摘? 要: 介紹了一種當前在國際上流行的工業(yè)控制總線——SERCOS總線,包括SERCOS總線的體系結構、工作原理、硬件組成、編程方法及其在一個機器人系統(tǒng)" title="機器人系統(tǒng)">機器人系統(tǒng)中的實際應用。
關鍵詞: SERCOS? 工業(yè)控制總線? 機器人系統(tǒng)
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對于機器人及其它運動控制系統(tǒng)來說,伺服系統(tǒng)是其關鍵部件之一。全數字的智能伺服系統(tǒng)具有精確度高、速度快、成本低等特點。數字控制單元和伺服系統(tǒng)之間通常需要一個高性能的數字接口,才能讓整個系統(tǒng)發(fā)揮最佳性能。SERCOS總線接口是一個高性能的數字接口,并且SERCOS總線標準是唯一一個有關運動控制的國際通信標準。
在SERCOS出現之前,數字通信協議由各伺服系統(tǒng)和制造廠家決定,是典型的封閉系統(tǒng),各廠家的產品沒有互換性。而SERCOS的出現克服了這一缺點。1995年,SERCOS接口協議被確定為國際標準" title="國際標準">國際標準,使開放系統(tǒng)成為現實,它有利于智能數控設備的集散控制,節(jié)省了設計和調試周期,同時使系統(tǒng)的可靠性大大提高。
由于SERCOS現場總線具有數據傳輸快、抗干擾性能好等一系列優(yōu)點而受到全球用戶的廣泛支持,當前國際上有很多著名的廠家和組織在推廣這一技術和成果。
1 SERCOS總線的體系結構
1.1 SERCOS總線國際標準簡介
SERCOS總線標準是國際標準化組織和國際電子技術委員會共同制定的一種數字接口國際標準。1995年12月制定了IEC61491標準,1998年8月制定了EN61491標準。
在SERCOS標準中,詳細定義了傳輸介質、拓撲結構、連接技術、信號、時序、過程、報文內容、數據格式等控制單元和伺服單元之間的接口細節(jié)。
SERCOS總線標準具有如下優(yōu)點:
(1)標準性
SERCOS標準是唯一一個有關運動控制的國際通信標準。其所有的底層操作、通信、調度等,都按照國際標準的規(guī)定設計,具有統(tǒng)一的硬件接口、通訊協議、命令碼IDN等。其提供給用戶的開發(fā)接口、應用接口、調試接口等都符合SERCOS國際通信標準IEC61491(1995)。
(2)開放性
SERCOS技術是由國際上很多知名的研究運動控制技術的廠家和組織共同開發(fā)的。SERCOS的體系結構、技術細節(jié)等都是向世界公開的。而且SERCOS產品都是按照國際標準設計,提供的所有功能都符合國際標準規(guī)定。
(3)兼容性
SERCOS接口卡的功能與支持它的操作系統(tǒng)、硬件平臺無關。不同公司的SERCOS接口卡之間可以相互替代,移植所花費的代價很小。
(4)實時性
SERCOS接口的國際標準中規(guī)定SERCOS總線采用光纖作為傳輸環(huán)路,支持2/4/8/16Mbit/s的傳輸速率。4Mbit/s基本上能夠滿足現在各種應用情況的數據傳輸要求。更高的傳輸速率(16Mbit/s)是為將來更高要求的實時數據傳輸而預先設計的。
(5)擴展性
每一個SERCOS接口卡可以連接8個節(jié)點,如果需要更多的節(jié)點則可以通過SERCOS接口卡的級連方式擴展。通過級連,每一個光纖環(huán)路上可以最多有256個節(jié)點。
SERCOS總線接口卡" title="總線接口卡">總線接口卡除了具有上述特點外,還具有抗干擾性能好、即插即用等其它優(yōu)點。
1.2 SERCOS總線接口卡的硬件組成
SERCOS總線接口卡的硬件模塊主要由以下部分組成:微處理器芯片μP、雙端口存儲器DPR、通信同步芯片SERCON、串行調試接口部件UART、EPROM或FLASH-EPROM、RAM等。
微處理器芯片μP是SERCOS接口卡的中央處理單元。該芯片運行固化在EPROM或者FLASH-EPROM中的程序,協調整個系統(tǒng)的各個部件的正常工作。同時具有系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、出錯處理、硬件復位等功能。
