2008-7-11 -- 喜欢的博文

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发表于 2008-7-11 16:34:18

工业控制以太网中网络控制器的实现

摘要：本文介绍了工业以太网中网络控制器的一种新型的通讯机制和控制策略，同时论述了硬件和软件需要作出的变化。

关键词：网络控制器; 通讯机制; DSP

　　近些年来，现场总线技术被广泛地应用于工业过程控制领域。它具有实时性好、布线简单、可靠性高的特点，比较适合工业环境。但是，它也有自己的缺点，如标准不统一，各个厂商各自为政;传输速率低，无法传输图像和语音信息;网络互连困难，无法直接与互联网相连。这些缺点的存在，严重制约了现场总线技术的发展[1]。

　　当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网技术却得到了迅猛的发展，如今，在Internet和办公自动化领域，以太网可以说是无处不在。如果能将以太网技术成功应用于工业控制底层网络，就可以打破传统的工业控制网络体系，实现工业控制网络和办公自动化网络的无缝连接，实现真正意义上的管控一体化。本文结合现场总线与以太网的各自的优点，提出一种新型的网络流量控制算法，开发出与此相配套的网络控制器。

1 通讯机制

　　新型的通讯机制在网络拓扑上采用总线型，所有的发送都是在枢纽控制器的控制下进行。只有得到命令帧的指定站点才可以启动数据发送。系统设定一个循环周期T，控制节点按照优先级从低到高轮询各个站点，当轮询时间大于T时，控制将停止这一周期的轮询，直接进入下一个周期。需要注意的是：

　　1. 对高优先级的数据包，不管队列中有多少个未发数据，都要确保发送完毕，即使周期超过T也要如此。

　　2. 对于中优先级和低优先级的数据包，只有在上一优先级的数据发送完全的情况下才能启动发送，并且是限制型发送，一次只能发送队列的前rp个数据。

　　利用Matlab仿真的结果表明，即使在网络负荷超载的情况下，网络控制算法仍旧可以保证高优先级的控制帧的发送，因此这个网络控制算法是可行的。

2 功能原理

　　网络枢纽控制器是整个网络体系的核心，它主要有以下两个功能：一是网络控制功能，即协调整个网络的通讯步调，避免冲突的发生，保证重要信息的实时性。二是作为通讯网关，与内部网络设备共享IP地址，提供内部网络设备与外部Internet的接口。

　　2.1实现控制功能所需要的设定

　　1. 优先权的等级分类。利用IP数据格式[1]中TOS字段前3bit作为标志。

　　2. IP编址。假设所有的控制设备都处在一个内部网络中，他们共享一个Internet公网地址202.114.101.58，而内部网络是以192.168.0.开头的一系列内部地址。

　　3. 控制帧格式。控制帧是网络枢纽控制器控制整个网络步调的数据帧，所有网络节点都应该能收到这个数据帧，并且在它的指令下进行通讯。因此，控制帧必须是一个广播帧，它的目标地址是局域网中的所有网络设备。

　　在具体实现中，将控制指令封装在一个UDP广播数据包中。它的格式如图1所示：

图1控制帧格式

　　命令：网络枢纽控制器对网络节点的发送的命令代码，其中包括通讯复位，发送数据等。

　　设备编号：接收命令网络设备的编号，它与内部IP地址相对应，如192.168.0.2表示2号设备，192.168.0.n表示n号设备。如果是对所有设备发送的命令，则置为0xff。

　　数据优先级：如果命令表项表示允许发送命令，那么数据优先级表项就表示对应网络设备应该从对应的优先级队列中取出一帧数据发送。

　　为了保证控制帧正常发送，还需要在上层协议中设置如下表项：

　　1. 将Ethernet帧的目的地址设为0xff 0xff 0xff 0xff 0xff 0xff，确保本以太网内的所有网卡都能接收到这帧数据。

　　2. 将IP帧中的目的IP地址设为192.168.0.255，表示这是一个广播帧。

　　3. 填充TOS为0x94，表示这是一个要求最高可靠性的控制帧。

　　2.2 转换表以及与商业以太网转换表的区别

　　网络枢纽控制器作为内部工业以太网与外部Internet的桥梁，它的两个网络接口分别连接外部Internet和内部网络。网络枢纽控制器不但要有转发功能，而且还要内嵌NAT[2]（网络地址转换）功能，因此必须附带地址转换表。

　　这里不能采用商业以太网的动态转换表模式，这是由工业以太网的特性决定的。首先，在工业以太网中，大部分的通讯请求都是从外部网络发起的（如从外部监控工业现场的参数），因此，采用动态转换表就无法建立连接;其次，如果表项是动态的，它的可靠性就很难得到保证，如果分配算法有漏洞（例如UDP连接，由于没有握手协议，所以很难知道它什么时候开始，什么时候中止），这样有可能会误删除正在连接的表项，使得通讯无法正常进行。所以在实际的实现中，采用静态的转换表，为每个可能的连接建立一个静态表项，对于这个静态的转换表，是用专用的配置软件在PC机上设置好，然后通过网络下载到网络枢纽控制器中，这样网络枢纽控制器就可以按照转换表实现网关功能了。

3 硬件实现

　　图2是硬件的结构图。整个网络都在网络枢纽控制器协调的步调下运作，它的反应速度越快，则网络的空闲时间越短，网络的吞吐量越大。因此，在这里选用TI的TMS320VC5402[3]作为它的核心处理器。

　　以太网接口芯片选用Realtek公司的RTL8019AS，这是一款市场上ISA网卡中选用率很高的接口芯片。一共使用了两片这样的芯片，一片用于和内部网络通讯，另一片则用于与外部Internet相连。

图2网络枢纽控制器硬件框图

　　RTL8019AS有三种工作方式：即插即用方式，跳线方式和免跳线方式。为了减少资源占用，这里选择跳线方式。此时，RTL8019AS的IO地址由IOS0-IOS3脚决定。地址总线的SA5-SA19中除SA8和SA9接高电平外，其余都接低电平，SA0-SA7与DSP的地址总线的A8-A15相连，这样，访问DSP的相应IO空间地址就相当于访问两块以太网接口芯片中对应的寄存器，于是DSP的IO地址就和两片RTL8019AS能建立地址映射关系。至此，通过访问这些寄存器，就可以控制RTL8019AS发送或接收数据。

　　此外，扩展一片片外随机存储器ISSI61LV6416，它是用来做通讯缓冲区，暂时存放来不及处理的数据包。由于TMS320VC5402内部没有集成Flash或EPROM，因此，它不能自举运行。于是采用HPI接口引导DSP，程序存放在单片机78E54B上。当系统上电时，78E54B通过HPI接口将程序写入到TMS320VC5402的片内RAM中，然后启动它，这样DSP就开始工作了。

4 软件编写

　　实现网络控制功能要求反应速度一定要快，因此这部分程序放在中断中完成。在硬件设计中，把第一片RTL8019AS的中断与DSP的INT0相连，把第二片的与INT1相连。因为第一片与内部网络相连，所以，实现网络控制控制功能的程序主要在INT0中完成。图3是INT0中断响应程序的框图。

图3 INT0中断响应程序

　　系统共有两片转发缓冲区，缓冲区1用来暂存从内部对外的转发数据，而缓冲区2用来暂存从外部对内部的数据转发，一块发送数据的同时，另一块填装数据，提高了效率。

　　为了保证网络控制功能的实时性，防止中断冲突，简化程序结构，网关功能的这部分程序就用查询方式实现。框图如图4所示：

图4网关程序框图

　　需要特别注意的是，在重定向IP地址之后，一定要重新计算校验和。因为不论是IP头还是TCP和 UDP，IP地址都在他们的校验项之内。如果改变了IP地址，那么校验和就要重新计算，否则，接收到这些数据包的设备就会认为校验错误，从而拒绝接受。

5 结论

　　网络控制器虽然是最核心的设备，但是其功能的发挥还有赖于工业以太网上相关控制设备针对整体的控制策略作出相应的改变。工业以太网中为了生产，执行任务的控制设备，要在网络枢纽控制器的协调下完成通讯功能，包括数据采集前端、输出前端、PID前端、执行机构前端等。这需要它们速度达到一定的要求，因为当它收到控制节点的发送指令后，就要迅速将数据包送出，此时它的任何迟延都是整个网络的迟延。

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中板厂精轧AGC系统在作业率提升攻关中的网络重构及优化

发表于 2008-7-11 16:33:34

中板厂精轧AGC系统在作业率提升攻关中的网络重构及优化

摘要：本文主要介绍了，如何针对精轧液压AGC系统在生产过程中出现的各类设备故障，通过网络结构的重组、操作台的优化设计、复杂环境下电缆选型及防护、位移传感器的安装模式、各检测元器件的接线模式等方案进行多角度攻关设备隐患，提升系统稳定性的过程。
关键词：AGC ；优化；效益；

1．前言

2007年以来，国内钢铁市场竞争日益加剧，顾客对产品质量要求进一步提高，产品需求已经由粗放型快速生产向精细化稳定生产转变，新形势下对AGC系统稳定性和控制精度都提出了更高的要求。中板液压AGC系统的长期稳定运行，已经成为我厂提高产品成材率、确保产品质量、减少质量异议，打赢“绿色品牌年”这一产品质量攻坚战的关键所在。

