在許多微機應(yīng)用領(lǐng)域中，PC機的速度和功能往往不能滿足需要。特別是在多任務(wù)工作環(huán)境下，各任務(wù)只能分時工作。因此，要想在單處理器情況下進行多任務(wù)工作，則在實時性上存在問題。由于機器人特殊的結(jié)構(gòu)，工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)卻需要承擔規(guī)劃和伺服控制兩套任務(wù)。這兩套任務(wù)又必須保持實時高速的通訊，并由一個主系統(tǒng)支配。這就決定了其控制器結(jié)構(gòu)必須是緊耦合的多機系統(tǒng)。
　　精密Ⅰ號是我國1995年自行研制的高精度精密裝配機器人。原有系統(tǒng)的下位機為采用MultiBus總線的Intel iSBC386單板機，采用8038DX芯片，主頻20MHz。該系統(tǒng)采用iRMX Ⅲ實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，基本上滿足了精密Ⅰ號機器人控制的需要。但是該系統(tǒng)存在以下問題：(1)386的運算能力已經(jīng)遠遠落后于當前的硬件水平。由于機器人運動學、動力學運算任務(wù)繁重，原有系統(tǒng)只能勉強作帶動力學前饋的簡單PID控制。否則必須延長伺服中斷時間，犧牲控制精度。(2)原有系統(tǒng)采用iRMX Ⅲ非主流操作系統(tǒng)，不但價格較貴，而且可以利用的軟、硬件資源匱乏。其下的程序編譯需要有專門的編譯系統(tǒng)，編譯過程復雜。這些都不利于高級控制策略的程序?qū)崿F(xiàn)和調(diào)試，不利于深入研究和實際推廣。(3)原有系統(tǒng)的控制、驅(qū)動、信號接口等環(huán)節(jié)在可靠性和開放性方面也存在很多問題。由于機型和操作系統(tǒng)的非主流性，可利用的代換硬件和程序很難得到，需要專門人才，致使維修困難。
　　因此，我們采用研華雙系統(tǒng)背板奔騰333工控機重建了計算機控制系統(tǒng)。雙系統(tǒng)背板在一個機箱內(nèi)集成了兩套PC系統(tǒng)，很適合機器人控制所需的上、下位機結(jié)構(gòu)。雙系統(tǒng)分別進行機器人的規(guī)劃和伺服控制，通過雙口RAM進行通訊，構(gòu)成一主一從的緊耦合多機系統(tǒng)。此外，重新設(shè)計了基于ISA總線的電機伺服擴展卡等硬件接口。
　　在驅(qū)動系統(tǒng)方面，精密Ⅰ號采用新型變磁阻類步進電機直接驅(qū)動。為了提高電機功率放大器的負載能力和可靠性，對原系統(tǒng)部分器件也作了更新。
1 帶Semaphore邏輯單元的雙口RAM的應(yīng)用
　　由于控制系統(tǒng)寬帶及靈活性，雙口RAM被廣泛用于連接多機系統(tǒng)。為了避免讀寫沖突，目前的雙口RAM產(chǎn)品集成了以下三種仲裁方法：(1)利用優(yōu)先權(quán)仲裁，產(chǎn)生Busy信號，延緩一方的讀寫周期。(2)采用中斷邏輯構(gòu)成CPU間的信號連接，協(xié)調(diào)讀寫操作。(3)采用Semaphore邏輯，將雙口RAM的讀寫權(quán)暫時交給首先申請的一方，禁止另一方的操作。本文采用了第三種方法，選用帶Semaphore邏輯單元的IDT71342雙口RAM芯片。
