基于wif i和組態(tài)技術(shù)的舵機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者/顧敏鑫、陶杰，蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于wif i和組態(tài)技術(shù)的舵機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者/顧敏鑫、陶杰，蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文利用wifi技術(shù)設(shè)計(jì)一ASMC-03大扭矩舵機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，采用 LAPIS的ML610Q496作為MCU制作遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)終端，使用USR C210WiFi模塊實(shí)現(xiàn)wifi通信、TLC5618 DAC控制舵機(jī)，并定義了上層通信協(xié)議，編寫程序，利用組態(tài)王設(shè)計(jì)操作界面，并和數(shù)據(jù)庫聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控舵機(jī)和舵機(jī)角度查詢。

組態(tài)技術(shù)；wif i；ML610Q496；遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)

ASMC–03大扭矩舵機(jī)模塊，可用于機(jī)器人、機(jī)械臂、閥門控制，攝像機(jī)云臺(tái)控制等方面，本項(xiàng)目將其用于遠(yuǎn)程攝像機(jī)底座控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)攝像機(jī)視角功能?？刹捎媚M/脈沖兩種方式控制。本項(xiàng)目采用模擬電壓模式控制，輸入電壓為0–5V，0.22V對(duì)應(yīng)0゜，4.78V對(duì)應(yīng)300゜。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案如圖1所示,由監(jiān)控終端、驅(qū)動(dòng)終端、AP、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等組成系統(tǒng)。監(jiān)控終端通過互聯(lián)網(wǎng)連接AP，AP與驅(qū)動(dòng)終端之間通過無線網(wǎng)通信，監(jiān)控終端可遠(yuǎn)程發(fā)指令給驅(qū)動(dòng)終端操控電機(jī)，并可通過指令查詢舵機(jī)的位置數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，監(jiān)控終端可查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史記錄。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2.驅(qū)動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)終端電路主要包括MCU、wif i模塊、ADC模塊，以及輔助的接口連接電路。MCU與wif i模塊通過串口通信，接入wif i。MCU通過I2C與DAC模塊通信，通過DAC輸出電壓，控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件組成示意圖

驅(qū)動(dòng)終端的MCU采用 LAPIS的ML610Q496,采用5V電壓供電，可提供的接口有UART(5通道)、SPI(1通道)、I2C(1通道)。限于篇幅，其最小系統(tǒng)的電路圖可參考相關(guān)手冊(cè)資料[2]

Wif i模塊采用USR–C210，提供串口與wif i的轉(zhuǎn)換功能，其與MCU之間通過串口連接[3]。因該模塊采用3.3V電壓供電所有與MCU的串口之間需要加接電壓轉(zhuǎn)換電路，其與MCU的電路圖如圖3所示，包括WRXD、WTXD；以及復(fù)位端WREST，用于模塊復(fù)位， 低電平有效，拉低至少100ms。

圖3 wifi模塊電路圖

本項(xiàng)目采用 DAC模塊，可實(shí)現(xiàn)雙路12位的DAC，采用5V電壓供電。MCU與TLC5618DAC模塊采用I2C總線通信，實(shí)現(xiàn)DAC模擬量輸出控制。

3.驅(qū)動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)

就整個(gè)系統(tǒng)而言，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)、AP、wif i模塊和串口的傳送，在MCU和遠(yuǎn)程上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)?，為了統(tǒng)一上層數(shù)據(jù)的含義，制定了上層通信協(xié)議，定義的格式如下：

表頭(1B)地址碼(4B)分割碼(1B)命令碼(1B)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(1B)傳送數(shù)據(jù)(≤256B)和校驗(yàn)(1B)表尾(1B)68 A0 A1 A2 A3 68 CMD LEN D0～Dn CS 16

其中，LEN 為需要傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，占用1B，如果不需要傳送數(shù)據(jù)，LEN=0；D0～Dn 為傳送的數(shù)據(jù)，低位在前、高位在后，不超過256字節(jié)。 上層通信協(xié)議支持1條查詢指令、1條控制指令。查詢指令的命令碼CMD為0x01，用來獲取相應(yīng)的舵機(jī)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 0x00；對(duì)應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)幀命令碼CMD為0x01，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1，數(shù)據(jù)為HEX，表示當(dāng)前舵機(jī)的角度，范圍在0～180°。

控制指令的命令碼CMD為0x02，用來控制相應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 0x10；數(shù)據(jù)內(nèi)容為 C0 C1兩個(gè)字節(jié)，其中C0 為控制使能：0不控、1使能控制；C1為HEX，表示0～180°的控制角度；對(duì)應(yīng)的返回?cái)?shù)據(jù)幀命令碼CMD為0x02，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1，數(shù)據(jù)為HEX，表示當(dāng)前舵機(jī)的角度，范圍在 0～180°。

