摘要隨著科技發(fā)展，機器人越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活。本課題是工業(yè)機器人遙操作控制系統(tǒng)設(shè)計之嵌入式伺服控制器設(shè)計，通過對上位機命令和反饋信號解決，實現(xiàn)對其進行有線遙控及運動軌跡示教再現(xiàn)。本設(shè)計重要由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面構(gòu)成。在硬件方面，微解決器采用TI公司MSP430系列超低功耗混合信號控制器MSP430F449，采用CAN總線與上位機通訊，并通過隔離放大信號實現(xiàn)對驅(qū)動器控制并采集光電編碼器反饋信號。軟件某些也重要涉及主程序，總線通訊程序和自動控制程序等。本設(shè)計綜合了多方面專業(yè)知識，運用嵌入式系統(tǒng)發(fā)展了機器人控制性能，用硬件實現(xiàn)控制算法，同步完畢任務(wù)合理調(diào)度、實時控制和通信功能，增進機器人和工業(yè)全面接軌。核心詞：工業(yè)機器人；控制器；嵌入式

ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology，robotsareappliedtoindustryandlifemoreandmorewidely.Thistaskisonthedesignofembeddedservocontrolleroftheteleoperationcontrolsystemofaindustrialrobot.Throughdealingwiththecommandfromthehostmicroprocessorandthefeedbacksignal，itrealizesthewiredremotecontrolandthereoccurrenceoftheoriginalorbit.Thedesignmainlyconsistsoftwoparts：hardwareandsoftwaredesign.Intermsofhardware，theultra-lowpoweredmixedsignalcontrollerMSP430oftheMSP430seriesproducedbyTIIncischosenasthemainmicroprocessor，CANbusisusedtocommunicatewiththehostmicroprocessor，forthegoalofcontrollingthedrivethroughisolatingandamplifyingthesignalandcollectingthefeedbacksignalfromtheopticalencoder.Intermsofsoftware，itconsistsofthemainprogram，buscommunicationprogram，automaticcontrolprogramandsoon.Thisdesigncombinesavarietyofprofessionalknowledge，embeddedsystemisusedtodevelopthecontrolperformanceoftherobot，hardwareisusedtocompletethecontrolalgorithmandallaboveisfordispatchingthetasksreasonably，real-timecontrollingandcommunicating，promotingthefullintegrationofrobotsandindustry.Keywords：industrialrobot；controller；embedded目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論 11.1機器人和機器人學(xué) 11.2機器人分類 11.3工業(yè)機器人發(fā)展 22設(shè)計概述 82.1工業(yè)機器人基本構(gòu)成 82.2機器人自由度 102.3課題組總框架 102.4控制器功能及設(shè)計思路 113硬件設(shè)計與選型 133.1MPS430單片機概述 133.2CAN總線接口設(shè)計 163.3光電編碼器反饋信號 353.4伺服驅(qū)動器控制 384系統(tǒng)軟件設(shè)計 444.1MSP430集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境 444.2主程序設(shè)計 454.3CAN總線通訊程序設(shè)計 475設(shè)計總結(jié) 50參照文獻 52道謝 54附錄一(設(shè)計組總框圖) 55附錄二(本設(shè)計原理圖) 56附錄三(外文文獻翻譯) 571緒論1.1機器人和機器人學(xué)人們從一開始制作物品時，就有用各種方式制作機器人想法。盡管從原理上講，類人機器人是機器人，并具備與機器人相似設(shè)計與控制原理，但本設(shè)計研究機器人是工業(yè)用機械手型機器人。如果將常規(guī)機器人操作手與掛在多用車或牽引車上起重機進行比較，可發(fā)現(xiàn)兩者非常相似。它們都具備許多連桿，這些連桿通過關(guān)節(jié)依次連接，這些關(guān)節(jié)有驅(qū)動器驅(qū)動。在上述兩個系統(tǒng)中，操作器“手”都能在空中運動并可以運動到工作空間任何位置，它們都能承載一定負荷，并都用一種中央控制器控制驅(qū)動器。然而，它們一種稱為機器人，另一種稱為操作機(也就是起重機)，兩者最主線不同是起重機是由人來控制驅(qū)動器，而機器人操作手是由計算機編程控制，正是通過這一點可以區(qū)別一臺設(shè)備究竟是簡樸操作機還是機器人。普通機器人設(shè)計成由計算機或類似裝置來控制，機器人動作受計算機監(jiān)控控制器所控制，該控制器自身也運營某種類型程序。機器人學(xué)是人們設(shè)計和應(yīng)用機器人技術(shù)和知識[1]。機器人系統(tǒng)不但由機器人構(gòu)成，還需要其她裝置和系統(tǒng)連同機器人一起來共同完畢必須任務(wù)。機器人可以用于生產(chǎn)制造、水下作業(yè)、空間探測、協(xié)助殘疾人甚至娛樂等方面。通過編程和控制，許多場合均可以應(yīng)用機器人。機器人學(xué)是一門交叉學(xué)科，它得益于機械工程、電氣與電子工程、計算機科學(xué)、生物學(xué)以及其她學(xué)科。1.2機器人分類機器人分類辦法諸多，這里根據(jù)兩個有代表性分類辦法列舉機器人分類。一方面，機器人按應(yīng)用可分為工業(yè)機器人、極限作業(yè)機器人和娛樂機器人。工業(yè)機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢查等機器人，重要用于當(dāng)代化工廠和柔性加工系統(tǒng)中。極限作業(yè)機器人重要是指用在人們難以進入核電站、海底、宇宙空間進行作業(yè)機器人，也涉及建筑、農(nóng)業(yè)機器人等。娛樂機器人涉及彈奏樂器機器人、舞蹈機器人、玩具機器人等(具備某種限度通用性)，也有依照環(huán)境而變化動作機器人。另一方面，按照控制方式機器人可分為操作機器人、程序機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人和綜合機器人。操作機器人典型代表是在核電站解決放射性物質(zhì)時遠距離進行操作機器人。在這種場合，相稱于人手操縱某些稱為積極機械手，進行類似動作某些稱為從動機械手。兩者基本是類似，但從動機械手要大些，是用通過放大力進行作業(yè)機器人；積極機械手要小些。也有一方面用顯微鏡進行觀測，一方面進行精密作業(yè)機器人。程序機器人按預(yù)先給定程序、條件、位置進行作業(yè)。示教再現(xiàn)機器人同盒式磁帶錄放同樣，機器人將所教操作過程自動地記錄在磁盤、磁帶等存儲器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作時，可重復(fù)所教過動作過程。示教辦法有直接示教與遙控示教。智能機器人不但可以進行預(yù)先設(shè)定動作，還可以按照工作環(huán)境變化變化動作。綜合機器人是由操縱機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人組合而成機器人，如火星機器人。1997年7月4日，“火星探險者”(MarsPathfinder)在火星上著陸，著陸體是四周體形狀，著陸后三個蓋子打開。它在能上、下、左、右動作攝像機平臺上裝有兩臺攝像機，通過立體觀測而得到空間信息。整個系統(tǒng)可以看作是由地面指令操縱操作機器人。1.3工業(yè)機器人發(fā)展1.3.1全球機器人發(fā)展?fàn)顩r1954年，美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人概念[2]，并申請了專利。該專利要點是借助伺服技術(shù)控制機器人關(guān)節(jié)，運用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作記錄和再現(xiàn)。這就是所謂示教再現(xiàn)機器人，既有機器人差不多都采用這種控制方式。圖1.1Unimate工業(yè)機器人和Versatran工業(yè)機器人1958年，被譽為“工業(yè)機器人之父”JosephF.EngelBerger創(chuàng)立了世界上第一種機器人公司——Unimation(UniversalAutomation)公司，并參加設(shè)計了第一臺Unimate機器人，如圖1.1所示。這是一臺用于壓鑄作業(yè)五軸液壓驅(qū)動機器人，手臂控制由一臺專用計算機完畢。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息磁鼓，可以記憶完畢180個工作環(huán)節(jié)。與此同步，另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業(yè)機器人，即Versatran(VersatileTransfer)機器人，如圖1.1所示。它重要用于機器之間物料運送，采用液壓驅(qū)動。該機器人手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。普通以為，Unimate和Versatran是世界上最早工業(yè)機器人(見圖1.1)。這兩種工業(yè)機器人控制方式和數(shù)控機床大體相似，但外形特性迥異，重要有類似人手和臂構(gòu)成。工業(yè)機器人發(fā)展歷史可用表1.1來闡明。

