機(jī)器人控制中通訊是必不可少的技術(shù)環(huán)節(jié)，現(xiàn)有通訊方式可分為有線與無線兩種。無線通訊不必配置專用的通訊線纜，但抗空間電磁干擾能力低，受無線電管制約束。有線通訊可靠性高，但需配備專用的通訊電纜。近年發(fā)展起來的電力線載波通訊技術(shù)為機(jī)器人控制技術(shù)提供了新的通訊手段。電力線載波通訊使用公用的電力線，不必專門鋪設(shè)通訊電纜，系統(tǒng)得以簡化，因而大大提高了機(jī)器人設(shè)計與制造的性能價格比。本文結(jié)合工程實踐．采用了美國Intellon公司的電力線載波通訊模塊SSC P200與單片機(jī)結(jié)合組成了實用系統(tǒng)，實際運行表明電力線載波通訊技術(shù)應(yīng)用在機(jī)器人控制中是行之有效的。
??? 關(guān)鍵詞：電力線載波? 通訊? 機(jī)器人? 控制

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(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^［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(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化到只有一對雙絞線。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)運行時其技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。
??? 下面我們以Intellon公司的SSC(Spread?Spectrum 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(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(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
??? 本文中P200模塊完成一個標(biāo)準(zhǔn)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(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：?
??? ·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(jī)傳輸介面出錯。?
??? ·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?？刂茍霭刂平邮栈虬l(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(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(jī)器人本體上的高速風(fēng)機(jī)起動，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)動兩套交流伺服電機(jī)，帶動車輪使機(jī)器人在玻璃、瓷磚等壁面上快速移動，同時清洗機(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(jī)構(gòu)與機(jī)器人本體隨動。

??? 由上可見，機(jī)器人系統(tǒng)在工作時，地面控制器、機(jī)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(jī)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(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)操作者按動地面控制器功能鍵發(fā)出工作指令時，單片機(jī)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(dāng)?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(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)運行中應(yīng)用
??? 在清洗一個復(fù)雜壁面時，為提高工效，可使用多臺機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)運行。由于多臺機(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(jī)，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(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。

??? 在這個模塊電路中，使用了一個專用單片機(jī)AT89C2051^［４］作為與外部控制電路的接口控制器，這個單片機(jī)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(jī)器人的，低層地址信息用一個字節(jié)記錄了該模塊是屬于本機(jī)器人哪個功能部分的。這樣在機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)時，我們可以對多個機(jī)器人只使用一臺地面控制器，完成對各機(jī)器人各個部分的控制與測試任務(wù)。如圖5所示在這個單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，只有地面控制器一臺主機(jī)，其他功能模塊全部為從屬分機(jī)，因此該網(wǎng)絡(luò)是主從式網(wǎng)絡(luò)。另外在網(wǎng)絡(luò)上已分不出整體的機(jī)器人、有效的僅是獨立的功能模塊，至于該模塊屬于哪個機(jī)器人，完成何種功能，完全由指令和相應(yīng)的二層地址信息唯一地決定。注意，圖5所示的P200通訊模塊是完全獨立的，其中包括的單片機(jī)AT89C2051僅完成雙向通訊的接口任務(wù)，不參加各功能模塊的具體工作，各功能模塊的具體控制任務(wù)必須使用額外的單片機(jī)。每個P200通訊模塊使用一個專用AT89C2051的好處，其一是可以減輕各功能模塊的通訊工作壓力，使通訊工作標(biāo)準(zhǔn)化。其二是P200內(nèi)部的存貯器是易失的，其軟件介面和二層地址信息都必須由Host Micro單片機(jī)上電時下載，故使用一個AT89C2051可以很好地完成這一任務(wù)，我們可以把P200的軟件介面與二層地址信息事先固化在AT89C2051中，每次上電由AT89C2051向P200下載，使P200通訊模塊與用戶控制器完全獨立。

6 結(jié)論
??? 本文介紹了Intellon電力線載波通訊模塊的技術(shù)特點及其在機(jī)器人控制技術(shù)中的應(yīng)用。Intellon 技術(shù)的優(yōu)越之處是既不象無線電通訊那樣易受空間電磁信號的干擾或受無線電管制的約束，又不必鋪設(shè)專用的通訊電纜，性能價格比較高。不足之處是由于使用公用的電力線，通訊系統(tǒng)是完全對外界開放的，易受來自電網(wǎng)的各種諧波干擾，穩(wěn)定性與安全性目前還達(dá)不到專線通訊的水平。尤其對高頻諸波的干擾，必須采取措施克服，以有效地提高通訊技術(shù)水準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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［３］盧彬，等．電力系統(tǒng)通信網(wǎng)信號系統(tǒng)與接口技術(shù)［Ｍ］．中國電力出版社，北京：1997
［４］余永權(quán)．FLASH單片機(jī)原理及應(yīng)用［Ｍ］．北京：電子工業(yè)出版社，1997