基于Internet遠程串口通信實現(xiàn)機械手遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計

引言

網(wǎng)絡(luò)化操作和遠程控制成為很多企業(yè)和科研機構(gòu)鉆研的方向，要實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備進行管理和控制，就需要與這些設(shè)備進行通訊連接，進行相關(guān)數(shù)據(jù)交換，以達到管理、控制和監(jiān)控的目的。同樣嵌入式領(lǐng)域中，為了達到遠程監(jiān)控，也必須基于網(wǎng)絡(luò)。在水下或者惡劣環(huán)境作業(yè)的機械手，在特定的時候需要遠程控制。網(wǎng)絡(luò)遠程控制機械手進行作業(yè)成為了可能。

在遠程控制中，通信是值得討論的技術(shù)問題。傳統(tǒng)的通信只是局限于脫離網(wǎng)絡(luò)的通信，如兩個PC機之間通信，或者是上位機為PC機，下位機為單片機。在遠程控制機械手系統(tǒng)中，采用的是基于Internet的遠程串口通信，遠程串行通訊是指客戶端與下位機或通訊對象之間通過串口進行的遠距離通訊，而傳統(tǒng)的遠程通訊只是它其中的一部分，通過客戶端傳送指令給下位機至控制部件，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

1、遠程串口通訊系統(tǒng)的基本構(gòu)架及實現(xiàn)

（一）基本構(gòu)架概述

在軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，C/S和B/S是當(dāng)今世界開發(fā)模式技術(shù)架構(gòu)的兩大主流技術(shù)。

C/S模式采用的是兩層體系結(jié)構(gòu)，即客戶端和服務(wù)器，通過該架構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實現(xiàn)，客戶端進行顯示界面和事務(wù)處理，服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理和應(yīng)答請求處理。在客戶端需要安裝客戶端軟件才能訪問服務(wù)器。不但軟件升級不便，而且也增加了客戶端的負載和投資成本。

B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是隨著Internet技術(shù)的興起，對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)， 數(shù)據(jù)處理則由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行，形成所謂三層結(jié)構(gòu)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本，但僅在B/S模式下還不能直接實現(xiàn)與被控對象進行數(shù)據(jù)通訊。

基于B/S模式實現(xiàn)與被控對象進行數(shù)據(jù)通訊的遠程串行通訊采用四層體系結(jié)構(gòu)，增加了一個控制層，瀏覽器端為表示層，WEB服務(wù)器為功能層，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為數(shù)據(jù)層，控制層為通過WEB服務(wù)器傳送指令到控制服務(wù)器，控制服務(wù)器作為上位機，通過串口控制下位機，直到控制執(zhí)行部件。這里不僅增加了控制層，而且對功能層和數(shù)據(jù)層也都進行了擴展。這種體系結(jié)構(gòu)即具有B/S模式的優(yōu)良特性，又增加了控制服務(wù)功能，充分利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和工業(yè)現(xiàn)場資源，并且使兩者有機地結(jié)合在一起，達到了與被控設(shè)備通過串口進行遠程通訊的目的。表示層、功能層、數(shù)據(jù)層和控制層既有一定的相互聯(lián)系又具有相對獨立性，各層是通過Internet相連接，通過HTTP協(xié)議和串口通訊協(xié)議進行信息通訊。如圖1所示

（二）遠程串口通訊各部件的功能及實現(xiàn)

（1）瀏覽器端：用戶通過瀏覽器登陸web服務(wù)器，通過輸入用戶名和密碼，和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)比較驗證通過后，成為合法的用戶，然后在相應(yīng)的表單中輸入控制數(shù)據(jù)。按提交按鈕后，數(shù)據(jù)傳送到web服務(wù)器。瀏覽器端再作為顯示端，能夠顯示遠程執(zhí)行部件的反饋位置。

（2）WEB服務(wù)器：能夠接收瀏覽器端發(fā)送過來的控制數(shù)據(jù)，并處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)發(fā)送給控制服務(wù)器，或者直接作為控制服務(wù)器，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給執(zhí)行部件。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端：存放合法用戶的用戶名和密碼，以進行檢驗。同時，在發(fā)送執(zhí)行數(shù)據(jù)時，如果需要特定的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，也可直接到數(shù)據(jù)庫中獲取。實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，并把運行結(jié)果反饋給web服務(wù)器。

（4）控制服務(wù)器：作為直接通過串口發(fā)送命令給執(zhí)行部件的上位機，或者直接由web服務(wù)器本身擔(dān)任。接收web服務(wù)器從瀏覽器端接收過來的數(shù)據(jù)。通過串口通訊協(xié)議及握手信號，把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機。

（5）下位機：通過串口通訊協(xié)議接收控制服務(wù)器（上位機）的執(zhí)行數(shù)據(jù)，再通過相應(yīng)的驅(qū)動電路，帶動執(zhí)行部件工作。