表1.1工業(yè)機器人發(fā)展歷史年代領(lǐng)域事件1955理論Denavit和Hartenberg發(fā)展了齊次變換1961工業(yè)美國專利2998237，Georgedevol“編程技術(shù)”、“傳播”(基于Unimate機器人)1961技術(shù)第一臺Unimate機器人安裝，用于壓鑄1961技術(shù)有傳感器機械手MH-1，由Ernst在麻省理工學(xué)院創(chuàng)造1961工業(yè)Versatran圓柱坐標機器人商業(yè)化1965理論L.G.Roberts將齊次變換矩陣應(yīng)用于機器人1965技術(shù)MITRoborts演示了第一種具備視覺傳感器、能辨認與定位簡樸積木機器人系統(tǒng)1967理論日本成立了人工手研究會(現(xiàn)改名為仿生機構(gòu)研究會)，同年召開了日本首屆機器人學(xué)術(shù)會1968技術(shù)斯坦福研究院創(chuàng)造帶視覺、由計算機控制行走機器人Shakey1969技術(shù)V．C．Sheinman及其助手創(chuàng)造斯坦福機器臂1970理論在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學(xué)術(shù)會議。1970年后來，機器人研究得到迅速廣泛普及1970技術(shù)ETL公司創(chuàng)造帶視覺自適應(yīng)機器人1971工業(yè)日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)成立1972理論R．P．Paul用D—H矩陣計算軌跡1972理論D．E．Whitney創(chuàng)造操作機協(xié)調(diào)控制方式1973理論辛辛那提·米拉克隆公司理查德·豪恩制造了第一臺由小型計算機控制工業(yè)機器人，它是液壓驅(qū)動，能提高有效負載達45kg1975工業(yè)美國機器人研究院成立1975工業(yè)Unimation公司發(fā)布其第一次利潤1976技術(shù)在斯坦福研究院完畢用機器人編程裝配1978工業(yè)C.Rose及其同事成立了機器人智能公司，生產(chǎn)出第一種商業(yè)視覺系統(tǒng)1980工業(yè)工業(yè)機器人真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年”。隨后，工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因而而贏得了“機器人王國”美稱隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大提高，移動機器人和機器人視覺和觸覺等技術(shù)就是典型代表。由于這些技術(shù)發(fā)展，推動了機器人概念延伸。20世紀80年代，將具備感覺、思考、決策和動作能力系統(tǒng)稱為智能機器人。這是一種概括、含義廣泛概念。這一概念不但指引了機器人技術(shù)研究和應(yīng)用，并且又賦予了機器人技術(shù)向深廣發(fā)展巨大空間。水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人技術(shù)(如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等)擴散和滲入到各個領(lǐng)域，便形成了各式各樣新機器——機器人化機器。當(dāng)前，與信息技術(shù)交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機器人”、“網(wǎng)絡(luò)機器人”名稱，這也闡明了機器人所具備創(chuàng)新活力。美國機器人技術(shù)始終處在世界領(lǐng)先水平。在1967~1974年幾年時間里，由于政府對機器人發(fā)展注重不夠，且機器人處在發(fā)展初期，價格昂貴，合用性不強，因此發(fā)展緩慢。此后，由于美國機器人協(xié)會、制造工程師協(xié)會積極積極地進行機器人技術(shù)推廣工作，且美國為了高效生產(chǎn)，適應(yīng)市場多變需要，以機器人為核心柔性自動化生產(chǎn)線正好具備這些長處，因此機器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。日本機器人發(fā)展通過了20世紀60年代搖籃期，70年代實用化時期以及80年代普及、提高期三個基本階段。在1967年，日本東京機械貿(mào)易公司初次從美國AMF公司引進Versatran機器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國Unimation公司締結(jié)國際技術(shù)合伙合同，引進Unimation機器人。1970年，日本機器人實現(xiàn)國產(chǎn)化。從此，日本進入了開發(fā)和應(yīng)用機器人技術(shù)時期。幾年后，美國反而要從日本進口機器人。1983年，美國從日本進口機器人占美國總數(shù)78%。1.3.2國內(nèi)工業(yè)機器人發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初，通過30近年發(fā)展，90年代進入了合用化期，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝、碼垛等各種用途工業(yè)機器人，并實現(xiàn)了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)騰飛奠定了基本。當(dāng)前國內(nèi)機器人研究重要內(nèi)容如下：1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究這些研究重要涉及：關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品原則化，通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人產(chǎn)品原則化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置開發(fā)；焊接機器人離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真；電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品原則化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；批量生產(chǎn)機器人所需專用制造、裝配、測試設(shè)備和工具研究開發(fā)。2)智能機器人開發(fā)研究這些研究重要涉及：遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制方略研究；智能移動機器人導(dǎo)航和定位技術(shù)研究；面向遙控機器人虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；人機交互環(huán)境建模系統(tǒng)；基于計算機屏幕多機器人遙控技術(shù)。3)機器人化機械研究開發(fā)這些研究開發(fā)重要涉及：并聯(lián)機構(gòu)機床(VMT)與機器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機器人化無人值守和具備自適應(yīng)能力多機遙控操作大型散料輸送設(shè)備。4)以機器人為基本重組裝配系統(tǒng)這些研究重要涉及：開放式模塊化裝配機器人；面向機器人裝配設(shè)計技術(shù)；機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；可重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；裝配力覺、視覺技術(shù)；智能裝配方略及其控制技術(shù)。5)多傳感器信息融合與配備技術(shù)該技術(shù)重要涉及：機器人傳感器配備和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過程控制和污水解決自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用；機電一體化智能傳感器設(shè)計應(yīng)用。2設(shè)計概述2.1工業(yè)機器人基本構(gòu)成工業(yè)機器人由三大某些六個子系統(tǒng)構(gòu)成。三大某些是機械某些、傳感某些和控制某些[3]。六個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機械構(gòu)造系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人——環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可用圖2.1來表達。人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)機械機構(gòu)系統(tǒng)機器人——環(huán)境交互系統(tǒng)感受系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)圖2.1機器人系統(tǒng)構(gòu)成六個子系統(tǒng)作用分述如下：1．驅(qū)動系統(tǒng)要使機器人運營起來，需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安頓傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。2.機械構(gòu)造系統(tǒng)工業(yè)機器人機械構(gòu)造系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件構(gòu)成。每一大件均有若干自由度，構(gòu)成一種多自由度機械系統(tǒng)。若基座具備行走機構(gòu)，則構(gòu)成行走機器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，則構(gòu)成單機器人臂(SingleRobotArm)。手臂普通由上臂、下臂和手腕構(gòu)成。末端操作器是直接裝在手腕上一種重要部件，它可以是二手指或多手指手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。3.感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感模塊和外部傳感模塊構(gòu)成，用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中故意義信息。智能傳感器使用提高了機器人機動性、適應(yīng)性和智能化水準。人類感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其機靈，然而，對于某些特殊信息，傳感器比人類感受系統(tǒng)更有效。4.