具體組幀時(shí)，采用數(shù)組g_Wif i Buf [ ]實(shí)現(xiàn)，圖4所示為返回?cái)?shù)據(jù)幀組幀的流程圖，用于查詢和設(shè)置后的返回?cái)?shù)據(jù)，g_add[4]為節(jié)點(diǎn)地址，g_servoAngle[6]為當(dāng)前舵機(jī)角度；GetChecksum（g_Wif i Buf [0]，pos）為和校驗(yàn)函數(shù)，從數(shù)組g_Wif i Buf [0]起始，共有pos個(gè)字節(jié)相加產(chǎn)生和校驗(yàn)碼。

另外，本項(xiàng)目沒有采用wif i模塊提供的自帶心跳包功能，在應(yīng)用層利用上層通信協(xié)議自定義了心跳幀，每隔2s發(fā)送，定義其命令碼CMD為0xFE，上傳數(shù)據(jù)內(nèi)容是當(dāng)前心跳包計(jì)數(shù)值。

整個(gè)終端模塊的主流程分為四個(gè)階段，包括開機(jī)處理、初始化、主循環(huán)任務(wù)、各子任務(wù)分解。系統(tǒng)流程圖如圖5所示，開始階段單片機(jī)開機(jī)初始化，主要進(jìn)行上電自檢、芯片startup等工作。而后進(jìn)行硬件初始化，包括各引腳的配置、RAM、Flash、串口通信等方面的參數(shù)設(shè)置，主流程中采用查詢方式，根據(jù)串口中斷的處理情況，進(jìn)行上位機(jī)查詢和控制命令處理；根據(jù)2s定時(shí)中斷標(biāo)記，發(fā)送心跳包和處理響應(yīng)情況。

4.上位機(jī)軟件及組態(tài)王操作界面設(shè)計(jì)

操作界面采用組態(tài)軟件Kingview7.0，設(shè)計(jì)操作和監(jiān)控界面。數(shù)據(jù)庫采用mySQL5.5，當(dāng)操作界面有動(dòng)作，命令舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或查詢舵機(jī)角度，則將給定角度和查詢時(shí)間刷新，寫入mySQL數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表，并通過觸發(fā)器在操作記錄表中插入一條操作記錄。上位機(jī)軟件采用c#編程，每隔1s從操作記錄表中讀取最新操作記錄，判斷是否有新的操作，并根據(jù)上層通信協(xié)議組幀，下發(fā)給驅(qū)動(dòng)終端，并接受驅(qū)動(dòng)終端的返回?cái)?shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)庫內(nèi)；同時(shí)每隔2s，接收上傳的心跳幀進(jìn)行處理。

圖4 上層幀組幀流程圖

操作界面涉及的各個(gè)參數(shù)，主要包括各個(gè)舵機(jī)的位置設(shè)定值、實(shí)時(shí)角度，以及操作按鈕、查詢按鈕對(duì)應(yīng)的開關(guān)量，在上位機(jī)系統(tǒng)的ODBC數(shù)據(jù)源管理器中添加mySQL數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)程序后，通過組態(tài)軟件工程瀏覽器中提供的SQL訪問管理器工具，創(chuàng)建記錄體，將變量與數(shù)據(jù)庫表中對(duì)應(yīng)的字段聯(lián)接，并在組態(tài)畫面的命令語言中利用組態(tài)軟件提供的SQLConnect、SQLUpdate等數(shù)據(jù)庫訪問函數(shù)編程，即可實(shí)現(xiàn)組態(tài)界面訪問數(shù)據(jù)庫的功能[4]。

圖5 系統(tǒng)流程圖

5.系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)手冊(cè)，在局域網(wǎng)內(nèi)檢測(cè)調(diào)試，在USR–C210web設(shè)置頁面中，先設(shè)置wif i參數(shù)，設(shè)置wif i組網(wǎng)方式為STA，設(shè)置AP的網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼，IP地址為192.168.1.101；在透?jìng)鲄?shù)設(shè)置中，先根據(jù)驅(qū)動(dòng)終端規(guī)定的串口協(xié)議設(shè)置串口參數(shù)，而后將工作模式為透?jìng)?，SocketB協(xié)議設(shè)為TCP–Client，根據(jù)上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)編程設(shè)定端口為5555，選取服務(wù)器所在地址192.168.1.200，將上位機(jī)作為服務(wù)器，設(shè)置IP地址，查看數(shù)據(jù)庫和操作界面，通過測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的控制效果，滿足監(jiān)控需要。

＊ [1] 陶杰,聶瓊,過琦芳.基于zigbee與PLC的圈舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015(43)：458-462.

＊ [2] 高新,張俊哲,耿春麗.基于ML610Q496掉電事件采集器的設(shè)計(jì).電測(cè)與儀表2016(53):50-53

＊ [3] 楊玲,朱江,程勇,劉秋玥.基于安卓的無線體征信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子測(cè)量技術(shù)2015(38):121-124

＊ [4] 孫明革,朱喜林.基于組態(tài)王軟件下的SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù).控制系統(tǒng)2006(22):109-111

蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院優(yōu)秀畢業(yè)論文資助項(xiàng)目（LWXT201710）