電力線載波通訊模塊在機(jī)器人控制技術(shù)中的應(yīng)用

1 引言
機(jī)器人控制中采用各種通訊手段。這些通訊手段可分為有線通訊與無(wú)線通訊。無(wú)線通訊的優(yōu)點(diǎn)是不必配備專用的通訊電纜，設(shè)備各部分相互獨(dú)立，配置靈活。缺點(diǎn)是抗干擾性能低，另外會(huì)對(duì)鄰近設(shè)備造成無(wú)線電干擾，受無(wú)線電管制的約束。有線通訊可靠性高，但需配備專用的通訊電纜，提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造成本。近年來(lái)電力線載波通訊技術(shù)發(fā)展迅速，這為機(jī)器人控制提供了新的通訊手段。電力線載波通訊技術(shù)的特點(diǎn)^［２］是既有如RS485串行有線通訊方式的高可靠性，又不必專門鋪設(shè)通訊電纜，而是利用現(xiàn)有設(shè)備的電力輸電線。專用于電力線載波通訊的芯片很多，本系統(tǒng)采用美國(guó)Intellon公司的電力線載波通訊模塊。Intellon電力線載波通訊模塊的技術(shù)特點(diǎn)是^［１］：采用擴(kuò)譜載波通訊技術(shù)，因此抗干擾能力很強(qiáng)，在環(huán)境惡劣的工業(yè)電纜上也能可靠地傳輸數(shù)據(jù)。模塊與電力線間的耦合方式簡(jiǎn)化到只有一對(duì)雙絞線。具有與EIA-600(CEBus)相兼容的通信總線標(biāo)準(zhǔn)，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(gòu)成低成本的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。因此Intellon電力線載波通訊技術(shù)特別適合在機(jī)器人控制技術(shù)中應(yīng)用。尤其當(dāng)機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)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P200)為例介紹電力線載波通訊技術(shù)在機(jī)器人控制中的應(yīng)用。
2 使用P200控制器構(gòu)成電力線載波通訊模塊
圖l所示為使用P200控制器構(gòu)成的電力線載波通訊模塊。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?shù)臄?shù)據(jù)塊高速地傳輸?shù)絇200的中央處理器DLL Microprocessor。DLL中央處理器把數(shù)據(jù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)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(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾的諧波成份，再耦合到電力線上去。雖然輸入與輸出信息公用一根電力線，但由于AMP功率放大器有三態(tài)門控制開關(guān)，不會(huì)與輸入信號(hào)發(fā)生線路沖突。在接收模式下，傳輸信號(hào)通過(guò)電力線耦合進(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(nèi)部經(jīng)功率放大器Amp放大后，A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)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(shù)據(jù)塊傳入主控制處理器Host進(jìn)行分析處理。