機器人——環(huán)境交互系統(tǒng)機器人——環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中設(shè)備互相聯(lián)系和協(xié)調(diào)系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一種功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。固然，也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、各種零件存儲裝置等集成為一種執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)功能單元。5.人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是使操作人員與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系裝置，例如，計算機原則終端，指令控制臺，信息顯示板，危險信號報警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。6.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)任務(wù)是依照機器人作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來信號支配機器人執(zhí)行機構(gòu)去完畢規(guī)定運動和功能。如果工業(yè)機器人不具備信息反饋特性，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特性，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。依照控制原理，控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。依照控制運動形式，控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。2.2機器人自由度正如在工程力學(xué)課程中學(xué)到，為了擬定點在空間位置，需要指定三個坐標，就像沿直角坐標軸x，y和三個坐標。同樣地，如果考慮一種三自由度三維裝置，在它工作區(qū)內(nèi)可以將任意一點放到所盼望位置。同樣，要擬定一種剛體(一種三維物體，而不是一種點)在空間位置，一方面需要在該剛體上選取一種點應(yīng)指定該點位置，因而需要三個數(shù)據(jù)來擬定該點位置。然而，雖然物體位置已擬定，仍有無數(shù)種辦法來擬定該物體姿態(tài)。為了完全定位空間物體，除了擬定物體上所選點位置外，還須擬定該物體姿態(tài)。這就意味著需要六個數(shù)據(jù)才干完全擬定剛體物體位置和姿態(tài)?；谕瑯永碛桑枰鶄€自由度才干將物體放置到空間盼望位姿。如果少于六個自由度，機器人能力將受到很大限制。為了闡明這個問題，考慮一種三自由度機器人，它只能沿x，y和z軸運動。在這種狀況下，不能指定機械手姿態(tài)。此時，機器人只能夾持物體做平行于坐標軸運動，姿態(tài)保持不變。再假設(shè)一種機器人有五個自由度，可以繞三個坐標軸旋轉(zhuǎn)，但只能沿x和y軸運動。這時雖然可以任意地指定姿態(tài)，但只能沿x和y軸而不也許沿z軸給部件定位。具備七個自由度系統(tǒng)沒有唯一解。這就意味著，如果一種機器人有七個自由度，那么機器人可以有無窮各種辦法在盼望位置為部件定位和定姿。為了使控制器懂得詳細怎么做，必要有附加決策程序使機器人可以從無數(shù)種辦法中只選取出一種。例如，可以采用最優(yōu)程序來選取最快或最短途徑到達目地。為此，計算機必要檢查所有解，從中找出最短或最快響應(yīng)并執(zhí)行之。2.3課題組總框架本課題組是一種完整工業(yè)機器人遙操作嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計，由示教操作器、規(guī)劃器和嵌入式伺服控制器構(gòu)成，總體框圖見附錄一。操作器是操作人員控制工業(yè)機器人人際交互系統(tǒng)，在操作端，操作者通過操縱桿、鍵盤等人機交互設(shè)備發(fā)出命令，一方面這些控制命令通過通信環(huán)節(jié)送往遠端機器人系統(tǒng)，另一方面通過總線通信，現(xiàn)場機器人運動狀態(tài)信息都可以反饋到操作端。操作作者向遠端機器人發(fā)出指令既可以是低檔運動指令，也可以是高檔任務(wù)級指令。規(guī)劃器重要負責(zé)途徑規(guī)劃，即依照作業(yè)任務(wù)擬定實時計算和生成運動軌跡。接受從操作器接受任務(wù)，完畢途徑規(guī)劃，在發(fā)出給控制器命令。在規(guī)劃中，不但要規(guī)定機器人起始點和終結(jié)點，并且要給出中間點(途徑點)位姿及途徑點之間時間分派，即給出兩個途徑點之間運動時間?？刂破鞒私邮苌衔粰C發(fā)出命令外，重要負責(zé)控制驅(qū)動器和完畢以速度為反饋信號閉環(huán)控制。詳細信息見下一節(jié)。2.4控制器功能及設(shè)計思路2.4.1控制器功能控制器功能重要涉及用硬件實現(xiàn)智能控制算法，同步完畢任務(wù)合理調(diào)度、實時控制和網(wǎng)絡(luò)功能，使控制器具備良好穩(wěn)定性、較好自適應(yīng)性、高可靠性、迅速性、高跟蹤精度[4]?？刂破鞑捎脜?shù)自調(diào)節(jié)在線插值模糊控制算法可以實現(xiàn)誤差無限分檔和比例因子在線調(diào)節(jié)。一方面，接受上位機命令，監(jiān)視機器人狀態(tài)。然后，運用矢量控制算法完畢關(guān)節(jié)電機運動控制并完畢單關(guān)節(jié)位置閉環(huán)，主控制器將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角位移、角加速度等命令參數(shù)，每個伺服周期進行一次位置、速度檢查，如果未達到指定位置，則繼續(xù)運動或者加速，將要達到指定位置時會自動按照設(shè)定加速度進行減速，完畢關(guān)節(jié)空間位置閉環(huán)控制。這樣不但克服了運動超調(diào)現(xiàn)象，并且使得系統(tǒng)加減速時運營平穩(wěn)[5]。2.4.2控制器設(shè)計思路本課題是一種完整工業(yè)機器人遙操作嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計一某些——嵌入式伺服控制器軟硬件電路原理設(shè)計，重要涉及如下內(nèi)容：(1)控制信號輸出電路設(shè)計分析、設(shè)計機器人各控制元件特性及控制方式，選取適當(dāng)驅(qū)動控制電路實現(xiàn)對機器人各自由度控制。并依照從上位機傳來操作批示，發(fā)出相應(yīng)控制信號。(2)與上位機連接通信電路設(shè)計運用CAN總線完畢遙操作器、規(guī)劃器與嵌入式伺服控制器之間可靠雙向數(shù)據(jù)傳播，從而實現(xiàn)機器人遙操作，保證數(shù)據(jù)傳播精確性、可靠性和實時性。(3)反饋信號采集與解決運用光電編碼器輸出信息，通過合理解決，得到電機轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等信息。將解決后信號通過CAN總線上報給規(guī)劃器，使規(guī)劃器作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以保證電機運轉(zhuǎn)精確性，可靠性。3硬件設(shè)計與選型3.1MPS430單片機概述3.1.1MPS430單片機系列概述TI公司MSP430系列單片機是一種超低功耗混合信號控制器，其中涉及一系列器件，它們針對不同應(yīng)用而由各種不同模塊構(gòu)成。這些微控制器被設(shè)計為可用電池工作。并且可以有很長使用時間應(yīng)用。它們具備16位RISC構(gòu)造，CPU中16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高代碼效率；靈活時鐘源可以使器件達到最低功率消耗；數(shù)字控制振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us時間內(nèi)激活到活躍工作方式[6]。MSP430系列單片機具備豐富片內(nèi)外設(shè)，有極其遼闊應(yīng)用范疇。MSP430系列單片機具備如下某些共同特點。1)低電壓、超低功耗MSP430系列單片機，在1.8~3.6V電壓、1MHz時鐘條件下運營。耗電電流(在0.1~400uA之間)因不同工作模式而不同；具備16個中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活以便；用中斷祈求將CPU喚醒只要6us，可編制出實時性特別高源代碼；可將CPU置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。2)強大解決能力MSP430系列單片機，為16位RISC構(gòu)造，具備豐富尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目操作數(shù)尋址)、簡潔27條內(nèi)核指令以及大量模仿指令；大量寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加各種運算；尚有高效查表解決辦法；有較高解決速度，在8MHz晶體驅(qū)動下，指令周期為125us。這些特點保證了可編制出高效率源程序。3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，一方面由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從對的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠起振及穩(wěn)定期間。然后軟件可設(shè)立恰當(dāng)寄存器控制位來擬定最后系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。4)豐富片內(nèi)外設(shè)MSP430系列單片機各成員都集成了較豐富片內(nèi)外設(shè)。它們分別是如下某些模塊不同組合：外圍模看門狗(WDT)定期器A(Timer-A)定期器B(Timer-B)比較器串口0、1(USART0、1)硬件乘法器液晶驅(qū)動器10位/12位ADC14位ADC(ADCl4)端口0(P0)端口1~6(P1~P6)基本定期器(BasicTimer)以上外圍模塊再加上各種存儲器方式就構(gòu)成了不同型號器件。