬調制(PWM)輸出,用於直接驅動H 開關(H-switches)。這部分在NMOS 中制作並封裝為 28 管腳雙列直插形式或 24 管腳貼片封裝形式。最大☉頻率為 6MHZ 和8MHZ 的版本均用◤到後綴-6 或-8,分別地用於表示不同的版本。它們由SDA把SDA 中心處理器和單元設計為一體。基於以上諸多優點,我們選擇 LM629 作為機器人單 關節控制器的運動控制芯片◆。 LM629 的特點 32 位位置、速度和加速度★寄存器 16 位的可編程數字化PID 過濾器 可編程微分采樣周期 位或12位DAC 輸出數據(LM628) 位信號級PWM輸出數據(LM629)內部梯形速率特性發生器 在運動期間可以改變速率、目標位置和過濾器參數 位Ψ置和速度兩種操作模塊 實時可編程微處理器中斷 位異步並行微處理器接口標準脈沖輸入的積分增量編碼器 在28 管腳雙列直插式封裝或一個24 管腳貼片封裝的優點(只有LM629) LM629 的操作理論 應用LM629 建立一◣個伺服系統。微處理器通過I/O 端口與LM629 通信更易規劃 梯形速度特性和數字補償濾波器。DAC 輸出送入外部數模轉換器產生功率放大的信 號且驅動電動機運動。旋轉編碼器為趨近位置提供反饋↘伺服回路。梯形速度特性發生 13 器為位移操作模式或速度操作模式計算所要求的軌跡。在操作狀態,LM629 用期望 位置(特性發生器位置)減去︻實際位置▓(反饋位置)得到位置偏離被數字過濾器用來 驅動電動機運動到期望位置。 位置反饋接口 LM629 經由旋轉編碼器接入電動機,提供了三個輸入端:兩個積分『信號輸入和一 個標準脈沖輸入。積分信號用於保持電動機的精密位置軌跡。每次一個積分輸入出現 邏輯變換時,LM629 的內部位置寄存器隨之增加或減少。編碼器提供的周「期被四倍 頻。每個編碼器信號輸入與LM629 時鐘同步。 一些編碼器提供的可選INDEX 脈沖輸出每旋轉一周呈現一個邏輯低電平狀態。 如果用戶使用 LM629 這樣編程,當三個編碼器輸入都是邏輯低電平時將把絕對的電△△ 動機位置記錄到專用的寄存器。 速度軌跡發生 梯形速率特性發生器計算電動機相對時間的期望位置。在位置操作模式,微處理 器詳細說明◣加速度,最大速●率和最終位置。LM629 利用這些數據通過標明的加速度 影響運動直到達到最大速率或直到在標明的最終位置減速度開始停止。減速度等於加 速度。在運動過程的任何時☆刻,最大速●率和/或目標位置可以改變,而且電動機將相 應地加速或減速。 當在速率模式操作時,電動機以指定的加速度加速到指定的速度而且保持指定●的 速率直到命令結束。以不變速度接近期望位置保持速率。如果在速率操作模式運動有 幹擾,長期的平均速度保持不變。如果電動機不能保持指定的速率(例如ζ閉環引起的), 期望位置將繼續增加,結果導致非常大的位◥置偏差。如果這種情形沒被發覺,對電動 機的壓迫力隨之減小,電動機為了與預期位置(仍然是被指定的期望ㄨ值)一致會@達到 一個很高的速率。這種情形很容易被發覺。 PID 反饋濾波器 LM629 運用PID 濾波器補償控制環。通過應用一個與位置偏差成比例的恢復力 加於電動機∞上,電動機在期望位置有效,加上偏差的積分,加上偏差的微分。下面的 離散時間等式說明了LM629 的控制執行: 14在這裏 u(n)為電動機在采樣時間 的位◥置偏差,n’表示微分采樣速度,而且kp,ki,kd 為用戶下載的離散時間濾波器參數。 第一個階段,比例階段,提供一個與位置偏差成比例的恢復力。 第二個階段,積分階段,提供一個隨著時間ξ 增長的恢復力,而且因此確保靜態位 置偏差為0。 第三個階段,微分階段,提供一個與位置偏差的變化速率成比例的壓力。 在操作中,濾波器運算法則接收從總的連接回路得來的 16 位偏差信』號。