通信同步芯片SERCON是SERCOS總線接口卡通信同步模塊。該芯片同步NC控制單元(一般都是工控計算機)和伺服系統(tǒng)之間的數據通信硬件邏輯。實現NC和伺服驅動器" title="伺服驅動器">伺服驅動器之間的數據交換,負責數據輸入、輸出的協調和調度。
雙端口存儲器DPR是NC和伺服驅動器之間交換數據的媒介。NC傳給伺服驅動器的數據和命令放在DPR中,在適當的時候由 SERCANS模塊將其送給伺服驅動器;從伺服驅動器反饋回來的數據也放在DPR中,等待NC從中取走。
串行調試接口部件UART使用戶可以利用SERCOS調試程序,通過串行通訊口對系統(tǒng)進行調試。
EPROM或FLASH-EPROM固化了硬件運行的程序、算法、一些固定的設置數據等。需要重新更改的數據或者程序,SERCOS接口卡中都有一個EEPROM供修改和重新寫入。
1.3 SERCOS總線接口卡的工作原理
SERCOS在NC控制單元上有一個擴展的雙端口存儲器DPR,該部件是SERCOS和NC控制單元交換數據和命令的媒介。NC發(fā)給伺服系統(tǒng)的數據和命令首先放在DPR中,SERCOS會在工作周期中適當的時候將數據讀出、打包、發(fā)送到光纖環(huán)路上。伺服系統(tǒng)要傳給NC的數據和信息,首先打包通過光纖環(huán)路發(fā)給SERCOS,SERCOS將其解釋并在工作周期中的適當時候將數據和信息放在DPR中相應的地址。
微處理器單元運行存儲在EPROM 或者FLASH-EPROM中的程序,對整個SERCOS接口卡的各個模塊進行調度、控制和協調,并且監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如果系統(tǒng)發(fā)生錯誤,則進行故障診斷和錯誤處理等工作。
數據交換的協調和控制由SERCON芯片負責。SERCON芯片負責數據傳輸同步。圖1是SERCOS總線的工作時序圖。
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其中,MST是標志上一次SERCOS周期結束、本次SERCOS周期開始的信號,ATn是從伺服系統(tǒng)反饋到NC的數據包,MDT是NC發(fā)往伺服系統(tǒng)的數據報文。
整個系統(tǒng)的工作按周期進行,每一個周期稱為SERCOS周期。SERCOS周期根據SYNCIN和SYNCOUT信號的狀態(tài)變化,分為同步輸出和同步輸入兩個工作階段。
當SYNCOUT信號處于高電平階段,系統(tǒng)工作在同步輸出階段。SERCON模塊逐個接收所有伺服設備反饋的AT數據包并輸出到DPR。這一段時間稱為AT傳輸時間。
AT傳輸完成后經過一定的延時,SYNCIN產生一次跳變,SYNCOUT由高電平變到低電平,系統(tǒng)轉入同步輸入工作階段。在此階段中,NC從DPR中讀取伺服驅動器的反饋值,并向DPR寫入控制伺服驅動器的命令值。SERCON從DPR中讀取NC寫入的命令值并以MDT報文的形式發(fā)給伺服驅動器。完成這些工作后,SERCOS發(fā)出一個MST信號,標志一個SERCOS周期的結束和下一個SERCOS周期的開始。
1.4 SERCOS總線驅動軟件功能
SERCOS總線驅動軟件是指用來驅動SERCOS ASIC SERCON芯片的驅動程序SERCDRV。SERCDRV是和硬件、操作系統(tǒng)無關的。SERCDRV程序具有定義數據結構、硬件初始化、階段檢測、建立通信通道等功能。
用戶應用程序和伺服部分的交互包括數據流和控制流。數據流和控制流只有經過驅動程序SERCDRV的正常運行才能通過SERCON芯片進入光纖環(huán)路。
SERCDRV通過實現SERCOS國際標準IEC61491/EN61491規(guī)定的函數來擴展SERCON芯片的功能。包括以下幾個方面:
· 工作時需要的各種數據結構的定義;
· 系統(tǒng)初始化,例如:設置中斷向量、設置各種計數器、設置各種寄存器、初始化各種寄存器、初始化DPR等;
· 通過實時數據傳輸通道實現周期性數據的實時傳輸和反饋;
· 通過服務通道實現非周期數據的傳輸和反饋;
· 計算和設置通訊參數;
· SERCON的狀態(tài)緩沖池管理;
· 系統(tǒng)狀態(tài)檢測,從階段0到階段4,在每一個階段設置該階段的參數,然后進行檢測。如果檢測通過,則進行下一階段的測試。當順利通過階段4的檢測,說明系統(tǒng)一切正常,能夠進行正常工作;
· 建立和管理服務通道。
2 SERCOS總線技術在機器人系統(tǒng)中的應用