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；比較器進行模仿電壓比較，配合定期器可以設(shè)計為A/D轉(zhuǎn)換器；定期器具備捕獲/比較功能，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；有器件更具備兩個串口，可以便地實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具備較多并行端口，最多達6×8條I/O口線，并且I/O口線具備中斷能力；12/14位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高轉(zhuǎn)換速率，最高可達200kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達120段。MSP430系列單片機這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)單片解決方案提供了極大以便。5)以便高效開發(fā)環(huán)境當(dāng)前MSP430系列有4種類型器件：OTP型、FLASH型、EPROM型和ROM型。這些器件開發(fā)手段不同。對于OTF型和ROM型器件是用相相應(yīng)EPROM型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；而對于FLASH型則有十分以便開發(fā)調(diào)試環(huán)境，由于器件片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，尚有可電擦寫FLASH存儲器，因而采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序運營，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試用法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺PC機和一種JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言可選取匯編語言和C語言。3.1.2MSP430F449概述MSP430F449芯片(圖3.1)是MSP430芯片中功能較多一款MCU。MSP430F449特點是[7]：1)低工作電壓：1.8V~3.6V。2)超低功耗：活動模式280uA@1Mz，2.2V；待機模式1.1uA；掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持)0.1uA。3)5種節(jié)電模式。4)從待機到喚醒不到6us。5)12位A/D轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參照源、采樣保持、自動掃描特性。6)16位精簡指令構(gòu)造(RISC)，150us指令周期。7)帶有3個捕獲/比較器16位定期器有：定期器A和定期器B。8)2個串行通信模塊USART0/1，可軟件選取UART/SPI模式。片內(nèi)比較器配合其她器件可構(gòu)成單斜邊A/D轉(zhuǎn)換器。9)可編程電壓檢測器。10)線串行編程，不需要外部編程電壓。11)驅(qū)動液晶能力可達160段。12)可編程保險熔絲可保護設(shè)計者密碼。13)FLASH存儲器多達60KB，RAM多達2KB。圖3.1MSP430F449引腳圖3.2CAN總線接口設(shè)計3.2.1CAN總線簡介3.2.1.1概述對于普通控制，設(shè)備間連鎖可以通過串行網(wǎng)絡(luò)完畢。因而，BOSCH公司開發(fā)了CAN總線(ControllerAreaNetwork)[8]，并已獲得國際原則化組織認證(ISO11898)，其總線構(gòu)造可參照ISO/OSI參照模型。同步，國際上某些大半導(dǎo)體廠商也積極開發(fā)出支持CAN總線專用芯片。通過CAN總線，傳感器、控制器和執(zhí)行器由串行數(shù)據(jù)線連接起來。它不但僅是將電纜按樹形構(gòu)造連接起來，其通信合同相稱于ISO/OSI參照模型中數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)可依照合同探測和糾正數(shù)據(jù)傳播過程中因電磁干擾而產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤。CAN網(wǎng)絡(luò)配制比較容易，容許任何站之間直接進行通信，而無需將所有數(shù)據(jù)所有匯總到主計算機后再行解決。3.2.1.2CAN工作原理當(dāng)CAN總線上一種節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)與否是發(fā)給自己，都對其進行接受。每組報文開頭11位字符為標記符，定義了報文優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容編址方案[9]。在同一系統(tǒng)中標記符是唯一，不也許有兩個站發(fā)送具備相似標記符報文。當(dāng)幾種站競爭總線讀取時，這種配備十分重要。主機主機CAN控制器CAN收發(fā)器CAN收發(fā)器CAN控制器CAN收發(fā)器CAN控制器節(jié)點1節(jié)點2CAN收發(fā)器CAN控制器節(jié)點3CAN-Bus圖3.2CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)一種站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站CPU將要發(fā)送數(shù)據(jù)和自己標記符傳送給本站CAN芯片，并處在準備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分派時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)依照合同組織成一定報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上其他站處在接受狀態(tài)。每個處在接受狀態(tài)站對接受到報文進行檢測，判斷這些報文與否是發(fā)給自己，以擬定與否接受它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容編址方案，因而很容易建立高水準控制系統(tǒng)并靈活地進行配備。咱們可以很容易地在CAN總線中加進某些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當(dāng)所提供新站是純數(shù)據(jù)接受設(shè)備時，數(shù)據(jù)傳播合同不規(guī)定獨立某些有物理目地址。它容許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而不必每個控制器均有自己獨立傳感器。3.1.2.3位仲裁要對數(shù)據(jù)進行實時解決，就必要將數(shù)據(jù)迅速傳送，這就規(guī)定數(shù)據(jù)物理傳播通路有較高速度。在幾種站同步需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，規(guī)定迅速地進行總線分派。實時解決通過網(wǎng)絡(luò)互換緊急數(shù)據(jù)有較大不同。一種迅速變化物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并規(guī)定更短延時。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文優(yōu)先級結(jié)合在11位標記符中，具備最低二進制數(shù)標記符有最高優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中沖突可通過位仲裁解決。如圖3.2所示，當(dāng)幾種站同步發(fā)送報文時，站1報文標記符為011111；站2報文標記符為0100110；站3報文標記符為0100111。所有標記符均有相似兩位01，直到第3位進行比較時，站1報文被丟掉，由于它第3位為高，而其他兩個站報文第3位為低。站2和站3報文4、5、6位相似，直到第7位時，站3報文才被丟失。注意，總線中信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)站報文。在此例中，站2報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁辦法長處在于，在網(wǎng)絡(luò)最后擬定哪一種站報文被傳送此前，報文起始某些已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)站都成為具備最高優(yōu)先權(quán)報文接受站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送。CAN具備較高效率是由于總線僅僅被那些祈求總線懸而未決站運用，這些祈求是依照報文在整個系統(tǒng)中重要性按順序解決。這種辦法在網(wǎng)絡(luò)負載較重時有諸多長處，由于總線讀取優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低個體隱伏時間。對于主站可靠性，由于CAN合同執(zhí)行非集中化總線控制，所有重要通信，涉及總線讀取(允許)控制，在系統(tǒng)中分幾次完畢。這是實既有較高可靠性通信系統(tǒng)唯一辦法。3.2.1.4CAN報文格式在總線中傳送報文，每幀由7某些構(gòu)成。CAN合同支持兩種報文格式，其唯一不同是標記符(ID)長度不同，原則格式11位，擴展格式29位。在原則格式中，報文起始位稱為幀起始(SOF)，然后是由11位標記符和遠程發(fā)送祈求位(RTR)構(gòu)成仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是祈求幀，在祈求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍錾婕皹擞浄麛U展位(IDE)，指出是原則格式還是擴展格式。它還涉及一種保存位(ro)，為將來擴展使用。它最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)長度(DLC)。數(shù)據(jù)場范疇為0～8個字節(jié)，其后有一種檢測數(shù)據(jù)錯誤循環(huán)冗余檢查(CRC)。應(yīng)答場(ACK)涉及應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送這兩位均為隱性電平(邏輯1)，這時對的接受報文接受站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種辦法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一種站能對的接受到報文。報文尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰兩條報文間有一很短間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處在空閑狀態(tài)。