为了能够满足生产工艺的要求，实现AGC系统的稳定运行，我们组织了技术力量，对系统存在的频繁出现“灰屏”现象、操作台布局不合理、电缆抗干扰性差、控制电缆寿命周期短、位移传感器信号波动、线路更换时间长等因素，进行问题的提出、分析、方案论证和实施。通过技术攻关，最终进一步提升了我厂AGC系统的作业率，取得了良好的应用效果，创造了巨大的经济效益。

2．问题的提出

原AGC系统采用德国SIEMENS公司的SIMADYN D数字控制系统。近几年来，在AGC系统运行阶段，由于现场检测元器件的安装方式、线路、通讯问题，一定程度上影响了系统的正常运行，造成了刮框、板形不稳等设备事故，直接影响到了钢板质量和成材率。基于以上各方面的要求和原因，我们决定对中板厂精轧液压AGC系统的网络进行重新构架与系统的全面优化。

3．原因分析

3．1 网络结构的原因分析

原上位机频繁出现“灰屏”现象：该项目最初采用光纤通讯方式，网络构架由尾纤、光电转换器、光纤熔接盒、五类双绞屏蔽线、交换机、计算机等部分组成。这种连接方式构成的通讯网络中间环节繁多，而实际通讯距离较远、干扰大。导致系统网络的稳定性强弱，依赖于元器件的性能优良与否。因此，网络结构的不合理是“灰屏”的主要原因。

3．2 元器件的布局优化的原因分析

由于原来AGC操作台面上信号灯、按钮、转向开关、电流表等电控元器件共计63个，布局不合理，操作人员操作动作繁琐，容易造成疲劳、注意力下降、生产操作故障增加等现象。因此，操作台面元器件多、布局不合理、操作人员易疲劳等因素是增加设备故障的隐患之一。

3．3 现场线路问题原因分析：

由于原来控制线路均采用普通控制电缆，而现场轧机作业环境存在大量油污、水汽、高温等因素，线路本体常出现高温老化、屏蔽不好信号干扰、更换周期短等问题。对系统的长期稳定构成了威胁。因此，线路本体是提高系统稳定性的环节之一。

3．4 位移传感器安装方式出现问题的原因分析：

精轧液压ＡＧＣ系统中，原位移传感器安装于每个缸体两侧，置于水套之内。该模式下由于缸体震动、水汽环境、转缸等外部因素，容易出现插头松动、脱落，插头焊接线掉落等现象，造成刮框等重大设备事故。因此，位移传感器的安装模式与位置是进一步提升系统稳定性的又一个因素。

3．5 检测元器件接线方式优化

原检测元器件接线方式是将做插头与由轧机至控制室内的线路直接对接，一旦出现线路问题往往需要线路短接留下新隐患点或者更换大约200长的整条线路。因此，系统与检测元器件的接线连接方式也是进一步提高系统稳定性的因素。

3．6 防护优化：

原轧机顶部的控制线路是放置于压下动力线路桥架内，更换时费时、费力，没有单独的线路桥架。由顶部到位移传感器这一段近2米左右均为普通蛇皮管防护，造成线路寿命缩短。因此，控制线路的本体防护问题，也是进一步需要优化的环节。

3．7、汇总需要解决的问题：

4．方案及其可行性分析

4．1 优化网络结构：

目前网络技术在工控领域内的发展日趋成熟，以太网技术的应用也越发广泛。因此，用以太网技术来直接完成光纤通讯任务，从技术角度而言是完全可行的，可以做到杜绝频繁“灰屏”现象。

4．2 操作台优化

为了简化操作台面设计，将动作频率低的元器件功能用WINCC上位机完全可以实现，能够大幅度减少操作台面上的元器件，优化元器件布局，使得操作更加人性化。

4．3 线路优化

由于目前线路使用普通控缆，抗干扰行弱。选用屏蔽性能好的双屏蔽双绞耐高温电缆，可以确保优良的抗干扰行、耐高温性。彻底杜绝由于线路抗干扰性差引起检测信号波动，从而导致设备事故因素。

4．4 位移传感器优化：

目前位移传感器共计4套，分别安置于水套内，安装于两个液压缸体两侧。而将其至于缸体中央的安装方式将会避免使用水套，避免遭遇到水汽等恶劣环境，减少位移传感器信号失效的外界诸多因素。

4．5 检测元器件接线方式优化

原线路方式为由控制柜体直接到轧机检测元器件方式，一旦出现线路问题将会对整根线路进行更换。可以在机旁增加一个分线箱体，这样会大大减少线路更换长度和难度，节约大量时间，杜绝由于插头松动、进水、接地、更换线路费时等造成信号无效、故障处理时间长。

4．6 线路防护优化：

原线路由于至轧机后仅仅用蛇皮管进行防护，寿命短、防油性差，完全可以将其全部通过走管线方式，将其至于钢管内最大限度缩小线路的外露部分。杜绝由于线路防护不利引起线路短路、断路、接地、频繁更换现象；此次搬迁优化为上轧机的桥架与压下动力桥架进行分离，同时用隔热板进行了防辐射处理；出现线路问题时，可以迅速方便的对线路更换处理；现在由桥架至检测元件这部分线路基本上用蛇皮管进行防护，优化为所有检测元件由桥架至元件进行标准配双路管路进行对线路的彻底防护，将线路外漏部分最小化；

5．方案实施及其问题解决

5．1优化网路结构：由目前光纤通讯方式改为以太网通讯方式；

（1）最初系统网络结构图：

（2）优化方案及其实施后的网络结构

由此网络结构图可知：该网络结构在优化前，从SIMADYN-D系统到操作台上位机之间环节多。优化后大大减少了中间环节，由于以太网通讯距离的限制，仅仅在厂房顶部增加了交换机，就可以确保该网络构架稳定运行。

5．2 元器件的布局优化对策：

结合操作台搬迁对操作台进行重新设计，将不常动作元器件，改为由操作台上位机操作。由热轧车间对操作人员进行广泛征求意见，形成将元器件最少化布局建议和元器件操作最优化位置，根据以上意见建议重新设计操作台。

5．2．1原操作台面设计如下：

由以上原因分析可知，原操作台面有元器件共计63个。操作人员操作不便布局不合理，疲劳强度大。因此，优化操作台布局要因在于：

● 减少元器件数量为要因之一；
● 重新合理布局元器件为要因之二；

5．2．2优化后的操作台结构

如图新操作台内仅仅8、10、11频繁使用的三项为AGC元器件，更加适合操作人员的操作，提高工作效率、降低劳动强度。

5．3.复杂环境下控制电缆选型优化

由于控制电缆的屏蔽方式、电缆耐高温与否、线路是否双绞，成为减少线路本体故障的几个衡量因素。所有控制线路由原来的普通控制电缆改为用双绞屏蔽阻燃电缆，确保信号的长期稳定运行，提高线路抗干扰性和耐高温性，延长线路本体的寿命，最大限度降低由于高温、磨损、腐蚀等造成的接地、短路等现象；

5．4．位移传感器的安装方式优化

位移传感器的安装方式是解决辊缝信号波动不稳定的要因，配合分厂完成对缸体备件定制时，完成位移传感器中心安装位置方案的实施。利用新缸体制作备件定制时，与厂家协调，将位移传感器安装于缸体中心位置。优化为缸体中间内部安装位移传感器方式，由原来４只位移传感器和４套机械水套的安装模式，改变为共用２只位移传感器即可。减少了位移传感器２支，减少了４套水套。安装结构的改变，从根本上改变了位移传感器本体的运行环境，减少了设备故障点，提高了位移传感器的稳定性；

5．5．检测元器件接线方式优化

检测元器件线路连接方式是解决由于线路更换问题造成长时间设备故障的要因。因此，选择了轧机主跨北墙位置，安装了新的控制线路端子箱体8AT，由控制柜体来现场所有控制电缆，接线与端子排上端子。大大减少由于线路更换维护时间。

5．6．控制线路防护优化

控制线路的防护到位与否是控制电缆是否能够长期稳定使用的要因。检修开始时组织施工队伍进行如下工作：
（1）拆除原检测元器件所有控制电缆；
（2）拆除原控制电缆部分旧桥架；
（3）抽回所有旧电缆，清理轧机顶部长期积累的多路费电缆；
（4）敷设新200桥架，做好防火板防护；
（5）轧机南北两侧分别焊接40mm钢管，由桥架出口到检测元器件旁边；
（6）由分线箱体到位移传感器重新放置新双绞屏蔽耐高温电缆；

6．项目实际应用效果分析

6．1通讯模式重组后设备影响时间对比

网络结构优化前、后，因网络通讯问题造成电气设备影响时间06～07年度统计如下：

由该调度日志统计数据对比图可以知道，通过改变网络结构实现以太网络通讯方式后，完全解决了“灰屏、死机”等通讯问题，实现了长期稳定运行，效果显著。

6．2 通过操作台重新设计、线路换型、位移传感器安装方式改变、检测元器件线路连接模式调整、线路防护等方案实施。AGC设备影响时间改造前后对比图如下：

7．结束语

中板厂AGC系统，通过操作台搬迁、控制柜体搬迁项目的有步骤实施，对整个系统逐步进行了优化。整个生产组织已经由原来每个月都有大的设备事故、生产操作事故出现，逐步过度到了长期安全、稳定运行阶段。连续数月创造了该设备“零影响”时间的佳绩。为中板厂产品质量的进一步提升，奠定了坚实的设备基础。该项目的成功应用，大大减少轧费板数量，减少备件消耗、产品质量异议，减轻了操作工的劳动强度。确保了我厂产品质量的稳定性、提高了产品成材率，在“绿色品牌年”中提高了产品竞争力，提升了产品的美誉度。每年可为总公司增创156万元的直接经济效益和良好的社会效益。