這個偏 差信號充滿16 位以保證可預知的行為。另外乘上濾波器參數kp,偏差信號加到先前 的偏差上(組成積分信號),而且以所ぷ選擇的積分采樣周期所確定的速度,再減去先 前的偏差(從積◥分信號)。所有濾波器乘法都為16 位操作;只有乘積的底部16 積分信號保持24位,但只有頂部16 位有用。這個測量技術結果導致參數ki 的更可用(不敏感)範圍。這16位正好※轉換為8 位且與濾波器參量ki 相乘組成一組 由於電動機控制輸出。這個乘積的相對級與參數il 相比較,而且至少適當地標記量然 後加【入電動機控制信號。每個微分采樣周≡期,微分信號與參數 kd 相乘。這個乘積加 入到每個采樣周期的電動機控制輸出,獨立於用戶所選擇的微分采樣周期。kp,限制 的ki 和kd 產生階√段被相加組成一個16 位數。依賴於輸出模↘式(字號),高8 12位成為電動機控制輸出信號。 LM629 讀和寫操作 當端口選擇端(PS)為邏輯低電平時,微處理器通過主機I/O 端口向LM629 入數據。期望命令編碼應用」到並行端口且寫輸入被激活。當WR輸入為上升沿時命令 字鎖入LM629。當寫命令字時需要首先讀狀態字而且核對被稱作“busy bit”(Bit0)的 狀態。當busy bit 為邏輯高電平時,不會發生命令寫◤狀態。busy bit 決不可能保持》邏 輯高電平狀態長於100ps,而且在15 到25ps 之內顯著降低。 微處理器用相似的方法讀LM629 的狀態字:當PS 為邏輯低電平時激活讀(RD) 輸入;當RD 為低電平時狀態信息保持不變。當PS(Pin 16)邏輯㊣ 高電平時發生寫和 讀數據到/從LM629(就像寫命令和讀狀態)。這些寫和讀通常是雙字節字的整數(從 到7),而且每個字的首字節更為重要。每個字節都需要寫(WR)或讀(RD)觸發。當傳輸數據字時,需要首先讀№狀態字和核對 “busy bit”的狀態。當busy bit 為邏輯低 電平時,用戶可以隨之傳輸一個數據字的雙字節,但busy bit 必須重新核對而且在試 15 圖傳輸下一個字節前被確認為邏輯低電平(當傳輸多字節字時)。數據傳輸通過 LM629 內部中▃斷完成;當LM629 可能不對數據傳輸(或命令字)產生中斷時,busy bit 將通告微處理器。當busy bit 為高電平時寫命令,命令將被忽略。當寫△命令字或讀 或寫數據的第二個字節時,busy bit 迅速變為邏輯高電平。 旋轉編碼器接〖口 旋轉(位置反饋)編碼器接口由三相組成:相 A(管腳 標準脈沖(管腳1)。標準脈沖輸出對一些編碼器無效。LM629 將與兩種編碼器類型 工作,但命令SIP 和RDIP 在沒有標準ξ脈沖時沒有意義(或者為了這個輸入選擇兩個 輸入中的一個,要確定不使用時將管腳1 置為高電平)。 一些註意事項相對於使用在高高斯噪音環境下有更多〓優點。如果噪音添加入編碼 器輸入(一個或兩個輸入)且直到下一個編碼器轉換才持續,LM628 譯編器邏輯將 拒絕它。模仿積分數值或經由編碼器轉換的噪□ 音必須通過近似EMI 設♂計來消除。 簡易數字過濾設計僅僅減小噪音的易感性(這將會總是有寬於過濾器可以消除的 噪音脈沖)。此外,任何噪音過濾設計都將減小譯碼器帶寬。在LM629 中已經規定不 包括有利於提供最大可能譯碼器帶寬的ζ 噪音過濾器(由於簡易過濾不消除噪音的問 題)。試圖驅動與簡單TTL 線相當長距離的編碼器信號也能以信號衰減(短暫的上升 時間和/或響聲)的形式成為“噪音”的一個來【源。這也能引起一個系統丟失位置的 完整性。也許能通過在編碼器輸入上使用平衡鏈驅動器和接收器擁有對噪音感應更有 效的對策。 