網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制作業(yè)機(jī)械手的設(shè)計與實現(xiàn)

0引言

網(wǎng)絡(luò)化操作和遠(yuǎn)程控制成為很多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)鉆研的方向，要實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行管理和控制，就需要與這些設(shè)備進(jìn)行通訊連接，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交換，以達(dá)到管理、控制和監(jiān)控的目的。同樣嵌入式領(lǐng)域中，為了達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控，也必須基于網(wǎng)絡(luò)。在水下或者惡劣環(huán)境作業(yè)的機(jī)械手，在特定的時候需要遠(yuǎn)程控制。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)成為了可能。

在遠(yuǎn)程控制中，通信是值得討論的技術(shù)問題。傳統(tǒng)的通信只是局限于脫離網(wǎng)絡(luò)的通信，如兩個PC機(jī)之間通信，或者是上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為單片機(jī)。在遠(yuǎn)程控制機(jī)械手系統(tǒng)中，采用的是基于Internet的遠(yuǎn)程串口通信，遠(yuǎn)程串行通訊是指客戶端與下位機(jī)或通訊對象之間通過串口進(jìn)行的遠(yuǎn)距離通訊，而傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊只是它其中的一部分，通過客戶端傳送指令給下位機(jī)至控制部件，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 遠(yuǎn)程串口通訊系統(tǒng)的基本構(gòu)架及實現(xiàn)

（一）基本構(gòu)架概述

在軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，C/S和B/S是當(dāng)今世界開發(fā)模式技術(shù)架構(gòu)的兩大主流技術(shù)。

C/S模式采用的是兩層體系結(jié)構(gòu)，即客戶端和服務(wù)器，通過該架構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實現(xiàn)，客戶端進(jìn)行顯示界面和事務(wù)處理，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和應(yīng)答請求處理。在客戶端需要安裝客戶端軟件才能訪問服務(wù)器。不但軟件升級不便，而且也增加了客戶端的負(fù)載和投資成本。

B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是隨著Internet技術(shù)的興起，對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)， 數(shù)據(jù)處理則由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行，形成所謂三層結(jié)構(gòu)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本，但僅在B/S模式下還不能直接實現(xiàn)與被控對象進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

基于B/S模式實現(xiàn)與被控對象進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的遠(yuǎn)程串行通訊采用四層體系結(jié)構(gòu)，增加了一個控制層，瀏覽器端為表示層，WEB服務(wù)器為功能層，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為數(shù)據(jù)層，控制層為通過WEB服務(wù)器傳送指令到控制服務(wù)器，控制服務(wù)器作為上位機(jī)，通過串口控制下位機(jī)，直到控制執(zhí)行部件。這里不僅增加了控制層，而且對功能層和數(shù)據(jù)層也都進(jìn)行了擴(kuò)展。這種體系結(jié)構(gòu)即具有B/S模式的優(yōu)良特性，又增加了控制服務(wù)功能，充分利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和工業(yè)現(xiàn)場資源，并且使兩者有機(jī)地結(jié)合在一起，達(dá)到了與被控設(shè)備通過串口進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊的目的。表示層、功能層、數(shù)據(jù)層和控制層既有一定的相互聯(lián)系又具有相對獨(dú)立性，各層是通過Internet相連接，通過HTTP協(xié)議和串口通訊協(xié)議進(jìn)行信息通訊。如圖1所示

（二）遠(yuǎn)程串口通訊各部件的功能及實現(xiàn)

（1）瀏覽器端：用戶通過瀏覽器登陸web服務(wù)器，通過輸入用戶名和密碼，和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)比較驗證通過后，成為合法的用戶，然后在相應(yīng)的表單中輸入控制數(shù)據(jù)。按提交按鈕后，數(shù)據(jù)傳送到web服務(wù)器。瀏覽器端再作為顯示端，能夠顯示遠(yuǎn)程執(zhí)行部件的反饋位置。

（2）WEB服務(wù)器：能夠接收瀏覽器端發(fā)送過來的控制數(shù)據(jù)，并處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)發(fā)送給控制服務(wù)器，或者直接作為控制服務(wù)器，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給執(zhí)行部件。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端：存放合法用戶的用戶名和密碼，以進(jìn)行檢驗。同時，在發(fā)送執(zhí)行數(shù)據(jù)時，如果需要特定的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，也可直接到數(shù)據(jù)庫中獲取。實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，并把運(yùn)行結(jié)果反饋給web服務(wù)器。

（4）控制服務(wù)器：作為直接通過串口發(fā)送命令給執(zhí)行部件的上位機(jī)，或者直接由web服務(wù)器本身擔(dān)任。接收web服務(wù)器從瀏覽器端接收過來的數(shù)據(jù)。通過串口通訊協(xié)議及握手信號，把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。

（5）下位機(jī)：通過串口通訊協(xié)議接收控制服務(wù)器（上位機(jī)）的執(zhí)行數(shù)據(jù)，再通過相應(yīng)的驅(qū)動電路，帶動執(zhí)行部件工作。

（6）執(zhí)行部件：按照傳送過來的指令進(jìn)行工作，并通過傳感器把當(dāng)前執(zhí)行部件的位置和姿態(tài)化作數(shù)據(jù)再通過串口回送到控制服務(wù)器，直至到達(dá)瀏覽器端，使得用戶不在執(zhí)行部件的現(xiàn)場也可以遠(yuǎn)程控制并得到部件執(zhí)行之后的效果