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模块机器人及计算机辅助设计

发表于 2008-7-11 16:32:45

模块机器人及计算机辅助设计

摘要：本文利用新一代计算机辅助设计方法，开展模块机器人的设计方法论和CAD系统的研究，旨在提出解决柔性加工系统的计算机辅助设计智能软件的思路和框架．本文以模块机器人的设计为突破口，提出了以面向任务为特征、基于事例的设计方法在机械概念化设计中的应用．论文中介绍了近年来发展迅速的模块机器人的标准模块和基本拓扑关系，根据模块机器人概念化设计的特征，结合人工智能应用中基于事例的推理机制，提出了面向任务和基于事例的计算机辅助设计方法和应用软件的框架，以及实现自上而下的计算机推理的流程．文中还介绍了面向用户的机器人任务和工作环境的表示．

关键词：机器人，模块，基于事例推理，智能CAD

1引言

    模块化思想在柔性加工系统中得到日益广泛的重视．欧美有关研究机构从80年代末就开始对模块机器人的研究，早期主要侧重于模块本身的研制，而近期则偏重于模块机器人应用领域的开拓［1～5］。

    模块机器人的研究可分为3个不同的领域，即模块机器人硬件的研究、控制的研究和根据不同应用的计算机辅助设计，迄今为止的大多数研究侧重于前两个领域的研究．目前，商业化的标准模块（模块关节和模块连杆）已经面市．模块机器人的出现无疑为柔性加工系统提供了更多的选择机会，但随之而来的问题是任务对象的千变万化、工作环境的不同，加之模块机器人的可随意组合——即模块机器人拓扑关系、模块关节及模块连杆的无穷组合，模块机器人设计成为具有挑战性课题摆在我们面前。

    机器人计算机辅助设计课题一直为人们所关注，B. O. Nnaji,在1986年出版了“机器人计算机辅助设计、选择与评价”的专著［6］．他对可能组成机器人的4个关节的运动范围、速度进行分度编码，并对执行器，关节驱动单元、关节控制单元、设计参数等共89个参数进行了定性或定量地（16 分度）规定．Nnaji还对如何根据设计要求确定相关代码给出了程序流程，这为机器人计算机辅助设计开创了先河．K-H Wurst 在开发模块机器人的同时也给出了选择模块的一般原则［1］．前者的研究主要针对一般机器人如何根据设计参数确定代码，从而确定满足设计要求的机器人拓扑关系和结构参数，这在设计新型机器人时有着一定的指导意义。

    作为模块机器人的概念化计算机设计，其指导思想与Nnaji 的设计有以下不同之处，一是模块机器人的组成有一定的限制，即有限关节模块和无限连杆的可选择性；二是Nnaji的设计方案是针对机器人设计专业人员开发的，这需要设计人员具备有机构运动学、动力学、计算机控制以及对机器人的深入了解，而我们所开发的计算机辅助设计系统的用户对象是机器人用户，而非机器人专家．换言之，我们的系统是面向用户，而不是面向机器人的设计者．从用户使用角度来讲，他没有必要了解模块机器人的内部详细构造和运作，他只需要了解和描述该机器人所从事的任务和应该具备的性能，从这个意义上讲，该系统是以任务为驱动，或者说是面向任务的．由上述区别所产生的新的区别还在于，计算机辅助设计系统和数据结构不同．辅助设计系统必须有足够的智能，以进行自上而下的设计，这就要求该系统应具备足够深度的知识，以描述模块与模块机器人的功能、性能和结构（Function, Behavior and Structure，缩写为FBS），描述机器人应承担的任务和所处的环境，以及在任务-功能-结构的映射过程中的知识．这一设计智能化的要求对系统数据结构提出了更加苛刻的条件，一般关系数据库的数据结构已经不能满足其设计需要．关于以面向对象为特征的机器人知识建模可参见文献［7］．

2 模块机器人

专用机器人的高效、精确和低应用成本已在规模化工业生产中得到充分体现，但面对未来多变化和小批量的柔性生产需求来讲，专用机器人的设计周期和制造成本都成为亟待解决的难题．模块化概念的引入到机器人设计为柔性加工系统注入了新的活力，选择适当的模块机器人拓扑关系和标准模块，迅速组成模块机器人是缩短机器人设计周期和降低制作成本的有效途径，模块化机器人将成为未来柔性加工系统中最重要的设备之一。

2.1标准模块

顾名思义，模块机器人由模块——即由模块关节和模块连杆组成．模块一般应具有标准化的机械与电气接口用于模块间连接，具有一到三个自由度的模块关节由直流或交流电机驱动，并集成有减速机构和控制器．无自由度的模块连杆仅用于模块关节之间的连接．不同长度的模块连杆和不同方位的标准接口，使得模块关节之间的连接能满足对机器人不同运动学和动力学要求．图1给出了由Wurst开发的标准模块的示意．一自由度的关节模块可以是摇摆或平动,二自由度的关节可以是回转与摇摆、平动与回转和平动与摇摆．同一类型的关节可以有不同的驱动机构，以适应不同的运动与动力学要求，但可选择的余地是有限的．关节的长度可以根据实际要求制作。

图1 标准模块

2.2 模块机器人拓扑关系

从理论上讲，使用同一类型的标准模块可以构成无数不同拓扑关系的机器人．但从实际应用角度出发，一个满足六自由度空间运动要求的串连机器人（图1的标准模块仅限于串连机器人），由不超过4个多自由度的关节模块和3个连杆模块组成．若考虑到终端执行器本身具有的三自由度，对操作器的自由度的要求还会降低．图2给出了由标准模块组成的几种常见串连机器人拓扑关系［1］．图2（a）所示的六自由度模块机器人为最典型的工业机器人拓扑关系，它能满足大多数工业应用要求．这种类型的机器人的优点在于能在它的工作空间回避障碍，但对某些应用，它并不是最佳拓扑关系．对于执行器运动空间要求不大的机器人，如流水线上的装配机器人，图2（b）、（d）和（e）所示的机器人应用较多．其余所示机器人的应用则相对较少。

图2 模块机器人拓扑关系

3 模块机器人的计算机辅助设计

模块机器人的计算机辅助设计，可以遵循Nnaji或其他专家提出的设计流程进行设计，但使用这些方法的前提是该用户必须是机器人领域的行家里手，用户必须精通机器人运动学、动力学、机器人控制，以及熟悉现有机器人产品的结构和性能．这正是大多数计算机辅助设计软件不能得到普及和应用的主要障碍，也与现代概念设计方法和面向用户和对象的软件设计思想格格不入．我们研究的目的在于，根据模块机器人设计的特点，提出面向用户、基于事例的方法和计算机辅助设计系统，使得模块机器人的计算机辅助设计不再为领域专家所专有．

3.1 模块机器人设计的特征

就模块机器人计算机辅助设计而言，最终用户的设计并非对所有机器人的关节和连杆进行结构设计，而是根据给定任务确定机器人最佳拓扑关系、关节和连杆参数，以确定选用标准的模块，组成满足任务要求的模块机器人，这是典型的机械系统概念化设计．面向用户的现代软件的设计指导思想确定了辅助设计软件的使用者是最终用户，而不是机器人或计算机领域的专家［8］．事实上，用户根本不需要成为机器人设计的行家，也没有必要对机器人结构及其控制的细节作深入了解．用户惟一关心的，就是在辅助设计软件的应用界面上，正确地确定机器人欲完成的任务，描述其工作环境，输入模块机器人应该具备的功能和应达到的性能、以及某些限定性约束条件．作为计算机辅助设计系统推理的结论，机器人的结构，即拓扑关系和模块参数，成为满足新任务要求的新的技术方案．换言之，模块机器人概念化设计应是以任务为驱动、自上而下的设计过程．

机器人所从事的任务决定了机器人应具备的功能和性能要求．在这里需要强调的是，机器人的拓扑关系决定了机器人功能，而关节特性和连杆长度及质量则会影响机器人的性能．换言之，在机器人拓扑关系确定的情况下，该机器人的功能就已经确定，而不同的关节和连杆参数仅会影响机器人的性能．这一假设使模块机器人的任务-功能-结构之间的双向映射成为可能．

3.2 智能计算机辅助设计方案的选择

现代计算机辅助设计的发展趋势向着软件智能化方向发展，以面向用户和面向对象为特征的智能化设计软件是以知识库为依托、计算机进行推理为主线索。

一种基于事例的计算机推理（Case-Based Reasoning，缩写为CBR）过程应用于复杂系统的概念化设计，可以把寻求新的技术方案与已有的成功设计事例紧密地联系在一起［9］．作为一种类似人类设计过程的方法，基于事例的设计有效地利用了已有的成功经验，大大缩短了寻求最终解决方案的时间．采用基于事例的设计思想的好处还在于简化了智能系统中的知识，过滤了许多低层的元知识，突出了与任务相关的上层知识，使得知识的表达、存储和索引更加简洁和清晰，解决了基于元规则推理时可能出现“组合爆炸”的潜在隐患。