3.2.1.5數(shù)據(jù)錯誤檢測不同于其他總線，CAN合同不能使用應(yīng)答信息。事實上，它可以將發(fā)生任何錯誤用信號發(fā)出。CAN合同可使用五種檢查錯誤辦法，其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。1)循環(huán)冗余檢查(CRC)在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文對的。接受站通過CRC可判斷報文與否有錯。2)幀檢查這種辦法通過位場檢查幀格式和大小來擬定報文對的性，用于檢查格式上錯誤。3)應(yīng)答錯誤如前所述，被接受到幀由接受站通過明確應(yīng)答來確認。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表白接受站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中報文無站接受。CAN合同也可通過位檢查辦法探測錯誤。4)總線檢測有時，CAN中一種節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出信號。因而，發(fā)送報文站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接受位差別。5)位填充一幀報文中每一位都由不歸零碼表達，可保證位編碼最大效率。然而，如果在一幀報文中有太多相似電平位，就有也許失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個持續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插入一種與之互補補碼位；接受時，這個填充位被自動丟掉。例如，五個持續(xù)低電平位后，CAN自動插入一種高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相似位，CAN就懂得發(fā)生了錯誤。如果至少有一種站通過以上辦法探測到一種或各種錯誤，它將發(fā)送出錯標志終結(jié)當(dāng)前發(fā)送。這可以制止其他站接受錯誤報文，并保證網(wǎng)絡(luò)上報文一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終結(jié)后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測到錯誤后23個位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)恢復(fù)時間為31個位周期。但這種辦法存在一種問題，即一種發(fā)生錯誤站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終結(jié)，其中也涉及對的數(shù)據(jù)。因而，如果不采用自監(jiān)測辦法，總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計。為此，CAN合同提供一種將偶爾錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來辦法。這種辦法可以通過對出錯站記錄評估來擬定一種站自身錯誤并進入一種不會對其他站產(chǎn)生不良影響運營辦法來實現(xiàn)，即站可以通過關(guān)閉自己來制止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當(dāng)成不對的數(shù)據(jù)而被終結(jié)。3.2.1.6CAN可靠性為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)互換錯誤而對司機導(dǎo)致危險，汽車安全系統(tǒng)規(guī)定數(shù)據(jù)傳播具備較高安全性。如果數(shù)據(jù)傳播可靠性足夠高，或者殘留下來數(shù)據(jù)錯誤足夠低話，這一目的不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)角度看，可靠性可以理解為對傳播產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤辨認能力。殘存數(shù)據(jù)錯誤概率可以通過對數(shù)據(jù)傳播可靠性記錄測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來概率。殘存數(shù)據(jù)錯誤概率必要非常小，使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)，按平均記錄時幾乎檢測不到。計算殘存錯誤概率規(guī)定可以對數(shù)據(jù)錯誤進行分類，并且數(shù)據(jù)傳播途徑可由一模型描述。如果要擬定CAN殘存錯誤概率，咱們可將殘留錯誤概率作為具備80～90位報文傳送時位錯誤概率函數(shù)，并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站，并且錯誤率為1/1000，那么最大位錯誤概率為10-13數(shù)量級。例如，CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳播率最大為1Mbps，如果數(shù)據(jù)傳播能力僅使用50%，那么對于一種工作壽命4000小時、平均報文長度為80位系統(tǒng)，所傳送數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運營壽命期內(nèi)，不可檢測傳播錯誤記錄平均不大于10-2數(shù)量級。換句話說，一種系統(tǒng)按每年365天，每天工作8小時，每秒錯誤率為0.7計算，那么按記錄平均，每10才會發(fā)生一種不可檢測錯誤。3.2.1.7CAN總線優(yōu)勢CAN屬于現(xiàn)場總線范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之當(dāng)前許多RS-485基于R線構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線分布式控制系統(tǒng)在如下方面具備明顯優(yōu)越性：1)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信實時性強一方面，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點都可依照總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標記符)采用無損構(gòu)造逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN合同廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同節(jié)點同步接受到相似數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余構(gòu)造，提高系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)靈活性。而運用RS-485只能構(gòu)成主從式構(gòu)造系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢方式進行，系統(tǒng)實時性、可靠性較差。2)縮短了開發(fā)周期CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會浮現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯誤，浮現(xiàn)多節(jié)點同步向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點現(xiàn)象。并且CAN節(jié)點在錯誤嚴重狀況下具備自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其她節(jié)點操作不受影響，從而保證不會浮現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點浮現(xiàn)問題，使得總線處在“死鎖”狀態(tài)。并且，CAN具備完善通信合同可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大減少系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣合同RS-485所無法比擬。3)已形成國際原則現(xiàn)場總線此外，與其他現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具備通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點一種已形成國際原則現(xiàn)場總線。這些也是當(dāng)前CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具備強勁市場競爭力重要因素。4)最有前程現(xiàn)場總線之一CAN即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線范疇。與普通通信總線相比，CAN總線數(shù)據(jù)通信具備突出可靠性、實時性和靈活性。由于其良好性能及獨特設(shè)計，CAN總線越來越受到人們注重。它在汽車領(lǐng)域上應(yīng)用是最廣泛，世界上某些知名汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間數(shù)據(jù)通信。同步，由于CAN總線自身特點，其應(yīng)用范疇當(dāng)前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際原則，并已被公以為幾種最有前程現(xiàn)場總線之一。其典型應(yīng)用合同有：SAEJ1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA等。3.2.1.8CAN總線電平定義和通訊距離CAN總線采用兩種互補邏輯數(shù)值“顯性”和“隱性”?！帮@”(“Daminant”)數(shù)值表達邏輯“0”，而“隱性”(“Recessive”)表達邏輯“1”。當(dāng)總線上同步浮現(xiàn)“顯性”位和“隱性”位時，最后呈當(dāng)前總線上是“顯性”位。CAN_H和CAN_L表達CAN總線收發(fā)器與總線兩接口引腳，信號是以兩線之間“差分”電壓Vdiff形式浮現(xiàn)。在“隱性”狀態(tài)下，VCAN_H和VCAN_L被固定與平均電壓電平，Vdiff近似為零，此時VCAN_H和VCAN_L標稱值為2.5V?！帮@性”位以不不大于最小閥值差分電壓表達，此時VCAN_H標稱值為3.5V，VCAN_L標稱值為1.5V，如圖3.3所示。在總線空閑狀態(tài)，發(fā)送隱性位。電壓/V電壓/V3.52.51.5隱性(邏輯1)隱性(邏輯1)顯性(邏輯0)時間Vdiff=0Vdiff=0Vdiff=2V圖3.3CAN總線電平定義CAN總線上任意兩個節(jié)點之間最大傳播距離與其通訊波特率關(guān)于，如表3.1所示。