下面以本實驗室完成的“虛擬現實漫游平臺”項目為例來說明一下SERCOS總線技術在機器人系統(tǒng)中的應用。
虛擬現實漫游平臺是國家863基金資助的項目。該項目的目的是要建立一個虛擬現實漫游平臺,該平臺能夠讓人在虛擬環(huán)境中無限制漫游,而在實際環(huán)境中一直保持在平臺的中心。我們選擇雙機械臂來支撐人的雙腳,用一臺工控計算機實現對人的跟蹤和對系統(tǒng)的控制,用一臺圖形功能強的計算機來生成和管理虛擬場景,生成的虛擬場景輸出到人佩帶的虛擬現實頭盔。工控機和伺服驅動器之間的數據通信采用先進的SERCOS技術。對人腳運動的跟蹤采用高性能的PSD位置測量系統(tǒng)。
由以上介紹可以看到,本系統(tǒng)對實時性、安全性、抗干擾等性能具有高要求。由于SERCOS總線具有傳輸速度快、傳輸帶寬高、抗干擾性強、系統(tǒng)開放等優(yōu)點,我們采用SERCOS總線作為該機器人系統(tǒng)NC與伺服系統(tǒng)之間的傳輸總線,具體選擇德國Indramat公司開發(fā)的SERCOS總線接口卡SCS-P01。
整個系統(tǒng)按照層次結構分為NC控制層、SERCOS接口層、運動執(zhí)行層等三層。
2.1 NC控制層
NC控制層主要由工控計算機和運行在上面的軟件構成,負責系統(tǒng)的整體控制。下面介紹各個模塊的功能。
總控程序模塊:負責整個系統(tǒng)中各個程序模塊的控制和調度。
I/O控制模塊" title="控制模塊">控制模塊:負責傳感器等元件的控制以及查詢傳感器和限位開關的狀態(tài)。
A/D采集模塊:負責采集PSD的數據,并且進行數據的分析和處理,將數據送給軌跡規(guī)劃模塊。
軌跡規(guī)劃模塊:根據傳來的數據規(guī)劃出實時數據序列。
命令控制模塊:負責按照非實時模式執(zhí)行一些SERCOS接口卡命令。
監(jiān)測控制模塊:負責系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測和錯誤類型的診斷,并且對錯誤進行處理。
2.2 SERCOS接口層
SERCOS總線接口卡通過EISA總線連接到工控機上,并通過光纖環(huán)路與機器人伺服機構相連。這樣,它就作為傳輸總線將工控機和機器人伺服機構連接起來。SERCOS總線提供給工控機和機器人伺服機構5條通信通道,用以傳輸數據流和控制流。
(1)實時數據傳輸通道:該通道由命令值通道和實際值通道兩個通道組成。命令值通道將軌跡規(guī)劃模塊規(guī)劃出的實時數據傳輸到伺服系統(tǒng),實際值通道向軌跡規(guī)劃模塊實時反饋機器人系統(tǒng)的各個命令(如位置、速度、加速度等)的當前時刻實際值。
(2)命令通道:命令控制模塊通過該通道向伺服驅動器傳輸命令號,啟動伺服驅動器的內部命令或函數。
(3)NC服務通道:命令控制模塊通過該通道向伺服驅動器傳輸要求不高的非實時或者實時性數據和命令。
(4)監(jiān)測診斷通道:監(jiān)測診斷模塊通過該通道監(jiān)測伺服機構和執(zhí)行機構,傳輸故障信息數據。
(5)MMI服務通道:該通道是SERCTOP調試程序和伺服機構之間的交互通道。
2.3 運動執(zhí)行層
運動執(zhí)行層實際上綜合了伺服驅動、狀態(tài)檢測、機械執(zhí)行三部分。伺服系統(tǒng)根據SERCOS傳輸來的數據和命令控制電機的運動,從而控制機械部分。狀態(tài)檢測主要包括PSD和各種傳感器對機械狀態(tài)的檢測。
我們將SERCOS總線技術應用在機器人系統(tǒng)中,整體性能良好,系統(tǒng)的實時性和抗干擾性能效果明顯。由于SERCOS技術遵循SERCOS國際標準,所有的SERCOS接口卡都支持國際標準提供的一套IDN命令集,因此整個系統(tǒng)的設計結構清晰靈活,容易編碼、調試和維護。并且同一套程序在不同SERCOS接口卡上移植非常方便。特別是Indramat的SERCOS接口卡將傳輸通道分成五條,性質不同的任務分別利用相應的傳輸通道。這種劃分更加有利于系統(tǒng)體系的設計,以及系統(tǒng)體系的結構化、模塊化。
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參考文獻
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