智能软件面向用户的特征，不仅在于界面友好的形式要求，更重要的是软件的使用者仅是该领域的一般工程技术人员，而非该领域的行家里手．以任务为驱动、自上而下的设计应成为智能设计的主线索，但所谓自上而下的设计并非设计系统的惟一策略．在任务-功能-结构的映射不能奏效时，基于元知识、自下而上的正向推理则有助于产生新的机器人结构，以满足新的功能要求和适应新的任务要求，这会增加系统知识和推理机制的复杂程度．自下而上的设计对最终用户是透明的，用户并不会被要求对机器人内部结构的细节加以了解。

此外，因为模块机器人所从事的任务、所处的工作环境的不断变化，以及不断增长的模块机器人的组成，导致了系统知识的不断变更和膨胀．为了消除可能导致系统崩溃的数据混乱，面向对象的数据结构是解决这一潜在问题的唯一选择．研究模块机器人对象的功能、性能和结构之间的关系是模块机器人计算机辅助设计中最重要的环节．作为事例的数据抽象，对象类的成员数据和方法的可封装、继承和重载特性，使得用户可以有效地定义或开发各种复杂对象，这对于大型工程问题所涉及的知识、数据和方法的定义和应用是至关重要的．面向对象的设计思想用于智能CAD，导致了系统中知识的表示和组织不同于一般基于规则的推理机制中的知识表示．综上所述，根据模块机器人概念化设计的特征，选择以任务为驱动、面向对象和基于事例推理的计算机辅助设计系统，采用自上而下的推理策略是进行模块机器人概念化设计的最佳选择．

4 模块机器人概念化设计CAD系统

图3给出了模块机器人概念化设计的CAD系统示意图．图4给出了基于事例推理的CAD系统流程．领域专家作为系统的设计和维护者，将成功的模块机器人的事例（对象）按照功能与性能进行分层索引，该树状索引图直接用于支持推理的知识库．用户通过人机界面输入机器人即将从事的任务、工作环境和约束．任务编译器将输入映射为对机器人功能和性能的指标，作为推理机进行索引的标签．推理机首先根据功能要求在树状知识库中进行相关匹配候选．满足基本功能要求和部分满足性能要求的模块机器人将被作为候选者，而性能最接近的模块机器人将被选出．由于被选出的模块机器人在性能上未必能满足新的工作要求，适当的修改再所难免．由于决定模块机器人功能的机器人拓扑关系已经确定，所进行的适应性修改仅仅是选择适当的关节和连杆模块．改变模块参数后的前向计算容易确定新的机器人的性能，这实际上是一个优化过程，其优化的目标是使该机器人的功能和性能与完成新任务所需的功能和性能的差别最小．通过模拟得到用户确认的最优模块机器人结构将作为系统的输出，并增加到事例库中。

图3 基于事例推理的模块机器人辅助设计系统

图4 基于事例的推理

在匹配过程中如果没有适当的候选者产生，则系统首先要求用户修订对任务的说明，如放松约束或降低性能要求，以利于回调相关机器人．系统在不能回调相关模块机器人时，会向领域专家征询进一步的知识，以求解决新的任务．若在有限循环次数后仍不能回调相关事例，则系统调用综合过程，从模块库中综合新的机器人拓扑关系．

系统任务描述界面如图5所示（略），用户可以从3个属性界面上对机器人作业基本任务、工作环境和约束进行描述．例如，一机器人在一平面空间进行弧焊任务，焊头Welder重为3.5kg，最大工作范围在平面500mm×450 mm的范围内，焊头能在X平面内偏转，轨迹类型为连续，焊头Welder从给定点PStart，经轨迹Path_1，到结束点PEnd．对工作空间可以用图形方式加以直观定义和显示，对轨迹的描述可以是数组或图形方式．工作环境描述主要包括对系统坐标系统定位、相关设备、传感器等的定义．约束条件指的是对机器人作业时其他约束，诸如对执行器的最大速度、加速度、机器人定位精度、重复精度、制作成本、使用成本等因素的考虑．

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基于再制造的机器人电弧喷涂柔性快速成型技术初探

发表于 2008-7-11 16:32:01

基于再制造的机器人电弧喷涂柔性快速成型技术初探

引言

    装备再制造工程是节约资源，保护环境，旧装备升级改造和为新装备积累经验的有效途径，是维修工程、表面工程的继承、发展和深化，也是其理论化和系统化，是创建节约型社会、建设循环经济、坚持可持续发展战略的重要技术途径。

    由于现代战争空前残酷，装备毁伤日益严重，精确保障迫在眉睫，同时，由于现代武器装备的复杂性、高质量、多品种、小批量、周期要求短、修复难度大，传统的批量生产技术在再制造产品的质量、效率、精度以及在降低劳动强度，减少环境污染等方面已无法满足现代战争需要，因此，发展自动化、柔性化与智能化的快速制造技术已成为摆在各国军方面前的重要课题。采用自动化、柔性化与智能化的快速生产技术还可以减少库存积压，降低保障开支，提高保障水平，对于航海，陆、空、天等远距离以及高温、剧毒等恶劣环境下的零件快速修复和精确保障也具有重要的战略意义和军事意义。同时，现代经济社会中，市场竞争激烈，采用该技术可以大幅提高企业制造小批量、多品种产品的灵活性，增强企业竞争力和市场应变力，因此发展自动化、柔性化与智能化快速生产技术在国防和国民经济中都具有广阔的研究、开发、应用前景，基于再制造的机器人电弧喷涂柔性快速成型技术就是其中内容之一。

    基于再制造的机器人电弧喷涂柔性快速成型技术是指在机器人操作控制下，由CAD 模型直接驱动，采用电弧喷涂的方法快速制造任意形状的装备零件实体（主要指薄壁零件）的技术，是机械工程、CAD、自动控制、电弧喷涂、材料能多学科相互渗透与交叉的产物。它是自动、快速、准确的将设计思想化为具有一定功能的原型或直接制造出零件的技术。

    本文初步探讨了机器人电弧喷涂柔性快速成型技术的组成、特点、工作过程以及路径规划方法，并对该技术今后的发展作了展望。

1 系统组成

    机器人电弧喷涂柔性系统主要由机器人本体及控制器、电弧喷涂设备、变位机、周边装置和控制系统组成。

    用于喷涂成型的工业机器人基本上都属于六轴式关节机器人，有效载荷一般为6kg或16kg，其中下面3 个轴（手臂）的运动是把喷枪送到不同的空间位置，上面3个轴（手腕）是解决喷枪的姿态问题，各关节的运动由交流伺服电机驱动，动态特性好，负载能力强，故障率低，各轴运动的加（减）速度也很快，机器人控制器是整个系统的中枢，它有计算机硬件、软件和一些专用电路组成，软件包括控制器系统软件，机器人语言、机器人运动学和动力学软件，机器人控制软件，机器人仿真软件，机器人自诊断和子保护软件，控制器负责机器人工作过程中的全部信息和控制机器人的全部动作。

    电弧喷涂设备一般包括喷枪、喷涂电源、送丝机构以及附属机构组成。为保证机器人控制器能够对喷涂参数进行控制和编程，机器人与喷涂设备之间接口协议必须一致。

    变位机主要是在喷涂过程中与机器人协调运动，处于适当位置，以便获得成型质量较好的零件。

    周边装置主要包括工件夹具和安全防碰撞装置等。

    控制系统采用以系列可编程控制器为核心的I/O 高速总线控制，主要有控制箱、示教器等组成，示教器装有可编程终端（触摸屏），能完成所有操作、提供各种指示以及参数的输入，特别是调整夹具或操作程序时，不需更换硬件，通过可编程触摸终端即可方便的实现。

2 技术特点

    （1）高速度、高柔性和技术高密集实现了设计制造一体化；
    （2）自由成型制造，不受零件复杂程度的限制，实现喷涂零件的柔性化生产；
    （3）无需传统刀具、夹具及模具，保持了喷涂参数的稳定性，提高了零件成型的一致性；
    （4）生产周期短，市场响应快，生产效率高，产品竞争力强；
    （5）生产成本低，零件质量高，成本仅为传统加工的1/3 1/5，经济效益突出，节材，节能，环保，符合绿色生产理念；
    （6）可实现武器装备零部件的备品零库存和战场的快速精确保障，军事意义显著。

3 工作过程

    机器人电弧喷涂柔性快速成型制造技术与传统的受迫成形（如锻造成形）和去除成形（如切削加工）不同,是一种基于离散-堆积的成形过程。首先，借助三维CAD或用反求工程采集得到有关零件的几何形状、结构和材料的组合信息，从而获得目标原型的概念，并以此建立数字化描述模型。之后，将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统，经过逐点、逐面进行材料的“三维堆砌”成型，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求。其一般工作过程是：1）建立三维CAD数据模型；2）离散化处理；3）层面信息处理；4）确定粉体材料，采用电弧喷涂工艺，层面加工；5）原型或零件的喷涂堆砌制造；6）原型或零件的后处理。