3 P200數(shù)據(jù)傳輸軟件介面設(shè)計(jì)
本文中P200模塊完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)塊的雙向傳輸任務(wù)，為此設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)傳輸軟件介面，如表1所示，這個(gè)軟件介面由59個(gè)字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)，規(guī)定了系統(tǒng)的工作模式以及最大重新啟動(dòng)次數(shù)。
3．2 傳輸介面標(biāo)志信息
字節(jié)只讀寄存器，寄存的標(biāo)志信息反映如下事實(shí)：
·一個(gè)數(shù)據(jù)包已收到或接收出現(xiàn)意外。
·一個(gè)發(fā)送過(guò)程已完成或傳輸出現(xiàn)意外。
·物理層錯(cuò)誤或主機(jī)傳輸介面出錯(cuò)。
·設(shè)備的復(fù)位狀態(tài)
3．3 控制寄存器
2字節(jié)只寫寄存器，提供如下控制信息：
·確定主機(jī)忙閑與否；
·是否忽略掉一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收過(guò)程；
·控制一個(gè)數(shù)據(jù)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(jié)。寄存上次數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)，P200的設(shè)備型號(hào)與版本號(hào)。
3．5 數(shù)據(jù)通道控制寄存器
只寫1字節(jié)寄存器。確定數(shù)據(jù)通道建立最短時(shí)間。
3．6 數(shù)據(jù)接受狀態(tài)寄存器
1字節(jié)只讀寄存器，確定接受數(shù)據(jù)時(shí)物理層檢測(cè)失敗的錯(cuò)誤類型。
3．7 數(shù)據(jù)包
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的地址信息。
值得注意的是，P200數(shù)據(jù)傳輸軟件介面是由主控制微處理器Host Micro下載的，由于P200內(nèi)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(duì)P200重新下載安裝一次軟件介面。
4 使用P200控制器構(gòu)成的電力線載波通訊模塊在壁面清洗爬壁機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用
圖2為我校研制的爬壁清洗機(jī)器人，其主要由機(jī)器人本體，控制系統(tǒng)，清洗機(jī)構(gòu)，地面控制器，保險(xiǎn)與卷?yè)P(yáng)升降控制系統(tǒng)構(gòu)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(jī)器人本體上的高速風(fēng)機(jī)起動(dòng)，產(chǎn)生較強(qiáng)吸附力，使機(jī)器人本體安全可靠地吸附在工作壁面上。然后驅(qū)動(dòng)兩套交流伺服電機(jī)，帶動(dòng)車輪使機(jī)器人在玻璃、瓷磚等壁面上快速移動(dòng)，同時(shí)清洗機(jī)械開始工作完成相應(yīng)清洗任務(wù)。在本體快速移動(dòng)同時(shí)，卷?yè)P(yáng)升降系統(tǒng)也在地面控制器作用下相應(yīng)升降運(yùn)動(dòng)，使保險(xiǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與機(jī)器人本體隨動(dòng)。

由上可見，機(jī)器人系統(tǒng)在工作時(shí)，地面控制器、機(jī)器人主體控制器、卷?yè)P(yáng)升降系統(tǒng)控制器，三者間必須相互協(xié)調(diào)，交換信息，才能保證機(jī)器人的正常運(yùn)行。這種信息的交換正是使用P200控制器構(gòu)成的電力線載波通訊模塊，通過(guò)由地面拉上去的電力線進(jìn)行電力線載波通訊完成的。
圖3所示為壁面清洗機(jī)器人電力線載波通訊控制方案。當(dāng)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(jī)AT89C51把信息送到顯示模塊顯示，同時(shí)經(jīng)電力線載波通訊模塊發(fā)送到電力線上。P200在發(fā)送指令信息時(shí)，附加上了地址號(hào)，由于主體控制器與卷?yè)P(yáng)控制器的P200模塊具有不同的地址號(hào)，由地面控制器發(fā)來(lái)的信息只能被地址號(hào)相符的一方所接受。主體控制器與卷?yè)P(yáng)控制器也可把相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)信息反饋到地面控制器，當(dāng)?shù)孛婵刂破魇盏椒答佇畔⒑?，由于各模塊地址唯一，會(huì)作出正確的解釋，并及時(shí)地向發(fā)信方發(fā)出回執(zhí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器在收到回執(zhí)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 電力線載波通訊模塊在壁面清洗機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行中應(yīng)用
在清洗一個(gè)復(fù)雜壁面時(shí)，為提高工效，可使用多臺(tái)機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。由于多臺(tái)機(jī)器人都使用Intellon P200模塊利用電力線通訊，如不采取措施，會(huì)發(fā)生信息傳輸?shù)幕靵y^［３］。為防止混亂在兩方面要采取措施。其一：機(jī)器人與機(jī)器人之間通訊如何協(xié)調(diào)。其二：機(jī)器人各部分之間如何協(xié)調(diào)。從前述內(nèi)容我們知道單臺(tái)爬壁清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)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(gòu)成是完全相同的。都由一個(gè)主控單片機(jī)，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?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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)專用單片機(jī)AT89C2051^［４］作為與外部控制電路的接口控制器，這個(gè)單片機(jī)專職服務(wù)于P200的雙向通訊任務(wù)，在其ROM存儲(chǔ)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(jié)記錄了該模塊是那個(gè)機(jī)器人的，低層地址信息用一個(gè)字節(jié)記錄了該模塊是屬于