　　帶Semaphore邏輯單元的雙口RAM使得讀寫操作不依賴其它仲裁邏輯，Semaphore邏輯單元和雙口RAM單元在結(jié)構(gòu)上是完全獨立的。Semaphore邏輯單元用八個鎖存器傳遞信號，和RAM一樣是雙口。它經(jīng)過特殊設(shè)計，不會同時響應(yīng)兩個設(shè)置，只有置位的一端可以釋放它，因此提供了一個傳遞分配標記的硬件方法?？梢詮膬啥藢︽i存器設(shè)置標記，表示對雙口RAM某部分的使用權(quán)。所表示的占用RAM區(qū)的位置、大小均由軟件決定。Semaphore單元的簡化原理如圖1。

　　和其它兩種雙口RAM相比，本文的精密Ⅰ號控制器上采用Semaphore邏輯有以下優(yōu)點：(1)可以對一個大型數(shù)據(jù)表作刷新，而不用考慮被另一端干擾。(2)在進行數(shù)據(jù)塊讀寫時避免了Busy邏輯不斷引起的wait周期，提高了快速性；讀寫長整數(shù)時不會被誤讀。(3)可以利用Semaphor e信號表示其它意義的接口信號。
2 讀碼和伺服電路設(shè)計
　　從機器人本體來的信號主要有四個關(guān)節(jié)的增量碼盤信號，一、二關(guān)節(jié)的絕對碼盤信號、手爪氣閥反饋信號、力傳感器反饋信號等。所需的控制信號是四個電機的三相PWM輸入。機器人一、二關(guān)節(jié)采用雙定子變磁阻類步進電機直接驅(qū)動；三、四關(guān)節(jié)則用一種較特殊的三相直流無刷電機直接驅(qū)動，其本身不帶自動換向電路，需由計算機根據(jù)碼盤反饋改變電流，目的是減少力矩波動。此外還有關(guān)節(jié)抱剎開合、手爪開合等驅(qū)動信號。
　　根據(jù)上述信號制成兩塊ISA總線擴展卡，主要功能是完成碼盤信號(增量碼盤信號和絕對碼盤信號)輸入/輸出，產(chǎn)生驅(qū)動電流輸出給電機，以及完成電路自身的故障診斷和自我保護。
　　每塊卡產(chǎn)生兩個關(guān)節(jié)驅(qū)動器三相PWM信號的輸出信號和驅(qū)動器上電、復位、故障檢測等I/O動作信號。增量碼盤脈沖的A，B，Z信號經(jīng)D觸發(fā)器整形后作四倍頻處理，以提高精度。16位計數(shù)器根據(jù)A、B的相位作正負雙向計數(shù)，計數(shù)值可由Z脈沖及電路板時鐘脈沖鎖存。絕對碼盤共32個區(qū)，每區(qū)為周向七位編碼，最后一位是奇偶校驗，需要讓各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時才能讀出。其輸出為開關(guān)信號，由一路I/O口接入。電機MOSFET驅(qū)動器所需的三相PWM信號由四片8254產(chǎn)生，并經(jīng)OC門電路輸出。在原有驅(qū)動器上，我們用IRF250替換IRF640，并用2110替換MOSFET主回路H橋部分原有分離器件，提高了MOSFET的充、放電速度和驅(qū)動器的驅(qū)動能力。電路框圖如圖2。PWM信號傳送到H橋MOSFET IRF250構(gòu)成的功率驅(qū)動器，驅(qū)動電機。

3 系統(tǒng)軟件研制
　　PC機是在MS－DOS或Windows操作系統(tǒng)下工作的。MS－DOS是一個單任務(wù)操作系統(tǒng)，Windows則是分時多任務(wù)，均不能滿足機器人規(guī)劃、伺服同時進行的要求。為此，必須開發(fā)一個協(xié)調(diào)上、下位機各任務(wù)工作的實時監(jiān)控程序，它作為DOS或Windows下的一個應(yīng)用程序分別在兩個系統(tǒng)上運行。
　　本系統(tǒng)的軟件主要由機器人語言編譯模塊、多任務(wù)監(jiān)控模塊、雙系統(tǒng)握手通訊模塊、伺服控制模塊四部分構(gòu)成，如圖3。