4 路径规划方法

    机器人轨迹规划是使机器人在规定时间内，按一定的速度及加速度，从初始状态移动到某个规定的目标状态。其路径规划方法主要有直角坐标空间法和关节空间法两种。关节空间法优点是计算量小，效率高，仅受关节速度及加速度的限制，不会发生机构的奇异性问题，特别适合机器人末端执行器离开物体不要求规定路径的、进入空行程大范围内快速移动的轨迹段，该方法的缺点是机器人在未执行末端执行指令实现运动前，难以形象末端执行器在空间的真实轨迹，特别是在机器人工作空间内有障碍的情况下，容易发生危险。直角坐标空间轨迹规划的优点是分段点之间的运动能很好的确定，非常适合已定义的函数轨迹，缺点是不仅要进行空间插补，又要转换到关节，且难以估计运动时间、关节速度以及加速度达到的极限。

4.1 直角坐标空间法

    在电弧喷涂快速成形过程中，不仅要求机器人在运动终点准确定位，而且要求运动轨迹具有一定的精度即要求对手臂进行连续轨迹（Continuous Path）控制。为保证可靠的抓取与卸除喷枪，要求有一准备动作，因此需要增加逼近与脱离两个位姿。同时为避免多余的抖动与停顿，常常也要求执行器在经过这些空间点时运动是连续的。

    CP 运动方式有空间直线运动、空间圆弧运动及空间椭圆运动等运动方式。

    （1）空间直线运动

    此时机器人只需在运动中完成一条空间直线轨迹，其轨迹控制采用在直角坐标空间里的直线插补方式。只要给出直角坐标空间内轨迹起点和终点的位姿信息，即可计算出由两点所确定的直线段上的一系列点的位姿信息。这一系列点的位姿经过运动学反解，即可求得各个关节对应点所需要的关节角度。

    （2）空间圆弧运动

    三维空间轨迹除了简单的直线、圆弧、椭圆，还包括抛物线、双曲线、螺旋线等复杂的曲线。设机器人由起始点位姿T06经过中间某一点T16后到达终止点T26在固定坐标系X、Y、Z 方向上起始点位置为p＊0=（p＊0x，p＊0y，p＊0z）T，姿态角为α0、β0、γ0 中间点的位置为 p＊1=（p＊1x，p＊1y，p＊1z）T，姿态角为α1、β1、γ1，终止点的位置为p＊2=（p＊2x，p＊2y，p＊2z）T，姿态角为α2、β2、γ2。

    如果根据空间圆方程:（x-x0）＊2+ （y-y0）＊2+（z-z0）＊2=r＊2

    对上式进行轨迹规划，编写轨迹的参数方程十分困难，对上述方程进行插补也是非常复杂的。为了便于计算圆的轨迹方程，必须先将圆的轨迹方程由固定坐标系进行变换，然后在新坐标系中引入轨迹规划插值后，再反变换到基准坐标系中。

    （3）空间椭圆运动

    焊接机器人的椭圆运动方式与圆弧运动方式相似，不同之处在于是以椭圆进行规划的。根据轨迹上的任意三个点，并给出长短轴比例k=a/b，即可进行椭圆的轨迹规划。当a=b时，椭圆的轨迹规划即为圆的轨迹规划。

4.2 关节空间法

    首先用逆运动学将路径点转换成关节矢量角度值，然后对每个关节拟合一光滑函数，从初始点依次通过所有路径点，到达目标点并使每一路径各关节运动时间均相同。关节轨迹同时要满足一组约束条件，如位姿、速度、加速度与连续性等。在满足约束条件下，可选取不同类型的关节插值函数。常用的插值函数有：三次多项式插值、高阶多项式插值及用抛物线过渡的线性插值等。各关节函数之间是相互独立的，且不会发生机构的奇异性问题。

    （1）无中间点的PTP运动

    无中间点的PTP运动指机器人的手部运动时，由机器人起点某位姿运动到终点另一位姿时，手部不经过任何中间位姿点的运动。设机器人的起始位姿为 T＊06，此时位姿的几个关节角度为q＊0i（i=1，2，...，6）。经过时间tf后，机器人手部不经任何其它的中间点直接到达目标位姿T＊16，相应的关节位置为q＊1i（i=1，2，...，6）。为了使机器人的运动快速协调，须找出光滑函数qi（t）。三次多项式插值：qi（t）=a0+a1t+a2t＊2+a3t＊3 关节运动从静止起点开始运动到终点静止结束，4个系数可由起始点和终止点的约束条件求得。

    （2）带中间点的PTP运动

    一般情况下，机器人的运动要经过一些中间点，并希望机器人能够平稳地通过中间点，以便机器人迅速到达目标位置。设机器人由起始位姿T＊06，经过中间点T＊16，T＊26，...，T＊m-16，最后到达终止点T＊m6，其各位姿点的关节角度为q0＊i，q1＊i，q2＊i，...，qm＊i（i=1，2，...，6），每一段运动的时间间隔为t1 t2 tm 如果每一段都用一个三次多项式表示，则：q＊ji（t）=a＊ji0+a＊ji1t+a＊ji2t＊2+a＊ji3t＊3 （i=1，2 ，… ，6；j=1，2 ，… ，m；0

    为了方便每一段时间从零开始计算，上述共4m个方程，每个方程有4个系数，共计4m个系数，系数可由中间点的速度、加速度、连续性及起始点和终止点的约束条件求得。

5 结语

    同其它制造技术相比，机器人电弧喷涂柔性快速成型技术在制造小批量薄壁零件方面具有特殊的优势，能显著降低成本，缩短时间，可实现武器装备的备品零库存和战场的快速精确，并能大幅提高企业竞争力，因此该技术在军事和民用方面具有较大的研究、开发和应用潜力,发展前景十分广阔。尤其是近年来信息智能技术的兴起更是为该技术的发展提供了新的机遇。但该技术的研究还刚刚起步，在如何提高快速成型产品的控制精度和生产效率、降低零部件的内聚强度、以及如何积极将其最新研究成果应用于军事和国民经济中等方面尚待进一步深入系统的研究，相信在相关科技人员的共同努力下,该技术一定会逐步发展完善，并在国防和国民经济中发挥作用。

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基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现

发表于 2008-7-11 16:31:17

基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统设计与实现

摘要：以三菱公司的智能功率模块PM25RSB-120作为主电路核心，TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片作为控制电路核心，设计了一个三相异步电动机矢量控制变频调速系统。实验结果表明整个系统动态响应快，超调量小，稳态精度高。
关键词：DSP；三相异步电动机；智能功率模块；矢量控制
中图分类号：TP273 文献标识码：

A Design and Realization on Vector Control System of Three-phase
Asynchronous Motor Based on DSP
罗辉1    胡泽1   王文静2    石磊1
（1.西南石油大学  2.中石化西北油田分公司）
LUO Hui  HU Ze  WANG Wen-jing  SHI Lei
（Southwest Petroleum University ，Cheng du  610500）

Abstract：We design a vector control system of Three-phase Asynchronous Motor by taking the PM25RSB-120 IPM of MITSUBISHI & TMS320LF2407A DSP of TI as the key controller of the main circuit and control circuit. The experimental results show that the whole system run well with quick dynamic response, small overshoots and high accuracy of steady-state.
Keywords：Digital Signal Processor; Three-phase Asynchronous Motor; Intelligent Power Module; Vector Control

1 前言

在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数达到0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316天后可收回全部投资。湖南长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA变频器后，输出功率由18.6kW降至7.2kW，节电61.3%[3]。在我国，异步电机的变频调速系统有巨大的市场潜能。

本文以TMS320LF2407A DSP芯片为控制核心对高性能矢量控制变频调速系统进行了硬件和软件设计，最后对整个系统进行了实验研究。

2 异步电机的矢量控制技术

异步电机在三相静止坐标系下的数学模型很复杂，关键是由于其复杂的磁链关系。因此，要简化数学模型，必须通过坐标变换将异步电机的数学模型从三相静止坐标系上变换到两相同步旋转坐标系上。从三相静止坐标系（ABC坐标系）到两相静止坐标系（0ab坐标系）的变换称为Clarke变换，从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系（OMT坐标系）的变换称为Park变换。

矢量控制也叫磁场定向控制，通过坐标变换，在两相同步旋转坐标系上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量ism 和产生转矩的转矩电流分量ist，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了，这就是矢量控制的核心思想[1]。

3 系统组成

基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构图如图1所示。它包含主电路、控制电路和保护电路三大部分，具体由整流滤波模块、逆变模块、IPM保护模块、三相异步电动机、电压、电流和转速检测模块、显示模块、主控制模块、DSP与PC机通信模块等组成。

图1 基于DSP的三相异步电动机矢量控制系统结构框图

系统主电路采用典型的交—直—交电压型变频器结构。整流环节采用三相桥式不可控整流模块，逆变电路采用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM25RSB-120作为功率器件，中间直流环节利用大电容滤波。系统控制电路包含两个部分，即TMS320LF2407A DSP核心电路和基于核心电路的外部扩展电路。DSP核心电路负责整个系统的控制和具体的算法实现功能，外部扩展电路主要完成电压、电流和速度信号的检测，数据显示以及DSP与PC机通信等功能，并对IPM发出的各种故障信号进行综合处理形成总的故障信号送入TMS320LF2407A的故障中断入口。上位机（PC机）部分采用Visual Basic编写通信界面，主要负责转速（频率）和磁通的给定以及调速系统故障显示等功能。