表3.1CAN總線最大傳播距離與波特率關(guān)系通訊波特率(kbps)10005002501251005020105最大距離(m)4013027053062013003300670010000這里最大通訊距離是指在同一條總線上任意兩個節(jié)點之間距離。3.2.1.9CAN總線合同內(nèi)容1)總線競爭原則BOSCHCAN基本上沒有對物理層進行定義，但基于CANISO原則對物理層進行了定義。設(shè)計一種CAN系統(tǒng)時，物理層具備很大選取余地，但必要保證CAN合同中媒體訪問層非破壞性位仲裁規(guī)定，即浮現(xiàn)總線競爭時，具備較高優(yōu)先權(quán)報文獲取總線競爭原則，因此規(guī)定物理層必要支持CAN總線中隱性位和顯性位狀態(tài)特性。在沒有發(fā)送顯性位時，總線處在隱性狀態(tài)，空閑時，總線處在隱性狀態(tài)；當(dāng)有一種或各種節(jié)點發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處在顯性狀態(tài)[10]。在此基本上，物理層重要取決于傳播速度規(guī)定。從物理構(gòu)造上看，CAN節(jié)點構(gòu)成如圖3.2所示。在CAN中，物理層從構(gòu)造上可分為三層：分別是物理層信令(PhysicalLayerSignaling，PLS)、物理介質(zhì)附件(PhysicalMediaAttachment，PMA)層和介質(zhì)從屬接口(MediaDependent：Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完畢，PMA層功能由CAN收發(fā)器完畢，MDI層定義了電纜和連接器特性。當(dāng)前也有支持CAN微解決器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有諸多不同國際或國家或行業(yè)原則，也可自行定義，比較流行是ISOll898定義高速CAN發(fā)送/接受器原則。2)節(jié)點數(shù)量理論上，CAN總線上節(jié)點數(shù)幾乎不受限制，可達到個，事實上受電氣特性限制，最多只能接100各種節(jié)點。3)CAN數(shù)據(jù)鏈路層CAN數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(LogicalLinkcontrol，LLC)完畢過濾、過載告知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制(MediumAccesscontrol，MAC)子層完畢數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是環(huán)繞信息幀傳送過程展開。3.2.2通訊接口所選元器件簡介3.2.2.1SJA1000SJA1000(圖3.4)是Philips公司生產(chǎn)獨立CAN總線控制器，它是初期PCA82C200代替產(chǎn)品。它與PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容，不但有和PCA82C200同樣基本CAN(BasicCAN)工作模式，并且新增長了增強CAN(PeliCAN)工作模式，這種模式支持具備諸多新特性CAN2.0B合同。SJA1000內(nèi)部RAM由寄存器組和報文緩沖區(qū)構(gòu)成。發(fā)送緩沖區(qū)和接受緩沖區(qū)共用同一段CAN地址16H～18H，共3個單元，能存儲一條將在CAN總線上發(fā)送或接受完整報文。具備64字節(jié)擴展接受緩沖器RXFIFO，其CAN地址為32H～95H(地址為96H～109H區(qū)域是存儲發(fā)送信息備份)，有了64字節(jié)REFIFO，CPU可以在解決一種報文同步繼續(xù)接受其她到來報文；具備接受濾波器，它把報文頭中標記符(ID)和驗收碼寄存器中內(nèi)容進行比較，以判斷該報文與否被接受。如果被接受，報文存入RXFIFO。SJA1000重要特性如下：1)管腳及電氣特性與獨立CAN總線控制器PCA82C200兼容；2)軟件與PCA82C200兼容(缺省為基本CAN模式)；3)擴展接受緩沖器(64字節(jié)FIFO)；4)支持CAN2.0B時支持11和29位標記符；5)位通訊速率為1Mbits/s；6)增強CAN模式(PeliCAN)；7)采用12MHz時鐘頻率；8)支持各種微解決器接口；9)可編程CAN輸出驅(qū)動配備；10)工作溫度范疇為-40~+125℃。圖3.4SJA1000引腳圖3.2.2.26N137光耦合器6N137光耦合器(圖3.5)是一款用于單通道高速光耦合器，其內(nèi)部有一種850nm波長AlGaAsLED和一種集成檢測器構(gòu)成，其檢測器由一種光敏二極管、高增益線性運放及一種肖特基鉗位集電極開路三極管構(gòu)成。具備溫度、電流和電壓補償功能，高輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速(典型為10MBd)，5mA極小輸入電流。圖3.56N137引腳和內(nèi)部構(gòu)造圖特性：

①轉(zhuǎn)換速率高達10MBit/s；②擺率高達10kV/us；③扇出系數(shù)為8；④邏輯電平輸出；⑤集電極開路輸出；3.2.2.382C250(圖3.6)是CAN控制器與物理總線間接口，可以提供對總線差動發(fā)送和接受能力，與IS011898原則完全兼容，并具備抗汽車環(huán)境下瞬間干擾、保護總線能力。為了提高系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力，在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間采用光耦6N137進行隔離。圖3.682C250引腳圖PCA82C250提供對物理總線符合CAN電氣合同差動發(fā)送和接受功能，此外，它具備電流限制電路，還提供了對總線進一步保護功能。通過82C250與物理總線進行連接，可使總線支持多達110個節(jié)點掛接。上圖給出PCA82C250功能方框圖。對于CAN控制器及帶有CAN總線接口器件，82C250并不是必要使用器件，由于多數(shù)CAN控制器均具備配備靈活收發(fā)接口并容許總線故障，只是驅(qū)動能力普通只容許20～30個節(jié)點連接在一條總線上。而82C250支持多達110個節(jié)點，并能以1Mbps速率工作于惡劣電氣環(huán)境。3.2.3總線控制工作原理SJA1000在電路中是一種總線接口芯片，通過它實現(xiàn)從操作器、規(guī)劃器與控制器之間數(shù)據(jù)通信。該電路重要功能是通過CAN總線接受來自上位機數(shù)據(jù)進行分析組態(tài)然后下傳給下位機控制電路實現(xiàn)控制功能，當(dāng)CAN總線接口接受到傳播數(shù)據(jù)，SJA1000就產(chǎn)生一種中斷，引起微解決器產(chǎn)生中斷，通過中斷解決程序接受每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機進行分析。SJA1000內(nèi)部RAM由寄存器組和報文緩沖區(qū)構(gòu)成。發(fā)送緩沖區(qū)和接受緩沖區(qū)共用同一段CAN地址16H～18H，共3個單元，能存儲一條將在CAN總線上發(fā)送或接受完整報文。具備64字節(jié)擴展接受緩沖器RXFIFO，其CAN地址為32H～95H(地址為96H～109H區(qū)域是存儲發(fā)送信息備份)，有了64字節(jié)REFIFO，CPU可以在解決一種報文同步繼續(xù)接受其她到來報文；具備接受濾波器，它把報文頭中標記符(ID)和驗收碼寄存器中內(nèi)容進行比較，以判斷該報文與否被接受。如果被接受，報文存入RXFIFO。格式信息內(nèi)容如下：FFRTRXXDLC.3DLC.2DLC.1DLC.0FF=1，本幀為原則幀；FF=0，本幀為擴展幀。RTR=1，為遠程幀;RTR=0，為數(shù)據(jù)幀。DLC.3～DLC.0表達數(shù)據(jù)字節(jié)長度，最大值為8。驗收濾波原理：初始化時將標記符ID寫入驗收碼寄存器ACR中，驗收屏蔽寄存器AMR為0位，ACR和CAN信息幀相應(yīng)位必要相等才算驗收通過，AMR為1位，CAN信息幀相應(yīng)位不驗收。驗收時對于原則幀：11位標記符和RTR相應(yīng)ACR08位和ACR1高4位。對于擴展幀：29位標記符和RTR相應(yīng)4個ACR，只是ACR3和AMR3低2位未用。SJA1000型獨立CAN總線控制器由如下幾某些構(gòu)成；1)接口管理邏輯：它接受來自微解決器命令，控制CAN寄存器地址，并為微解決器提供中斷和狀態(tài)信息。2)發(fā)送緩沖器：有13字節(jié)長。它位于CPU和位流解決器(BSP)之間，能存儲一條將在CAN總線上發(fā)送完整報文，報文由CPU寫入，由SBP讀出。3)接受緩沖器(RXB、RXFIFO)：它是CPU和接受濾波器之間接口，用來存儲從CAN總線接受并通過了濾波報文。接受緩沖器RXB是提供應(yīng)CPU可訪問13字節(jié)窗口，這個窗口是屬于接受FIFO(RXFIFO)一某些，共由64字節(jié)長。有了這個FIFO，可以在CPU解決一種報文同步繼續(xù)接受其她到來報文。4)接受濾波器：它把報文頭中標記符和接受濾波寄存器中內(nèi)容進行比較，以判斷文報文與否被接受。如果被接受，報文存入RXFIFO。5)位流解決器：它是一種控制發(fā)送緩沖器、RXFIFO并行數(shù)據(jù)和CAN總線(串行數(shù)據(jù))之間數(shù)據(jù)序列發(fā)生器，同步它也執(zhí)行錯誤檢測、仲裁、位填充和CAN總線錯誤解決功能。6)位定期邏輯：它將SJA1000同步于CAN總線上位流。7)錯誤管理邏輯：它按照CAN合同完畢錯誤界定?？刂破鱏JA1000作為本接口電路中控制某些，應(yīng)用本設(shè)計中，對于SJA1000和單片機連接，引腳AD0~AD7是和MSP430輸出輸入腳P3.0～P3.7相接；SJA1000片選信號腳/CS必要由微控制器P2.7口控制，否則這個片選輸入必要接到VSS，也可以通過地址解碼控制，/INT和單片機/INT0連接。由于在該系統(tǒng)中要用到相似時鐘頻率，因此咱們要時鐘信號引腳CLKOUT和單片機XTAL1腳相連，達到頻率一致目；而在復(fù)位信號解決，可以在看門狗外圍電路RST信號輸出后再通過和非門電路相連，較好實現(xiàn)了電路復(fù)位作用。