LM628/LM629 芯片圖如下圖3-1 所示: 圖3-1 LM628/LM629 芯片圖 16 CAN 現場總線 CAN 通信協議 CAN 通信協議 2.0B 規定了 種不同的幀格式:數據幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀。其中數據幀用來傳輸『數據的,遠程幀用於請求數據,超載幀用於擴展幀序列的 延遲時間,而當局部檢測出錯條件後產生一個全局信號出錯幀。在這裏,我們使用的 是CAN2.0B 協議。 CAN2.0B 標準幀 CAN 標準信∴息幀為 11 個字節,包括兩部︽分:信息和數據部分。前 個字節為信息部分,如表4-1 所示: 表4-1 CAN2.0B 標準幀 字節1FF RTR DLC(數據長度)字節2 (報文識別碼)ID.10—ID.3 字節3 ID.2—ID.0 RTR 字節4 數據1 字節5 數據2 字節6 數據3 字節7 數據4 字節8 數據5 字節9 數據6 字節10 數據7 字節11 數據8 註:字節1 為幀信息: 位(RTR)表示幀的類型,RTR=0表示為數】據幀,RTR=1 表示為遠〓程 幀;DLC 表示在數據幀時實際的數據長度。 字節2、字節3 為報文識別碼,11 位有效。 字節4—字節11 為數據幀的實際數據,遠程幀時無效。 17 CAN 2.0B 擴展幀 CAN 擴展幀信息為 13B,包括兩部︽分:信息和數據部分。前 個字節為信息部分,如表4-2 所示: 表4-2 CAN2.0B 擴展幀 字節1FF RTR DLC(數據長度)字節2 (報文識別碼)ID.28—ID.21 字節3 ID.20—ID.13 字節4 ID.12—ID.5 字節5 ID.4—ID.0 字節6數據1 字節7 數據2 字節8 數據3 字節9 數據4 字節10 數據5 字節11 數據6 字節12 數據7 字節13 數據8 至於數據幀對於不同的CAN 上層協議,存在著不同的定義,本卐機器人單關節 控制器使用的是CAN2.0B 標準幀,應用層由用戶定義,因為CAN 只提供了物理層和 數據鏈路層。 CAN 控制器配置 CAN 控制器在應用時,根據所要完成〓功能的不同而需要做的不同配置做具體描 述。這包括報文對象初始化處理、發送對象配置、接收對象配置、中斷處理配置;另 外,還有發送對象※、位定時寄存器等配置。 報文對象初始化處理 報文 RAM 中的報文對象配置在使用前必須由 CPU 來初始化為零或者被設置為 無效。報文對象的配置是通過相應的接口寄存器來設置其屏蔽碼、仲裁場、控制場和 數據場值,而這一設置←過程由相應的命令寄存器來完成。 18 當CAN 控制寄存器中的GRES 位置零,CAN 控制器中的協議控制器、狀態機制 和報文處理機將控制 CAN 的內部數據流。接收到的報文通過接收濾波後都存放在報 RAM中,而得到傳輸請求的報▅文都要移入 CAN 控制器的移位寄存器中並通過 CAN 總線傳出。 發送對象的配置 當報文對象作為發送對象時,仲裁寄存器將被應用,它們定義了即將發送的報文 識別符和⊙類型,如果使用11 位識別符(標準幀),那麽使用的是ID0~ID11,而ID12~ ID28 將被忽視。 如果TxIE位被置位,則TxOK位在此報文對象被成功發送後被置位;如果RxENA 位被置位,在接收到匹配的遠程幀將引起TxRqst 位被置位。若數據寄存器將被使用, TxRqst 和RxENA 在數據有效前不會被置位。屏蔽寄存器可以用來允許相同識別符的 數據幀組被接收╲╲。 中斷處理 在所有中斷中,狀態中斷具有最高優先級,報文對象的中斷優先級隨著報文編號 的增大而減小。如果有幾個中斷產生,那麽CAN 中斷寄存器將指向優〖先級最高的中 斷,而不是按中斷先後順序排列。 狀態中斷通過讀取狀態寄存器來清除,報文中斷通過清除報文對象的ENCH 能表明中斷的原因,如果這個寄存器的值為0,沒有中斷〒產生;否則,有中斷發生。 