在瀏覽器中，登陸驗證后，通過HTTP協(xié)議，把數(shù)據(jù)傳送給web服務(wù)器，再傳給控制服務(wù)器?？刂品?wù)器作為上位機(jī)，打開串口，通過通訊協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)根據(jù)通訊協(xié)議，收到上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并啟動D/A轉(zhuǎn)換器，控制執(zhí)行部件。同時通過傳感器把執(zhí)行部件的姿態(tài)反饋給上位機(jī)。下位機(jī)可以為單片機(jī)、DSP、ARM等微處理器。

2 遠(yuǎn)程控制作業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于web的機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制，在高溫、水下等惡劣的工作環(huán)境下，需要遠(yuǎn)程控制機(jī)械手實行操作。在遠(yuǎn)程通過瀏覽器輸入操縱數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給主控機(jī)，主控機(jī)采用一般的PC機(jī)，主控機(jī)通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，該作業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中采用89C51單片機(jī)作為直接控制計算機(jī)?，F(xiàn)場通過監(jiān)控設(shè)備把作業(yè)機(jī)械手的姿態(tài)反饋到遠(yuǎn)程控制機(jī)，同時通過傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)返回到控制機(jī)。圖2為遠(yuǎn)程控制作業(yè)機(jī)械手的系統(tǒng)示意圖。

在瀏覽器端登陸主控機(jī)擔(dān)當(dāng)?shù)姆?wù)器，取得合法身份驗證之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。主控機(jī)收到信息后，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)給直接控制機(jī)89C51。

（一） 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件組成部分

（1） 以89C51為微處理器的為核心，擴(kuò)展RAM6254、鎖存器、時鐘電路、復(fù)位電路等。

（2） 串口通訊電路：主控機(jī)向89C51傳送數(shù)據(jù)時，采用串口通信，常用的串行通信總線接口是美國電氣協(xié)會EIA制定的RS-232C。鑒于單片機(jī)串行口TXD，RXD均為TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，在應(yīng)用時，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)中，采用MAX232作為接口轉(zhuǎn)換芯片。

（3） 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：通過串口，主控機(jī)把機(jī)械手的動作指令數(shù)據(jù)發(fā)送給89C51，89C51通過總線把數(shù)據(jù)發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)端口，在該系統(tǒng)中采用DA0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。

（4） 驅(qū)動電路：機(jī)械手的作業(yè)動力來自液壓系統(tǒng)，采用伺服閥來實現(xiàn)對機(jī)械手的回路控制，為驅(qū)動伺服閥，設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路

（5） 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：用角度電位計和位移傳感器采集機(jī)械手的實際操作數(shù)據(jù)，傳感器標(biāo)定之后，采集的位移量和角度模擬信號要轉(zhuǎn)換數(shù)字信號傳送給89C51，再向上發(fā)送，該系統(tǒng)中采用AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。

（二） 主控機(jī)與單片機(jī)軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1） 主控機(jī)程序

主控機(jī)由PC機(jī)擔(dān)任，用VC++開發(fā)操縱界面，通過串口控件MSComm對串口通訊協(xié)議進(jìn)行串口初始化，從后臺數(shù)據(jù)庫SQLServer中提出從WEB發(fā)送的控制機(jī)械手的數(shù)據(jù)，控制機(jī)械手各個關(guān)節(jié)的執(zhí)行的角度量，同時等待接收89C51回送回來的數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

（2） 89C51單片機(jī)主程序

89C51作為直接控制計算機(jī)，用C語言來編寫主程序，初始化串口，分配內(nèi)存緩沖區(qū)存放接收數(shù)據(jù)，開中斷，等待外部以中斷形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。89C51的主程序流程圖如圖4所示。

（3） 89C51中斷處理子程序

中斷子程序中首先清除中斷標(biāo)志，然后判斷是接收還是發(fā)送引起的中斷，根據(jù)相應(yīng)的中斷源進(jìn)行處理。89C51中斷處理子程序的流程圖如圖5所示。

3 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于把89C51單片機(jī)與機(jī)械手的作業(yè)聯(lián)系起來，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信達(dá)到了遠(yuǎn)程控制機(jī)械手實驗室的實現(xiàn)，為遠(yuǎn)程控制作業(yè)的研究提供了一個具體的實例參考，目前該系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)到主控機(jī)，存儲在數(shù)據(jù)庫中，需要手工在主控機(jī)調(diào)動數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對機(jī)械手的控制。能夠完全脫離人的介入，直接通過網(wǎng)絡(luò)來控制作業(yè)還在進(jìn)一步的研究中。實驗應(yīng)用和市場證明，在網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化的今天和未來，遠(yuǎn)程通信必將出現(xiàn)在未來的人類生活中，有可觀的研究意義和實用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬忠梅、籍順心編著 單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計 北京航空航天大學(xué)出版社 2000
[2] 鄭笑寧 水下遙操作實驗系統(tǒng)工具庫控制系統(tǒng)的研究 哈爾濱工程大學(xué)論文 2003-
[3] 陳龍三編著 8051單片機(jī)C語言控制與應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 2001
[4] 何立民 MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計北京航空航天大學(xué)出版社 1990年
[5] 張開生 基于89C51的紙漿智能計量管理系統(tǒng)設(shè)計 微計算機(jī)信息雜志 2005年第7-2期