4 系统硬件设计

4.1 主电路设计

主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路三部分。整流电路选用日本富士公司的6RI15G-120（15A 、1200V）三相全桥整流模块。滤波电容值理论上越大越好，考虑到体积和价格，选用两个1000μF/450V的电解电容相串联，总耐压值为900V，电容量为500μF 。逆变电路选用日本三菱公司的第三代智能功率模块IPM，型号为PM25RSB-120（25A 、1200V），其内部本身就集成了过压、欠压、过流、过热和短路等的输出报警功能。

PM25RSB-120有两个直流输入口（P，N），三个交流输出口（U，V，W），一个泵升制动口（B）和19个控制输入口。TMS320LF2407A 产生的六路PWM信号经过东芝光耦隔离器TLP521后输入到PM25RSB-120的U_P、V_P、W_P和U_N、V_N、W_N控制引脚，分别控制三相逆变桥的上、下桥臂的导通与关闭。三相整流桥输出的直流电压信号经P、N端子输入到PM25RSB-120中。

图2 IPM逆变电路

当IPM出现故障时，U_FO、V_FO、W_FO和FO口发出故障信号；对这些信号进行综合处理后形成总的故障信号，并将其送入TMS320LF2407A的口，及时封锁DSP的PWM口，对整个系统进行保护。IPM的驱动电源必须采用四组+15V的隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，三个下桥臂和泵升电压控制共有一组，各驱动电源上连接的10μF和0.1μF电容是从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。IPM逆变电路图如图2所示。

4.2 控制电路设计

TI 公司的 TMS320LF2407A DSP控制器是性能很好的数字电动机控制芯片，作为一种专门面向数字控制系统的通用可编程微处理器，它既集成了极强的数字信号处理能力，又集成了数字控制系统所必需的输入、输出、A/D 转换和事件捕捉等外设[2]。

控制电路由两块PCB板组成，DSP核心电路组成一块PCB板，基于DSP核心电路的外部扩展电路组成另外一块PCB板。本设计中，控制电路主要完成电压、电流和速度信号检测，DSP与PC机通信，数据显示以及故障信号综合处理等功能。

本设计选用华南理工大学科技开发公司提供的CHB5-P型霍尔电流传感器来检测电流，它的工作电压为 15V，能够测量 10A之间的电流，输出电流的最大值为10mA。TMS320F2407A 内带有10 位A/D转换器，每个A/D转换器的最快转换时间是 375ns。在检测定子电流时，需要进行A/D转换的量为两路输入电流，因此需要2个通道并行转换完成信号的传输。

图3 电流检测及信号调理电路图

如图3示，霍尔电流传感器的一路输出信号经过电阻R26后转换成相应的双极性电压信号Ua；Ua经过电平偏移放大电路后变成单极性的电压信号U2 ，该信号可以直接送入DSP A/D转换器的第0通道进行电流采样。本设计中电平偏移放大电路由双运算放大器LM358、电阻R₂₇、R₂₈、R₃₀和LM366组成。LM366是能够提供2.5V基准电压（U0）的电压基准芯片，二极管 D6 、D7 组成限幅电路，保证了 DSP 的输入在0～3.3V 之间。在本设计中，A/D 转换基准电压为3.3V，它由 TI 公司的电平转换芯片REF3033提供，REF3033是一个高精度电压基准芯片，误差为0.2％，输出电流最大为 25mA。

本设计采用欧姆龙公司的OVW2-2048-2MD型旋转编码器进行转速检测，它由+5V供电，有A、B和Z相三路输出。其中A与B用于测速，它们的相位差为90度，每转一圈输出2048个脉冲；而Z脉冲为每转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。旋转编码器的A、B相输出经过高速光耦隔离，接到DSP的增量式光电编码器接口（QEP）引脚，通过对脉冲的计数就可以计算电机实测转速。

电动机实测转速由4位共阴极 LED数码管显示，显示方式采用动态扫描显示。LED由MAX7219驱动，DSP的SPI（串行外设模块）负责和MAX7219之间进行数据通信。MAX7219是一个高性能低价格的多位LED显示驱动器，其接口采用流行的同步串行外设接口（SPI），可同时驱动8位LED，其片内包含有8个显示RAM和6个特殊功能寄存器，可方便寻址[4]。

本设计采用符合RS-232标准的驱动芯片MAX232 实现DSP的SCI（串行通信模块）口和PC机串口之间的串行异步通信。上位机部分采用Visual Basic编写通信界面。本设计中上位机主要负责系统起动和停机命令的发送、调速时转速（频率）和磁通的给定以及系统故障显示等功能。

5 系统软件设计

DSP实现矢量控制算法的结构框图如图4所示。

图4 DSP实现异步电机矢量控制结构框图

软件设计时采用模块化设计，主要包括主程序模块和中断服务子程序模块两部分。主程序模块主要包括系统初始化和DSP与PC机通信两部分。其中初始化部分包括硬件初始化和各个矢量控制算法模块的初始化；中断初始化；各个控制寄存器置初值；运算过程中使用的各个变量分配地址和设置相应的初值等。

整个矢量控制算法都将在EVA的定时计数器T1的下溢中断服务子程序中实现。T1下溢中断服务子程序是整个软件系统的核心，其流程图如图5所示，它主要包括光电编码转速检测，相电流检测，坐标变换，转子磁链位置计算，电流、速度PI调节以及电压空间矢量SVPWM产生等部分。中断服务子程序在每次定时计数器T1下溢事件发生之后，都将从主程序的等待循环中唤醒执行。中断服务子程序执行时，转速（或频率）和磁通的给定从主程序中读取。

图5 T1下溢中断服务子程序流程图

6 实验结果及分析

实验时，电动机转速的阶跃给定为1000r/min，电机空载启动，在t=0.4s时，突加5N●m 的负载。

图6 转子转速和转矩波形图

图7 两相同步旋转坐标系下的定子电流

图6中电磁转矩与转速变化相对应，电机起动时，起动转矩很大，这是由于电机系统惯性较大，转速不能突变，刚起动时转速反馈为零，转速偏差很大，转速调节器迅速饱和，输出达到限幅值，从而使电磁转矩很大。随着转速的上升，在0.2s 内转速超过设定值，转速调节器退饱和，ASR输出减小，ATR的给定值变小，电磁转矩随之减小。随着转速的稳定，转矩也趋于稳定，由于电机空载运行，电机输出电磁转矩很小，接近于零。在0.4s突加负载时的情况与电机起动时的情形类似，稳态时，电磁转矩等于负载转矩。系统的电流环采用了电流跟踪滞环比较控制，所以稳态时电磁转矩有一定的脉动。

图7中，电机起动后，M轴电流很快达到稳态值。在突加负载瞬间，i_sm有一个很小的脉动，但是很快又恢复到稳态值，并且基本保持恒定不变，不受负载变化的影响。从T轴电流波形图可以看出，i_st随着负载变化而变化，突加负载时，i_st随着负载增大而迅速增大，定子电流的解耦是成功的。

图8 PWM1和 PWM2引脚波形图9 PWM1和UP引脚波形

当给定频率为40Hz时，用示波器实测DSP的PWM1～PWM6各管脚的输出控制波形。图8为PWM1和PWM2引脚的输出控制波形，图9为PWM1和UP信号输出波形。从图8可以看出二者幅值相同，相位相反，二者的波形之间有死区时间；从图9可以看出二者幅值上不同，相位相同。各输出波形均与理论波形相吻合。

7 结论

利用高性能的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A的强大运算能力和快速实时处理能力，可使变频调速系统中复杂的控制算法更加容易编程实现。实验结果表明矢量控制系统稳态精度高，动态调节时间较短、超调量小、抗干扰能力强，完全可以达到与直流电机相媲美的调速性能。

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机器人焊接系统离线编程实例研究

发表于 2008-7-11 16:30:13

机器人焊接系统离线编程实例研究

1 引言

随着国内航天事业飞速发展、国际卫星发射市场竞争日趋激烈，对发动机的生产周期、制造成本，提出了更高的要求。为了适应这种形势，设法提高焊接接头质量及焊接接头质量的稳定性，保证生产周期己成为当务之急二机器人焊接系统的柔性优势正是解决这种矛盾的良好方案。

2 机器人焊接存在的问题

为满足焊接质量的要求，对每·段都需要选择其中一条焊缝进行机器人编程。目前采用的编程方式为示教编程。操作人员利用示教盒控制机器人运动，使焊枪到达完成焊接作业所需位姿，并记录下各个示教点的位姿数据。随后机器人便可以在"再现"状态完成这条焊缝的焊接。

根据前期的试验，目前存在以下两方面问题:

（1）示教精度不稳定，影响焊接质量

在示教过程中，编程效果受操作人员水平及状态的影响较大。示教时，应尽量保证示教点在焊缝轨迹上，保证合适的焊枪高度，并且要保证焊枪姿态的连续变化，对操作人员的水平要求很高。另外，操作人员长时间处在高度精神集中的状态，很难保证每个示教点的准确。从而使最终的编程精度变得不稳定，有时还会发生焊枪与工件相碰等问题。

（2）编程时间长，焊接效率低

    为了保证轨迹的精度，通常在100mm的焊缝上，需要示教50个点，以保证焊接机器人运行平滑及收弧点位置的一致。在每段的在线示教与编程中，需要2小时的时间，即整个产品在示教编程上需要200小时，合计在25个工作日，加大了喷管延伸段的总焊接时间。

