打磨機器人控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計

游瑋 崔云從 方華杰 方明

（1埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽蕪湖，241000；2 香港中文大學(xué)，香港，999077)

0 引言

近年，科技進步不斷推動機器人技術(shù)的快速發(fā)展[1-2]。機器人控制器是機器人的重要組成部分，在很大程度上影響著機器人的發(fā)展[3-4]。

傳統(tǒng)經(jīng)濟型工業(yè)機器人的控制器具有成本高、功耗大等缺點[5-6]，不適合中小型移動機器人[7-8]。針對上述問題，本文設(shè)計了一種底層控制系統(tǒng)軟件，經(jīng)調(diào)教，能滿足埃夫特品牌所有機器人控制器運算能力強、實時性好等要求，且具有占用內(nèi)存小、模塊化設(shè)計等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

底層軟件設(shè)計的主要工作是編寫相關(guān)硬件驅(qū)動。驅(qū)動包括示教盒與主控制器兩部分，基于實時性要求不同，兩者分別采用uc/os和linux操作系統(tǒng)。示教盒與控制器關(guān)系，如圖1所示。

圖1 示教盒軟件與控制器軟件關(guān)系圖

2 Boot Loader設(shè)計

Boot Loader作用是引導(dǎo)加載內(nèi)核程序。由于RS232串口傳輸速度慢，不適合大文件下載，而Uboot具有基于TFTP協(xié)議的以太網(wǎng)下載模式，極大提高了下載速度，因此選擇Uboot作為Boot loader。在啟動Uboot時，需要設(shè)置參數(shù)、傳輸文件和PC主機通信。示教盒的啟動流程如圖2所示。

圖2 示教盒核心板軟件啟動流程圖

3 內(nèi)核驅(qū)動設(shè)計

內(nèi)核驅(qū)動是軟件底層核心部分，用戶調(diào)用驅(qū)動程序控制硬件，硬件利用程序進行反饋。控制器包含CAN、RS232、RS485、AD和DA通信總線，各總線需要相應(yīng)驅(qū)動程序。

3.1 RS232驅(qū)動

本文提出用RS232C，該通信標(biāo)準(zhǔn)于1969年由美國電子工業(yè)聯(lián)合會發(fā)布，其通信形式分為零Modem和Modem兩種。本文采用零Modem與計算機串口通信，傳輸距離15m，波特率195200bps。AM3517有4個串口，其中前三路UART接口的IRQ（中斷）指向MPU系統(tǒng)，第四路UART不具有IRQ（中斷）功能，不作為實時串口使用。AM3517串口功能模塊具體線路如圖3所示。

圖3 AM3517串口功能模塊

RS232驅(qū)動模塊分為初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、中斷接收函數(shù)三個部分。初始化函數(shù)第一步為設(shè)置串口，例如設(shè)定中斷號、優(yōu)先級和服務(wù)子程序等；第二步至第六步分別為清空寄存器，關(guān)閉FIFO，設(shè)置波特率，設(shè)置EFR寄存器，接收中斷，設(shè)置EFR轉(zhuǎn)為正常模式。接收函數(shù)指中斷服務(wù)子函數(shù)，發(fā)送函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入寄存器里，通過判斷語句進行判斷，結(jié)合AM3517手冊，初始化函數(shù)框架圖如圖4所示。

圖4 初始化函數(shù)框架圖

3.2 RS485驅(qū)動

選用RS485接口可以顯著提高RS232的傳輸速度，具有傳輸距離長、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。為滿足AM3517對于485接口的需求，本文將MAX3485芯片轉(zhuǎn)成RS485通信格式，使用RS232進行驅(qū)動，如圖5所示。

圖5 485轉(zhuǎn)換電路

3.3 CAN驅(qū)動

CPK（CAN Protocol Kernel）接收消息，接收控制單元選擇信息儲存位置?？刂茊卧ㄟ^檢查信息狀態(tài)、標(biāo)識符和面具（mask）決定郵箱地址，將信息過濾在第一個郵箱。管理單元通過網(wǎng)絡(luò)計數(shù)器?？刂菩畔⒌膫鬏斉c接收。在規(guī)定時間內(nèi)，若沒有接收信息將產(chǎn)生報警。

