電力線載波通訊模塊在機器人控制技術(shù)中的應(yīng)用

1 引言
機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線通訊。無線通訊的優(yōu)點是不必配備專用的通訊電纜，設(shè)備各部分相互獨立，配置靈活。缺點是抗干擾性能低，另外會對鄰近設(shè)備造成無線電干擾，受無線電管制的約束。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)計與制造成本。近年來電力線載波通訊技術(shù)發(fā)展迅速，這為機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^［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)特點是^［１］：采用擴譜載波通訊技術(shù)，因此抗干擾能力很強，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化到只有一對雙絞線。具有與EIA-600(CEBus)相兼容的通信總線標準，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)特別適合在機器人控制技術(shù)中應(yīng)用。尤其當機器人聯(lián)網(wǎng)運行時其技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。
下面我們以Intellon公司的SSC(SpreadSpectrum Carrier) P200系列控制器(以下簡稱P200)為例介紹電力線載波通訊技術(shù)在機器人控制中的應(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—個全雙工的網(wǎng)絡(luò)傳輸器。在發(fā)送模式下工作時，主控制處理器Host首先通過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)，不會與輸入信號發(fā)生線路沖突。在接收模式下，傳輸信號通過電力線耦合進入P200模塊，首先經(jīng)帶寬濾波器濾掉干擾信息，然后進入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進行分析處理。

3 P200數(shù)據(jù)傳輸軟件介面設(shè)計
本文中P200模塊完成一個標準數(shù)據(jù)塊的雙向傳輸任務(wù)，為此設(shè)計了專用的數(shù)據(jù)傳輸軟件介面，如表1所示，這個軟件介面由59個字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)共有7個部分，各部分的主要功能如下表：

3．1 層配置信息
占用7個字節(jié)，規(guī)定了系統(tǒng)的工作模式以及最大重新啟動次數(shù)。
3．2 傳輸介面標志信息
字節(jié)只讀寄存器，寄存的標志信息反映如下事實：
·一個數(shù)據(jù)包已收到或接收出現(xiàn)意外。
·一個發(fā)送過程已完成或傳輸出現(xiàn)意外。
·物理層錯誤或主機傳輸介面出錯。
·設(shè)備的復位狀態(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：
·確定主機忙閑與否；
·是否忽略掉一個數(shù)據(jù)包的接收過程；
·控制一個數(shù)據(jù)包的接收過程。
3．4 狀態(tài)寄存器
只讀寄存器,共6個字節(jié)。寄存上次數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)，P200的設(shè)備型號與版本號。
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)時物理層檢測失敗的錯誤類型。
3．7 數(shù)據(jù)包
數(shù)據(jù)包由一個頭文件和待發(fā)送的信息組成。頭文件包含控制場和地址場。控制場包含控制接收或發(fā)送信息時的控制指令。地址場包括了數(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，主控制微處理器Host Micro都必須對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器人系統(tǒng)中應(yīng)用
圖2為我校研制的爬壁清洗機器人，其主要由機器人本體，控制系統(tǒng)，清洗機構(gòu)，地面控制器，保險與卷揚升降控制系統(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，機器人本體上的高速風機起動，產(chǎn)生較強吸附力，使機器人本體安全可靠地吸附在工作壁面上。然后驅(qū)動兩套交流伺服電機，帶動車輪使機器人在玻璃、瓷磚等壁面上快速移動，同時清洗機械開始工作完成相應(yīng)清洗任務(wù)。在本體快速移動同時，卷揚升降系統(tǒng)也在地面控制器作用下相應(yīng)升降運動，使保險懸掛機構(gòu)與機器人本體隨動。

由上可見，機器人系統(tǒng)在工作時，地面控制器、機器人主體控制器、卷揚升降系統(tǒng)控制器，三者間必須相互協(xié)調(diào)，交換信息，才能保證機器人的正常運行。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，通過由地面拉上去的電力線進行電力線載波通訊完成的。
圖3所示為壁面清洗機器人電力線載波通訊控制方案。當操作者按動地面控制器功能鍵發(fā)出工作指令時，單片機AT89C51把信息送到顯示模塊顯示，同時經(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，附加上了地址號，由于主體控制器與卷揚控制器的P200模塊具有不同的地址號，由地面控制器發(fā)來的信息只能被地址號相符的一方所接受。主體控制器與卷揚控制器也可把相應(yīng)的現(xiàn)場信息反饋到地面控制器，當?shù)孛婵刂破魇盏椒答佇畔⒑?，由于各模塊地址唯一，會作出正確的解釋，并及時地向發(fā)信方發(fā)出回執(zhí)，現(xiàn)場控制器在收到回執(zhí)后知道信息已收到，會自動停止發(fā)送反饋信息，否則發(fā)送反饋信息會定時進行。
5 電力線載波通訊模塊在壁面清洗機器人聯(lián)網(wǎng)運行中應(yīng)用
在清洗一個復雜壁面時，為提高工效，可使用多臺機器人聯(lián)網(wǎng)運行。由于多臺機器人都使用Intellon P200模塊利用電力線通訊，如不采取措施，會發(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：機器人與機器人之間通訊如何協(xié)調(diào)。其二：機器人各部分之間如何協(xié)調(diào)。從前述內(nèi)容我們知道單臺爬壁清洗機器人控制系統(tǒng)有地面控制器，主控制器，卷場升降控制器三大部分，事實上這三大部分的P200模塊電路構(gòu)成是完全相同的。都由一個主控單片機，一個P200模塊，一個功率放大器及若干濾波器外圍電路組成，為此我們設(shè)計了一個標準的嵌入式P200模塊電路供所有功能模塊使用，如圖4所示。

在這個模塊電路中，使用了一個專用單片機AT89C2051^［４］作為與外部控制電路的接口控制器，這個單片機專職服務(wù)于P200的雙向通訊任務(wù)，在其ROM存儲器中固化了本模塊的二層地址信息，高層地址信息用一個字節(jié)記錄了該模塊是那個機器人的，低層地址信息用一個字節(jié)記錄了該模塊是屬于