而對于控制器收發(fā)引腳TX0，TX1與RX0，RX1，在本系統(tǒng)中TX0、RX0可和收發(fā)器82C250TXD、RXD接通。通過SJA1000MODE引腳可選取接口模式Intel模式MODE高；Motorola模式MODE低。本設(shè)計中，正是使用Intel模式。對SJA1000Vdd1～Vdd3電源輸入腳，外接上驅(qū)動+5V電壓；而Vss1～Vss3輸出接地。設(shè)計中，對SJA1000提供12Mkz晶振。/RST/RST/CLOCKP4.0P4.1P4.2P4.3P3.0~P3.7/RST/CLOCK/INT/WR/RDALEAD0~AD7MSP430F449SJA1000圖3.7MSP430F449與SJA1000接口CAN合同中要素之一是波特率。顧客可以設(shè)立位周期中位采樣點位置和采樣次數(shù)，以使顧客可以自由地優(yōu)化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)性能，但在優(yōu)化過程中，要注意位定期參數(shù)基準參照振蕩器容差和系統(tǒng)中不同信號傳播延遲之間關(guān)系。系統(tǒng)位速率fBit表達每單位時間傳播數(shù)據(jù)位量，即波特率fBit=1/tBit。額定位定期由3個互不重疊段SYNC_SEG、TSEG1和TSEG2構(gòu)成，這3個時間段分別是TSYNC_SEG、TSEG1和TSEG2構(gòu)成，這3個時間段分別是tSYNC_SEG、tTSEG1和tTSEG2。因此，額定位周期tBit是3個時間段和。tBit=tSYNC_SEG+tTSEG1+tTSEG2(3-1)位周期中這些段都用整數(shù)個基本時間單位來表達。該時間單位叫時間份額TQ，時間份額持續(xù)時間是CAN系統(tǒng)時鐘一種周期tSCL，可從振蕩器時鐘周期tCLK獲得。通過編程預(yù)分頻因數(shù)(波特率預(yù)設(shè)值BRP)可以調(diào)節(jié)CAN系統(tǒng)時鐘。詳細如下：tSCL=BRP×2tCLK=2BPR/fCLK(3-2)對CAN位定期計算另一種很重要時間段是同步跳轉(zhuǎn)寬度(SJW)，持續(xù)時間是tSJW。SJW段并不是位周期一段，只是定義了在重同步事件中被增長或縮短位周期最大TQ數(shù)量。此外，CAN合同還容許顧客指定位采樣模式(SAM)，分別是單次采樣和三次采樣模式(在3個采樣成果中選出1個)。在單次采樣模式中，采樣點在TESG1段末端。而三次采樣模式比單次采樣多取兩個采樣點，它們在TSEG1段末端前面，之間相差一種TQ。上面所提到BPR、SJW、SAM、TESG1、TESG2都可由顧客通過CAN控制器內(nèi)裝中寄存器BTR0和BTR1來定義。詳細如圖3所示。設(shè)立好BTR0和BTR1后，實際傳播波特率范疇為：最大為1/(tBit-tSJW)μF/25V，最小為1/(tBit+tSJW)μF/25V，宜選用鉭電容并且位置應(yīng)用量接近芯片，電源VCC和地之間要接一種0.1μF去耦電容。3.2.4接口電路設(shè)計典型CAN總線接口電路原理如圖3.8所示。圖3.8CAN總線接口電路圖光電隔離電路雖然能增強系統(tǒng)抗干擾能力，但也會增長CAN總線有效回路信號傳播延遲時間，導(dǎo)致通信速率或距離減少。82C250等型號CAN收發(fā)器自身具備瞬間抗干擾、減少射頻干擾(RFI)以及實現(xiàn)熱防護能力，其具備電流限制電路還提供了對總線進一步保護功能?，F(xiàn)場環(huán)境需要光電隔離，應(yīng)選用高速光電隔離器件，以減少CAN總線有效回路信號傳播延遲時間，如高速光電耦合器6N137，傳播延遲時間短，典型值僅為48ns，已接近TTL電路傳播延遲時間水平。光電隔離器件兩側(cè)所用電源Vdd與Vcc必要完全隔離，否則，光電隔離將失去應(yīng)有作用。電源隔離可通過小功率DC/DC電源隔離模塊實現(xiàn)，如圖3.9。圖3.9小功率DC/DC電源隔離模塊圖3.8中CAN收發(fā)器82C250發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端TXD與光電耦合器6N137輸出端OUT相連，注意TXD必要同步接上拉電阻R12。一方面，R12保證6N137中光敏三極管導(dǎo)通時輸出低電平，截止時輸出高電平；另一方面，這也是CAN總線規(guī)定。詳細而言，82C250TXD端狀態(tài)決定著高、低電平CAN電壓輸入/輸出端CANH、CANL狀態(tài)(見表3.2)。CAN總線規(guī)定，總線在空閑期間應(yīng)呈隱性，即CAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點缺省狀態(tài)是隱性，這規(guī)定82C250TXD端缺省狀態(tài)為邏輯1(高電平)。為此，必要通過R3保證在不發(fā)送數(shù)據(jù)或浮現(xiàn)異常狀況時，TXD端狀態(tài)為邏輯1(高電平)。表3.2TXD與CANH、CANL關(guān)系表TXD狀態(tài)CANH電平(V)CANL電平(V)CAN總線狀態(tài)12.52.5隱性(邏輯1)03.51.5顯性(邏輯0)CAN總線末端必要連接2個120Ω電阻，它們對總線阻抗匹配有著重要作用，不可省略。否則，將大大減少總線數(shù)據(jù)通信時可靠性和抗干擾性，甚至有也許導(dǎo)致無法通信。為提高接口電路抗干擾能力，還可考慮如下辦法：(1)在82C250CANH、CANL端與地之間并聯(lián)2個30pF小電容，以濾除總線上高頻干擾，防止電磁輻射。(2)在82C250CANH、CANL端與CAN總線之間各串聯(lián)1個5Ω電阻，以限制電流，保護82C250免受過流沖擊。(3)在82C250、6N137等集成電路電源端與地之間加入1個100nF去耦合電容，以減少干擾。3.3光電編碼器反饋信號3.3.1光電編碼器簡樸結(jié)識光電編碼器是一種角度(角速度)檢測裝置，它將輸入給軸角度量，運用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電脈沖或數(shù)字量，具備體積小，精度高，工作可靠，接口數(shù)字化等長處。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目的測定等需要檢測角度裝置和設(shè)備中。圖3.10編碼器工作原理圖光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量傳感器。光電編碼器工作原理如圖3.10所示，在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光線條，在圓盤兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，光敏元件接受光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形通過整形后變?yōu)槊}沖，碼盤上有之相標志，每轉(zhuǎn)一圈Z相輸出一種脈沖，用于基準點定位。通過內(nèi)部兩個光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤時序，輸出A、B兩組脈沖相位差90o，從而可以便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向[11]，如圖3.11所示。它長處是原理構(gòu)造簡樸，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳播。圖3.11編碼器輸出脈沖時序圖2.3.2光電編碼器應(yīng)用電路考慮到電機轉(zhuǎn)動方向是雙向，既可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)，需要對編碼器輸出信號鑒相后才干計數(shù)。圖3.12給出了光電編碼器實際使用鑒相與雙向計數(shù)電路，鑒相電路用1個D觸發(fā)器和2個與非門構(gòu)成，計數(shù)電路用2片74LS193構(gòu)成。當(dāng)光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°(見圖3.13)，D觸發(fā)器輸出Q為高電平，/Q為低電平，上面與非門打開，計數(shù)脈沖通過，送至雙向計數(shù)器74LS193加脈沖輸入端CU，進行加法計數(shù)；此時，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平。當(dāng)光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°(見圖3.13)，D觸發(fā)器輸出Q為低電平，/Q為高電平，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平；此時，下面與非門打開，計數(shù)脈沖通過，送至雙向計數(shù)器74LS193減脈沖輸入端CD，進行減法計數(shù)。可以通過鑒別Q1輸出電平高低來判斷電機旋轉(zhuǎn)方向。圖3.12編碼器鑒相計數(shù)電路圖3.13不同狀況下A、B相位圖計數(shù)電路用2片74LS193構(gòu)成，在系統(tǒng)上電初始化時，先對其進行復(fù)位，再將其初值設(shè)為00H，計數(shù)電路數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)單片機解決。當(dāng)操作手完畢一次動作，電機停止轉(zhuǎn)動時，由單片機發(fā)出信號使74LS193重新復(fù)位。3.4伺服驅(qū)動器控制3.4.1MinasA4系列AC伺服驅(qū)動器功能簡介圖3.14MinasA4系列AC伺服驅(qū)動器外形與接口圖圖3.14為MinasA4系列AC伺服驅(qū)動器外形與接口。它可以在單片機控制下驅(qū)動電機。它詳細接口功能如下：3.4.1.1控制信號電源(COM+、COM-)：1)連接到外置直流電源(12～24V)正極(+)、負極(-)。2)電源請采用12～24V(±5％)。3)電源容量取決于I/O信號組合應(yīng)用，建議不不大于0.5A。3.4.1.2差分專用電路接口有兩組，即指令脈沖輸入1(PULSH1，PULSH2)和指令脈沖輸入2(SIGNH1，SIGNH2)：1)表達一種位置指令脈沖形式。如果參數(shù)Pr40(指令脈沖輸入選取)＝1，可以選取何種接口電路。2)在不需要脈沖指令控制模式中例如速度、轉(zhuǎn)矩控制是無效。3)容許輸入最大脈沖頻率為2Mpps。4)通過Pr41(指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向設(shè)立)和Pr42(指令脈沖輸入方式)組合設(shè)立，可以選取6種不同指令脈沖輸入形式。①2相正交脈沖(A相+B相)；②CW脈沖(PULS)+CCW脈沖(SIGN)；③指令脈沖(PULS)+指令方向(SIGN)。3.4.1.3普通光耦電路接口也有兩組，即指令脈沖輸入1(PULS1，PULS2)和指令脈沖輸入2(SIGN1，SIGN2)：1)表達一種位置指令脈沖形式。如果參數(shù)Pr40(指令脈沖輸入選取)＝1，可以選取何種接口電路。2)在不需要脈沖指令控制模式中例如速度、轉(zhuǎn)矩控制是無效。3)容許輸入最大脈沖頻率為500kpps(差分電路輸入)，或200kpps(集電極開路輸入)。4)通過Pr41(指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向設(shè)立)和Pr42(指令脈沖輸入方式)組合設(shè)立，可以選取6種不同指令脈沖輸入形式。①2相正交脈沖(A相+B相)；②CW脈沖(PULS)+CCW脈沖(SIGN)；③指令脈沖(PULS)+指令方向(SIGN)。3.4.1.4矩陣限制(CWTL、CCWTL)：這個引腳功能取決于不同控制模式(Pr02值)(見表3.3)。