    因此，如何提高编程的效率及精度，缩短产品总的焊接时间，提高焊接质量成为需要迫切解决的问题。

3 机器人焊接离线编程技术

目前的机器人编程可以分为示教编程与离线编程两种方式。在机器人所要完成的任务不很复杂，以及编程时间相对于工作时间米说比较短的情况下，示教编程是有效可行的，但在许多复杂的作业应用中不是令人满意。

3. 1机器人离线编程特点

机器人焊接离线编程及仿真技术是利用计算机图形学的成果，在计算机中建立起机器人及其工作环境的模型，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行编程，进而产生机器人程序。与传统的在线示教编程相比，离线编程具有如下优点:

    a.减少机器人不工作的时间。
    b.使编程者远离危险的工作环境。
    c.便于修改机器人程序。
    d.可结合各种人工智能等技术来提高编程效率。
    e.便于和CADICAM系统结合，做到CAD/CAM/Robotics一体化。

因此，机器人焊接离线编程及仿真是提高机器人焊接系统柔性化的一项关键技术，是现代机器人焊接制造业的一个重要发展趋势。

3. 2机器人离线编程技术现状

目前国际市场上己有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件，如Workspace, ROBCAD, IGRIP等。

Workspace是Robot Simulations公司开发的第一个商品化的基于微机的机器人仿真与离线编程软件。该软件最新版木采用了ACIS作为建模核心，与一些基于微机的CAD系统如AutoCAD做到了很好的数据交换。

ROBCAD是美国Tecnomatix公司1986年推出的机器人CAD及仿真系统。短短几年内，ROBCAD已在实际工业系统中得到了广泛的应用，美国福特、德国大众、意大利菲亚特等多家汽车公司，美国洛克希德宇航局都使用ROBCAD进行机器人生产线的设计、仿真和离线编程。

美国另一个著名的机器人离线编程与仿真软件包是IGRIP，它是美国Deneb Robotics公司推出的交互式机器人图形编程与仿真软件包，主要用于机器人工作单元布置、仿真及离线编程。IGRIP可在SGI、HP, SUN等工作站上运行。IGRIP软件分为三个部分:IMS, GSL. GLI。此外，它还通过一个共享库为用户提供一些更高级的功能。国内在机器人焊接离线编程方面，哈尔滨工业大学、北京工业大学、南京理工大学等单位开展了研究工作。其中哈尔滨丁业大学在十几年前便开展了研究工作，研究水平在国内处于领先地位，相继开发出了RAWCAD等机器人弧焊离线编程系统，并在一些产品上得到了应用。

4 机器人离线编程与仿真解决方案

开发基于SolidWorks平台的弧焊机器人离线编程与仿真系统，实现喷管延伸段焊接过程中的离线编程工作。

4. 1工作流程

    a.建立喷管延伸段模胎与管子的CAD模型及机器人模型。
    b.对焊缝进行分段并编号，并针对每一段焊缝，利用离线编程系统进行自动编程，包括焊枪轨迹的规
    划、焊枪姿态的规划。
    c.对编程结果进行仿真，并根据仿真结果对规划的位姿进行修正。
    d.对机器人坐标系进行标定，使其与离线编程系统中的坐标系一致。
    e.将离线编程得到的程序转换成Motoman机器人程序，并通过通讯接口或CF卡导入到机器人控制器中。
    f.机器人利用离线编制的程序完成工件的焊接。

4. 2三点标定法

三点标定法，分别用到实际工件的三个特征点的空间坐标和虚拟工件的三个特征点的空问坐标。其中，标签点（X）为标定用坐标系的x轴上的一点标签点〔Y）为标定用坐标系的y轴上的一点，标签点（o）为标定用坐标系的原点位置。

4.3实例

4.3.1标定

进行实际机器人的示教，将机器人焊枪示教到工件的三个特征点处，记录在三个特征点处机器人关节角的大小，保存到文件中。再将此兰组机器人关节角文件改写为机器人程序文件，然后利用"编程器"的程序上载功能上载到离线编程系统中，在"编程器"中控制机器人单步运动，每运动到一点就将机器人末端的位置记录到相应的点中，见图1。

图1 工件标定坐标系

此处提供了马鞍形焊缝工件的标定功能，标定过程中需要六个标签点，上圆三个，下圆三个。各个点的记录方法和前面的三点标定相同，注意圆上各点的记录顺序应该相同，一般为逆时针方向。见图2。

图2 马鞍形焊缝工件仿真结果

4.3.2 创建焊接接头特征对象

生成焊接接头特征对象:a进行名称检查;b，进行位姿计算。目前的位姿计算只支持角焊缝，计算原理为:角焊缝的截面为近似倒三角形，整体近似三棱形，在两个焊板相交的焊缝底部棱边上生成焊接路径点，从边上提取空间位置信息，边在该点的切线方向为焊缝点的X轴方向，焊缝两个侧面的法向方向的夹角方向为焊缝点的Z轴方向，Y轴由X,Z叉乘得到。见图3。

图3 焊接接头特征

在没有生成焊缝几何体的情况下，生成焊接路计算原理和从焊缝几何体生成焊缝点的原理相见图4。

图4 焊接路径仿真结果

4.3.3喷管延伸段机器人焊接仿真

喷管延伸段机器人焊接系统仿真结果见图5。

5 结束语

由于采用离线编程，编程时不影响焊接机器人的正常生产。而且离线编程系统可以进行自动编程，焊枪位置点的选取及焊枪姿态的过渡会很平滑，编程精度会提高。编程人员通过仿真系统，能够很充观地检查编程结果，并可以进行人工修正。

采用这样的离线编程系统，能够提高编程效率，减轻编程员的劳动强度，提高产品的生产率及产品的焊接质量。

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基于PC104的实时工业图像检测

发表于 2008-7-11 16:29:20

基于PC104的实时工业图像检测

摘要：随着图像处理软件、硬件的发展，图像处理技术越来越现实的被应用到工业现场中。本文充分利用嵌入式工业计算机PC104优化、小型、堆栈式结构的特点，与图像处理技术结合，把工业现场摄取的检测图像进行数字处理，得到所需监测目标的图像特征值，根据结果发出相应的控制指令，完成工业自动控制过程。文章从硬件构成和软件实现探讨了基于PC104实时工业图像检测的可实施性。

关键词：PC104; 图象处理; 串口液晶

引言

　　把图像应用到工业中时很有实用价值的，摄取图像通常不带破坏性，是安全的。它又是一件不费力的事，且成本也不昂贵。计算机与图像处理的结合也在快速发展中，从20世纪60年代起，人们就想利用计算机视觉的原理构造出有用的计算机系统，受多方面因素的影响，很难实现。随着科技发展，计算机和图像系统的价格已经很便宜，意味着研究工作有一定可行性。

　　在现代化的大生产之中，视觉检测往往是不可缺少的环节。比如，汽车零件的外观，药品包装的正误，IC字符印刷的质量，电路板焊接的好坏，等等，都需要众多的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验。大量的检测人工不仅影响工厂效率，而且带来不可靠的因素，直接影响产品质量与成本。另外，许多检测的工序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确获取检测数据，比如零件的宽度，圆孔的直径，以及基准点的坐标等等，这些工作则是很难靠人眼快速完成。

　　与此同时,与PC兼容的单板机也在硬件杠杆即与PC芯片兼容可降低成本，获得更简单和更容易的系统支持;和软件杠杆为可充分利用PC操作系统、语言、工具软件的作用下得到了进一步的发展。PC104与普通PC总线控制系统的主要不同是：

　　1、小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3.6X3.8英寸，即96X90mm

　　2、堆栈式连接：总线以“针”和“孔”形式层叠连接，PC104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的接线孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性。

　　3、轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，，每个模块1-2瓦能耗。

1 系统构成

　　1.1 系统硬件构成

　　系统以嵌入式工业计算机PC/104为核心，以红外接近开关检测是否有工件进入检测范围，当有待测工件进入测量范围，启动USB接口摄像机摄取检测图像并转化为数字信号，经过软件处理后把相应的处理结果加以记录并通过液晶显示出来，当遇到不符条件的工件时控制过程开关检出此工件。系统框图参见图1。

图1 系统框图

　　1.2 系统硬件说明

　　工业流水线上的工件经过机械位置调整后，当工件触发红外接近开关，USB接口摄像机的捕获工件图像，作为数字信号进入计算机，并对其作进一步图像处理运算。得到所需监测目标的图像特征值，根据结果发出相应的控制指令，完成工业自动控制过程。处理结果可以通过串口液晶模块显示，还可以存储在通过CF卡接口扩展的大容量存储单元中并由RJ45以太网接口传给上位机。

　　嵌入式工业计算机PC/104：嵌入式工业计算机采用ST公司的嵌入式CPU STPC Atlas，它是一款增强型486 DX/DX2 CPU。当工作在DX2模式下的工作频率可达133MHz。Atlas 内部集成了一个2D图形控制器和一个内存控制器，可以直接扩展LCD/CRT 接口及100MHz的SDRAM，最大容量可以支持到64Mbytes。板上还集成10/100Mbps网络接口、DOC接口、EIDE、二个USB、通用串口、并口及PC/104接口。是高性价比，结构紧凑的嵌入式控制模块。