CPU 控制著狀態寄存器的改變是否可以引起中斷;當中斷寄存器的值不為 (CANCONCH控制寄存器中的IE 位)時中斷隊列是否有效。CPU 有兩ω 種方式判斷 報文中斷源,每一種是判斷中斷寄存器中的ENCH 位;另一種是順序掃描中斷發生寄存器。 19 機器人單關節控制器硬件設計 機器人單關節控制器硬件電路是控制系】統的載體,主要包括位置檢測模塊、運動 模塊和CAN通訊模塊。位置檢測模塊用於把采集過來的信號處理為控制器可以識別的 信號;CAN通訊模塊用於電平轉換以使其他機器通過CAN協議通信;運動模塊用於 控制運動。AT89C51CC03單片機是數據通信和控制的核心,也是位置檢卐測模塊、運 動模塊和CAN通訊模塊不可或缺的組成部分。 位置檢測模塊設計 機器人控制器主要有兩種傳感器,一種是用於感知機器人局部環境的紅外傳感 器;另外一種則是檢測電動機軸位置的增量式光電編碼器。本文主要介紹電動機軸位 置反饋信號的檢測,采用檢測電動機軸位置的增量式光電編碼器。電路將增量式光電 編碼器輸出的差動信號(A+、A-、B+、B-、,Z+、,Z-)經過AM26LS32差分放大器合 成單◆端信號A、B、IN。合成後的單端信號A、B、IN分別與LM629的管腳A 相連。利用差動信號傳輸,可以有效地解決幹擾問題和遠距離傳輸問題。為了進一步消除幹擾,在輸入端每根線上都加上一個濾波電容,在每根差動的信號線上接一︾個用 於線路阻抗匹配的限流電阻。增量式碼盤反饋的脈沖信號經過四倍頻後,提高了分辨 率。A和B的邏輯狀態每改變一次,LM629的位置寄存器就加(減)1。當碼盤的A、 IN都為低電平〗時,產生一個Index信號送人寄存器,記錄電動機的絕對位置。圖5-1為位置檢測模塊電路,其中CON8為增量式旋轉編碼器接口。 圖5-1 位置檢測模塊電路 20 運動模塊設計 運動∏模塊電路 運動模塊的核心芯片是LM629精密運動控制器。LM629精密運動控制器的8位數 據口D0~D7與AT89C51CC03單片機的P0.0~P0.7口相連,單片機的P1.0與LM629的CS 片選端相連,用於控制片選(低電平¤有效)。AT89C51CC03單片機的P3.7、P3.6(RD、 WR)分別與LM629的讀/寫端(RD、WR)相連,用於控制讀/寫操作(低電平有效)。 AT89C51CC03單片機的P1.1與LM629的命令/數據控制端(PS)相連,用於控制命令 /數據。LM629接收來自AT89C51CC03單片機的位置、速度或加速度等命令,經過內 部梯形圖發生器Ψ 和PID調節器的運算,輸出脈寬㊣調制信號和方向信號,由引腳PWMM (脈寬調制信號)和PWMS輸出(方向控制信號)。功率放大部分主要由L298N芯片 和續▆流二極管組成。L298N是雙極性H橋功率放大驅動器,與LM629輸出信號PWMM 和PWMS通過一個邏輯門電路相連,控制直流電機的正、反轉和停止。 LM629精密運動控制器與AT89C51CC03單片機的連接■電路如下圖5-2所示: 圖5-2 LM629與AT89C51CC03接口電路 21 運動控制初始化 LM629 準備工作前,必須初始化LM629 運動控制芯片,設置各個控制參數,否 LM629將無法正常工作。在初始化↓時,首先復位 LM629,向 LM629 寫入控制命 令字0X00,將命令字寫入LM629 控制寄存器中,等待LM629 空閑時再進行下一個

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                機器人 控制器 關節 articulatory robot simplex

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