表3.3矩陣限制引腳在不同模式下功能Pr02控制模式功能245轉(zhuǎn)矩控制位置/轉(zhuǎn)矩速度/轉(zhuǎn)矩選取轉(zhuǎn)矩控制模式時此信號被屏蔽，任何輸入都無效。45其她位置/轉(zhuǎn)矩速度/轉(zhuǎn)矩其她模式擇輸入CW方向模仿量轉(zhuǎn)矩限制(CWTL)。CW方向轉(zhuǎn)矩被輸入負電壓(0～－10V)等比例地限制，比值：約－3V/額定轉(zhuǎn)矩。Pr03(轉(zhuǎn)矩限制選取)不設(shè)為0，可以使得這個信號輸入無效。這個信號AD轉(zhuǎn)換器辨別率是10位(涉及一位符號位)?！?11(LSB)＝±11.9V，1(LSB)≈23mV。3.4.1.5脈沖輸出信號涉及3組，即A相輸出、B相輸出和Z相輸出：1)輸出通過度頻解決編碼器信號或外部反饋裝置信號(A、B、Z相)，等效于RS422信號。2)可以用參數(shù)Pr44(反饋脈沖分倍頻分子)和Pr45(反饋脈沖分倍頻分母)設(shè)立輸出脈沖信號分倍頻比例。3)可以用參數(shù)Pr46(反饋脈沖邏輯取反)設(shè)立輸出B相信號相對于A相邏輯關(guān)系。4)如果輸出脈沖來自于外部反饋裝置，參數(shù)Pr47(外部反饋裝置Z相脈沖設(shè)立)可以用來設(shè)立Z相脈沖輸出相位。5)此輸出電路差分驅(qū)動器地與信號地(GND)相接，不隔離。6)輸出脈沖最高頻率是4Mpps(4倍頻之后)。3.4.1.6指令脈沖禁止輸入INH或內(nèi)部速度選取1INTSPD1，這個引腳功能取決于不同控制模式。

表3.4INH引腳在不同模式下功能位置控制全閉環(huán)控制1)可用來禁止指令脈沖輸入(INH信號)。2)這個引腳一旦與COM－信號斷路，位置指令脈沖輸入即被屏蔽。3)可用參數(shù)Pr43(指令脈沖禁止輸入無效設(shè)立)選取將此信號屏蔽：Pr43值功能0INH信號有效。1(出廠值)INH信號無效，被屏蔽。速度控制1)用來輸入內(nèi)部速度選取1信號(INTSPD1)。2)通過與CL/INTSPD2信號和DIV/INTSPD3信號不同組合，可以選取8段內(nèi)部速度。轉(zhuǎn)矩控制輸入無效3.4.1.7伺服準備好，S-RDY+、S-RDY－當(dāng)控制電源/主電源接通，并且沒有報警發(fā)生時，此輸出晶體管導(dǎo)通。3.4.1.8定位完畢COIN+、COIN-，全閉環(huán)定位完畢EX-COIN+、EX-COIN-或速度到達AT-SPEED+、AT-SPEED-，這個引腳功能取決于不同控制模式(Pr02值)。表3.5伺服準備好引腳在不同控制模式下功能位置控制1)輸出定位完畢信號(COIN)。2)當(dāng)位置偏差脈沖數(shù)(絕對數(shù)值)不大于參數(shù)Pr60(定位完畢范疇)設(shè)立值時，此輸出晶體管導(dǎo)通。3)參數(shù)Pr63(定位完畢信號輸出設(shè)立)可以用來選取定位完畢信號(COIN)輸出條件。全閉環(huán)控制1)輸出全閉環(huán)定位完畢信號(EX-COIN)。2)位置偏差脈沖數(shù)(絕對數(shù)值)不大于Pr60值，即導(dǎo)通。3)Pr63可用來選取輸出條件。速度控制轉(zhuǎn)矩控制1)輸出速度到達信號(AT-SPEED)。2)如果電機實際轉(zhuǎn)速超過了參數(shù)Pr62(到達速度)設(shè)立值，此輸出晶體管即導(dǎo)通。3.4.2TLP521TLP521(圖3.15)是可控制光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器，影印機，自動售票，家用電器，如電扇，加熱器等電路之間信號傳播，使之前端與負載完全隔離，目在于增長安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計。東芝TLP521-1，-2和-4構(gòu)成砷化鎵紅外發(fā)光二極管耦合到光三極管。該TLP521-2提供了兩個孤立光耦8引腳塑料封裝，而TLP521-4提供了4個孤立光耦中16引腳塑料DIP封裝。圖3.15TLP521系列內(nèi)部構(gòu)造和引腳圖重要技術(shù)參數(shù)：集電極-發(fā)射極電壓：55V(最小值)經(jīng)常轉(zhuǎn)移比例：50％(最小)隔離電壓：2500Vrms(最小)3.4.3驅(qū)動控制模塊設(shè)計MSP430單片機輸出電壓只有幾伏，而驅(qū)動器輸入電壓需要12V，因此必要加以放大，來實現(xiàn)低電壓控制高電壓。并且低電壓和高電壓直接必要實現(xiàn)光電隔離，否則會把低電壓解決電路燒壞。依照上述驅(qū)動器不同引腳功能，詳細設(shè)計電路如圖3.16所示。 圖3.16驅(qū)動控制模塊4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1MSP430集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境IAR嵌入式工作平臺EmbeddedWorkbench(如下簡稱Workbench)為開發(fā)不同MSP430目的解決器項目提供了強有力開發(fā)環(huán)境[12]，并為每一種目的解決器提供工具選取。因而Workbench為開發(fā)和管理MSP430嵌入式應(yīng)用程序提供了極大便利。當(dāng)前較新版本是IAR2.0，與舊開發(fā)環(huán)境相比，新增了許多功能，使用起來更加以便。4.1.1Workbench工具1)具備語法體現(xiàn)能力文本編輯器。2)基于原則C語言并帶有MSP420特性編譯器。3)匯編器。4)連接器。5)函數(shù)庫管理器。6)調(diào)試器C-SPY。4.1.2Workbench項目組織顧客在開發(fā)過程中會有各種不同需求，例如：顧客也許需要開發(fā)合用于不同目的系統(tǒng)硬件應(yīng)用程序版本，也也許但愿將正在調(diào)試子程序包括到已經(jīng)開發(fā)好初期版本中，但并不但愿包括最后代碼；合用于不同目的系統(tǒng)硬件顧客應(yīng)用程序版本經(jīng)常具備共同源程序文獻，顧客但愿維護這些源程序文獻中一種，便能相應(yīng)用程序每一種版本自動進行修改；應(yīng)用程序不同版本之間也許存在互相差別源程序文獻，如應(yīng)用中依賴于硬件特性關(guān)于文檔，這些文獻需要分別進行維護，以適應(yīng)每一種目的系統(tǒng)版本。Workbench項目管理模式容許設(shè)計者以樹狀體系構(gòu)造組織項目，從而可以清晰體現(xiàn)文獻之間從屬關(guān)系。簡樸項目樹狀構(gòu)造如圖4.1所示。DebugDebugReleaseI/OstubsCommonI/Oroutineiodebug.cmain.cprocess.ccompute.cin.cProject:Groups:Soursefiles:圖4.1簡樸項目樹狀構(gòu)造在開發(fā)簡樸目的應(yīng)用中，顧客對于某種目的硬件也許創(chuàng)立Debug(調(diào)試)和Release(發(fā)行)兩個目的版本。這兩個目的版本共同包括項目源程序文獻公共組(common)，每一種目的版本還包括一種單獨組，用來存儲專用于該目的版本源程序文獻。I/Oroutines從屬于Release版，包括發(fā)行代碼輸入/輸出程序源文獻。I/Ostubs從屬于Debug版，包括輸入/輸出短程序，供C-SPY調(diào)試。在開發(fā)較為復(fù)雜項目時，Workbench通過協(xié)助顧客組織項目構(gòu)造使開發(fā)時間最短，通過匯編和編譯最小源文獻組(它們是文獻被修改之后完全更新目的代碼所必須)優(yōu)化開發(fā)周期。4.2主程序設(shè)計控制器重要功能是完畢和上位機通信以及機器人所有關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制?？刂破饕环矫娼邮軄碜灾鳈CCPU新位置信息，然后采用定期中斷對軌跡數(shù)據(jù)進行伺服控制算法，將數(shù)據(jù)送到各運動關(guān)節(jié)交流伺服電動機驅(qū)動器，驅(qū)動相應(yīng)關(guān)節(jié)運動。開始開始初始化起動系統(tǒng)時鐘等待命令與否為規(guī)劃器命令進入手動操作模式返回NY計算輸出脈沖頻率并給I/O口賦值采集編碼器反饋轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速信息通過CAN總線反饋給規(guī)劃器解決接受到規(guī)劃器信號圖4.2主程序流程圖圖4.2是控制器運營主程序流程圖。在每一種采樣周期內(nèi)持續(xù)執(zhí)行。使用硬件復(fù)位控制MSP430單片機復(fù)位操作，復(fù)位后運營片內(nèi)RAM中系統(tǒng)主程序。主程序有初始化程序、時鐘循環(huán)等待中斷程序構(gòu)成[13]。初始化程序完畢所有變量初始化，復(fù)位所有外設(shè)，并關(guān)閉所有輸出。之后進入循環(huán)和等待中斷過程，檢測到主機命令后，讀取命令并依照系統(tǒng)需要調(diào)用相應(yīng)解決程序。命令解決完后在進入循環(huán)等待狀態(tài)。對于本設(shè)計來說，控制器既也許接受到來自操作器信號，也也許接受來自規(guī)劃器信號，也也許接受到操作器發(fā)給規(guī)劃器或規(guī)劃器發(fā)給操作器無關(guān)信號。因而，要對接受到信號作出判斷，若是無關(guān)信號，則不予解決，若確是發(fā)送給控制器信號，再判斷是來自操作器還是規(guī)劃器。選取進入不同工作模式。MSP430單片機和伺服驅(qū)動器有兩方面信號交流。一方面是控制器依照上位機給位置移信號進行控制算法，給出相應(yīng)控制信號，實現(xiàn)對電機實時控制，使機械手按照預(yù)期軌道運動。另一方面，依照編碼器反饋信號，計算出電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，并通過總線傳給上位機，使上位機做出適應(yīng)調(diào)