（6）執(zhí)行部件：按照傳送過來的指令進行工作，并通過傳感器把當(dāng)前執(zhí)行部件的位置和姿態(tài)化作數(shù)據(jù)再通過串口回送到控制服務(wù)器，直至到達瀏覽器端，使得用戶不在執(zhí)行部件的現(xiàn)場也可以遠程控制并得到部件執(zhí)行之后的效果

在瀏覽器中，登陸驗證后，通過HTTP協(xié)議，把數(shù)據(jù)傳送給web服務(wù)器，再傳給控制服務(wù)器?？刂品?wù)器作為上位機，打開串口，通過通訊協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機。下位機根據(jù)通訊協(xié)議，收到上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并啟動D/A轉(zhuǎn)換器，控制執(zhí)行部件。同時通過傳感器把執(zhí)行部件的姿態(tài)反饋給上位機。下位機可以為單片機、DSP、ARM等微處理器。

2、遠程控制作業(yè)機械手系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于web的機械手的遠程控制，在高溫、水下等惡劣的工作環(huán)境下，需要遠程控制機械手實行操作。在遠程通過瀏覽器輸入操縱數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給主控機，主控機采用一般的PC機，主控機通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機，該作業(yè)機械手系統(tǒng)中采用89C51單片機作為直接控制計算機?，F(xiàn)場通過監(jiān)控設(shè)備把作業(yè)機械手的姿態(tài)反饋到遠程控制機，同時通過傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)返回到控制機。圖2為遠程控制作業(yè)機械手的系統(tǒng)示意圖。

在瀏覽器端登陸主控機擔(dān)當(dāng)?shù)姆?wù)器，取得合法身份驗證之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。主控機收到信息后，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)給直接控制機89C51。

（一） 單片機系統(tǒng)的硬件組成部分

（1） 以89C51為微處理器的為核心，擴展RAM6254、鎖存器、時鐘電路、復(fù)位電路等。

（2） 串口通訊電路：主控機向89C51傳送數(shù)據(jù)時，采用串口通信，常用的串行通信總線接口是美國電氣協(xié)會EIA制定的RS-232C。鑒于單片機串行口TXD，RXD均為TTL電平，而PC機配置的是RS-232C標(biāo)準串行接口，在應(yīng)用時，必須進行電平轉(zhuǎn)換。在作業(yè)機械手控制系統(tǒng)中，采用MAX232作為接口轉(zhuǎn)換芯片。

（3） 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：通過串口，主控機把機械手的動作指令數(shù)據(jù)發(fā)送給89C51，89C51通過總線把數(shù)據(jù)發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)端口，在該系統(tǒng)中采用DA0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。

（4） 驅(qū)動電路：機械手的作業(yè)動力來自液壓系統(tǒng)，采用伺服閥來實現(xiàn)對機械手的回路控制，為驅(qū)動伺服閥，設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路

（5） 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：用角度電位計和位移傳感器采集機械手的實際操作數(shù)據(jù)，傳感器標(biāo)定之后，采集的位移量和角度模擬信號要轉(zhuǎn)換數(shù)字信號傳送給89C51，再向上發(fā)送，該系統(tǒng)中采用AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。

（二） 主控機與單片機軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1） 主控機程序

主控機由PC機擔(dān)任，用VC++開發(fā)操縱界面，通過串口控件MSComm對串口通訊協(xié)議進行串口初始化，從后臺數(shù)據(jù)庫SQLServer中提出從WEB發(fā)送的控制機械手的數(shù)據(jù)，控制機械手各個關(guān)節(jié)的執(zhí)行的角度量，同時等待接收89C51回送回來的數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

（2） 89C51單片機主程序

89C51作為直接控制計算機，用C語言來編寫主程序，初始化串口，分配內(nèi)存緩沖區(qū)存放接收數(shù)據(jù)，開中斷，等待外部以中斷形式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。89C51的主程序流程圖如圖4所示。

（3） 89C51中斷處理子程序

中斷子程序中首先清除中斷標(biāo)志，然后判斷是接收還是發(fā)送引起的中斷，根據(jù)相應(yīng)的中斷源進行處理。89C51中斷處理子程序的流程圖如圖5所示。

3、結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點在于把89C51單片機與機械手的作業(yè)聯(lián)系起來，通過網(wǎng)絡(luò)遠程通信達到了遠程控制機械手實驗室的實現(xiàn)，為遠程控制作業(yè)的研究提供了一個具體的實例參考，目前該系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)到主控機，存儲在數(shù)據(jù)庫中，需要手工在主控機調(diào)動數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對機械手的控制。能夠完全脫離人的介入，直接通過網(wǎng)絡(luò)來控制作業(yè)還在進一步的研究中。實驗應(yīng)用和市場證明，在網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化的今天和未來，遠程通信必將出現(xiàn)在未來的人類生活中，有可觀的研究意義和實用價值。

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