　　5V稳压源：供电系统采用5V电源为整个系统供电，可使用交流220V经变压器后，由7805等三端稳压器件输出;3.3V锂电池为RTC供电，保持日历时钟。

　　CF卡接口：用于大容量存储数据和交换数据。

　　串口液晶模块：PC104有3线，9线串口，可接MAX211、MAX232、MAX485等电平转换芯片，用以串口通讯。扩展的串口通讯液晶，通过RS232串口可以显示字符，图形，曲线等。内含12＊12，16＊16，24＊24点阵含字库，通讯速率可选：1200/2400/9600/19200/38400/57600/115200 bps可软件设置，默认速率为9600，通过跳线完成。自带flash可存储100多幅页面或画面。

　　以太网接口：安装RJ45接口，2个LED显示其状态。

　　PS/2调试键盘扩充标准AT-PS2键盘：通过转换线接PS/2工业标准键盘，价格低廉且通用。采用双向同步串行协议，与BIOS紧密结合，在编程上实现BIOS级的兼容，可直接使用各种C库函数。运行PS2KEY.EXE执行键盘驻留程序。由于键盘在系统中仅调试时使用，所以不采用常见的矩阵键盘，省去了键盘部分的外接电路。

　　USB接口摄像机：系统检测生产线上的产品，决定产品是否符合质量要求，并根据结果，产生相应的信号输入上位机。系统中图像获取设备包括光源、USB接口摄像机等。对于与PC104不兼容的USB接口摄像机驱动，需要编写对应的DLL文件。

　　红外接近开关：利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。红外接近开关,IR发射管一旦被驱动，它便发出IR信号，接收头收到这个信号并输出低电平。因为工业现场干扰较杂，采用对射式光电开关，同时让IR LED发送一定宽度的脉冲信号，在发送端和接收端连接一个判别电路如果发/收的信号一致，就认为没有物体接近，否则就有。对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。对于不透明的检测物体，采用对射式光电开关保证检测的可靠性。

2 系统流程

　　2.1 控制流程

　　通过USB接口摄像机形成机器视觉，完成对图像的获取，在PC104中对数字图像处理分析并显示输出结果。

　　将近80%的工业视觉系统主要用在检测方面，包括用于提高生产效率、控制生产过程中的产品质量、采集产品数据等。产品的分类和选择也集成于检测功能中。基于PC104的实时工业图像检测控制流程参见图2。

图2 系统控制流程图

　　通过PS/2调试键盘，把初始化参数输入工业计算机，并进行软件调试。也可以扩展特制工业键盘，方便调试和工业操作。相应键盘软件流程参见下一节。当机械传送带送待测工件至摄像机视野后，红外接近开关在工件到达摄像机视野正中时给出触发信号，摄像机获取工件图像，并把数字图像送至PC104，由图像处理软件计算所需要的图像特征值。与工件标准相比较，根据结果显示相应数据图像并发出指令。

　　2.2 相关软件流程

　　图像处理软件流程：获取图像由于受工业现场脉冲干扰，图像在捕获和传输过程中产生椒盐脉冲等噪声，必须经过滤波处理。对图像开运算除去比结构元素更小的明亮细节，再利用闭运算去除比结构元素更小的暗色细节，开运算、闭运算用来平滑图像同时去除噪声，流程图参见图3。

图3 图像处理流程

　　若扩展特制键盘，其键盘软件参考程序如下，键盘例程：

　　#include <＊.h> //包括所需头文件

　　Int main（int argc, char ＊ argv[]）

　　｛

　　 Int keyval;

　　 .

　　 . // 初始化

　　 While （1）

　　｛

　　 keyval= getch（）; //获取键入字符

　　 switch （keyval）

　　｛

　　 case ‘1’: //若按键1按下

　　 user_fun1（）; // 用户程序

　　 break;

　　 .

　　 . // 其他键值

　　 default:

　　 ;

　　｝

　　 return 0;

　　｝

3 系统仿真

　　运用计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图像特征值，再根据其结果显示图象，输出数据，发出指令，配合执行机构完成位置调整，好坏筛选，数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较，机器视觉的最大优点是精确，快速，可靠，以及数字化等优点。

　　图4说明系统对模拟工件的处理过程，确定模拟工件圆柱直径：

图4 模拟工件处理过程

　　模拟工件在传送中触发红外接近开关，USB接口摄像机捕获工件图像a，由于工业现场干扰较多，图像在经过滤波b，以及开、闭运算平滑处理后c，为计算工件的圆柱直径，把图像二值，骨骼化并进行重构处理，获得直径参数，与标准工件参数比较，若误差超出允许范围，给出信号，并把相关数据记录或上传给上位机。

4 结束语

　　自从1987年产生第一块PC104，对PC104感兴趣的人越来越多，本文探讨了PC104对工业图像的实时检测。图像处理设备包括相应的软件和硬件系统;输出设备是与制造过程相连的有关系统，包括过程控制器和报警装置等。图像数据经软件处理后，对所得的图像特征值进行分析，并完成对生产线的产品控制，若发现不合格品，则报警器告警，并将其排除出生产线，本系统具有实际应用价值。

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基于嵌入式系统的机械车载监控终端研究

发表于 2008-7-11 16:28:32

基于嵌入式系统的机械车载监控终端研究

摘要：介绍了基于嵌入式系统的车载监控终端的研究,给出了系统总体结构和各模块的功能,介绍了系统的硬件设计,详细介绍了嵌入式系统中CAN总线的硬件和软件设计。

关键词：车载监控系统,嵌入式系统,CAN总线

1 引言

　　近年来,随着土地资源不断的被开发利用,我国基础建设的规模也进一步扩大,工程机械市场呈现持续增长态势,但是国内的工程机械行业仍处于一种相对落后的生产方式,所以工程机械行业需要适合本行业要求的,智能的,性能优越的监控产品。嵌入式技术、总线技术和网络技术等高新技术融入到工程机械行业的监控系统中来,是十分必要的。为此,本文设计了一种基于嵌入式系统和总线技术的工程机械监控系统终端,详细讨论了监控系统终端的构成和CAN总线的设计。

2 监控系统终端的总体构成

　　监控终端负责前端控制系统所有单元的监控,包括安全监控、电液比例等单元并通过液晶显示器和键盘进行人机交互,同时,连接视频监控设备,随时监控现场的情况。

图1监控系统终端的总体构成

　　如图1所示,监控系统终端包括:车载监控系统控制模块、人机交互模块、存储模块、视频监控模块、CAN总线控制模块。

　　各部分的功能如下:

　　1.载监控系统控制模块是整个终端的核心部件,采用ARM720TDMA内核的嵌入式处理器ARM7202,完成整个系统的控制功能。

　　2.储模块用来进行操作系统内核、引导程序和应用程序、以及驱动程序的存储,并缓存执行过程中产生的各种数据,使系统能稳定的运行。

　　3.机交互模块包括液晶显示器和键盘输入,用户通过人机交互模块进行直观的监测和控制。

　　4.为了对现场工作状况进行直接监控,系统集成了视频监控模块,通过视频采集卡连接摄像机,将采集到的图像转换成数字信号并压缩成JPEG格式文件,输入到处理器中,供用户进行监测。

　　5.系统通过CAN总线实现前端各个单元控制系统的监测。

3 硬件设计

　　3.1 硬件总体结构

　　如图2 所示,监控终端分成包括:嵌入式处理器7202、存储系统、复位电路和晶振电路, JTAG调试接口、LCD显示接口、RS-232串行接口、CAN总线接口。

图2载监控终端硬件结构图

　　各部分的功能如下:

　　1.晶振电路为系统提供工作时钟。

　　2.复位电路用于完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位。

　　3.存储系统由FLASH存储器、SDRAM存储器组成。FLASH存储器用于存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统和其他在系统掉电后需要保存的用户数据等。SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域。

　　4.JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问,通过该接口可对系统进行调试、编程等。

　　5.LCD接口用于连接人机交互所需要的显示装置。

　　6.CAN控制器为系统提供CAN总线接口,与前端各单元控制系统进行数据和指令的传递。

　　7.RS-232串行通信接口用于视频压缩卡的连接,传输视频图像。

　　3.2 CAN模块的硬件设计

　　通过CAN模块接口,ARM处理器可以直接访问CAN寄存器组,这些寄存器可以配置CAN核心模块、CAN信息处理模块以及访问信息RAM的方式。本系统采用飞利浦公司的TJA1050作为收发器,在CAN接口和CAN总线之间的收发器,作用是将3.3V的逻辑电平转换为CAN的逻辑电平,也就是将发送和接收到的信号转换成CAN总线和ARM可以识别的信号。

图3 CAN模块的电路设计

4 ARM中CAN模块的软件设计

　　在构造和特性上,7202的CAN控制器与标准的CAN模块基本没有区别,只是在寄存器的个数与基地址的偏移上有些不同。

图4 CAN模块操作顺序

　　如图4,在开始进行总线操作前需要做好4步工作。首先要使能CAN模块,向CAN Enable Register写入0X01,由于ARM的引脚是复用的,所以在使能CAN模块以前,先要将CAN模块占用的引脚切换到特殊模式。然后要初始化CAN模块,主要是正确的配置Command Mask Register,这个寄存器的作用是用来配置CAN模块收发的信息体。接着,配置波特率,通过所想达到的CAN总线波特率,计算出计算�

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