AM3517的CAN總線通信原理如圖6所示。

圖6 CAN總線控制圖

CPU將數(shù)據(jù)存儲并發(fā)送郵箱，RAM讀取數(shù)據(jù)和標(biāo)識符后，若TRSn被設(shè)置，信息將按優(yōu)先級發(fā)送。優(yōu)先級由寄存器（CANMCF）中TPL位決定。CPU完成數(shù)據(jù)讀取后，將中斷CPU接收信息。比較mask與標(biāo)識符，若相等，則RAM將接收標(biāo)識符、控制位以及數(shù)據(jù)字節(jié)；反之，則不會存儲。CPU讀取數(shù)據(jù)后，RMPn將被重置。

3.4 SPI驅(qū)動

AD/DA的芯片通過SPI（Serial Peripheral Interface）總線與AM3517通信，且SPI屬于串行總線式協(xié)議，故通過調(diào)用AD與DA中的驅(qū)動即可實現(xiàn)目標(biāo)要求。主機將時鐘信號發(fā)送給從機，可進行同步化處理。

3.5 驅(qū)動測試

即通過RS232驅(qū)動測試函數(shù)。外部發(fā)送RS232數(shù)據(jù)給控制器，系統(tǒng)讀取后，根據(jù)ServerStub.c文件的指令列表，選擇執(zhí)行Comm.c文件函數(shù)，最后通過rs232.文件函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給外部232接收器。該函數(shù)由判斷和功能句兩部分組成，具體關(guān)系如圖7所示。

圖7 測試函數(shù)

在圖7中，{“ts232”,(CommFunc) testRS232,(CommFuncHelp) WeldTestHelp}為指令列表函數(shù)，主要對Comm.c文件函數(shù)起選擇作用。void testRS232(int argc,char *argv[],int whichUart)為執(zhí)行函數(shù)，通過判斷是否進入1通道RS232測試。count=Rs232_1_GetStr(testbuffer_1)函數(shù)可以獲取外部發(fā)送到232中的緩存數(shù)據(jù)。Rs232_1_SendStr(testbuffer_1)函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給外部232接收器。

3.6 內(nèi)核設(shè)計

uc/os是開源系統(tǒng)，便于開發(fā)人員下載源碼，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性和擴展性強等特點。基于uc/os系統(tǒng)，本文根據(jù)機器人相關(guān)要求設(shè)計內(nèi)核。內(nèi)核啟動流程主要包括匯編啟動程序、系統(tǒng)初始化、Main程序初始化和任務(wù)分配運行四個部分，如圖8所示。

圖8 內(nèi)核啟動流程圖

在圖8中，匯編啟動程序引導(dǎo)內(nèi)核運行啟動、中斷向量表及跳轉(zhuǎn)主程序；系統(tǒng)初始化指對板級系統(tǒng)設(shè)置，如系統(tǒng)時鐘等；Main程序初始化則是初始化各個設(shè)備驅(qū)動；任務(wù)分配運行由任務(wù)分配初始化與任務(wù)運行兩部分組成，具體如圖9、圖10所示。

在圖9中，SYS_TASK負責(zé)根文件、內(nèi)存變量、機器人相關(guān)變量的初始化、讀取配置文件、判斷示教盒有無且決定是否通信；WatchprocessorTASK負責(zé)串口監(jiān)視，執(zhí)行當(dāng)前工作狀態(tài)；接收串口命令和打印信息；InterpTASK進行插值和計算目標(biāo)位置，在手動關(guān)節(jié)插補體現(xiàn)；AnalyzeTASK負責(zé)示教模式下的自動計算運行位置；PlcSecondTASK通過PLC處理I/O口信息；ServoProcessorTASK處理伺服反饋信息。

圖9 任務(wù)啟動流程及優(yōu)先級

基于時間片輪番調(diào)度法，任務(wù)運行模塊對初始化任務(wù)按優(yōu)先級調(diào)度。任務(wù)進入就緒狀態(tài)后，通過任務(wù)調(diào)度運行。其中，若有中斷或其他任務(wù)進入，則執(zhí)行相應(yīng)程序。指定時間或反饋信息到達后，暫停任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。同時，也可在運行中刪除任務(wù)，讓其進入休眠狀態(tài)。任務(wù)轉(zhuǎn)換如圖10所示。

圖10 任務(wù)轉(zhuǎn)換圖

4 結(jié)論

本文針對打磨機器人對控制器運算能力強、實時性好等要求，設(shè)計機器人控制器軟件系統(tǒng)，再根據(jù)系統(tǒng)總體方案，分別對Boot Loader設(shè)計和內(nèi)核驅(qū)動進行設(shè)計，并對內(nèi)核驅(qū)動進行詳細說明。本文設(shè)計的機器人控制器軟件系統(tǒng)，可用于經(jīng)濟型打磨機器人，對其他品牌產(chǎn)品具有一定參考性。