基于PLC控制下的無線遙控手持操作器

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。

簡介

單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。

單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在產品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機等 。

應用分類

單片機（Microcontrollers）作為計算機發(fā)展的一個重要分支領域，根據發(fā)展情況，從不同角度，單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

通用型

這是按單片機（Microcontrollers）適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。

總線型

單片機

單片機

這是按單片機（Microcontrollers）是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機普遍設置有并行地址總線、 數(shù)據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。

控制型

這是按照單片機（Microcontrollers）大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一種適用性強的工業(yè)用控制器，廣泛應用于各類工業(yè)生產線，移動機械設備的控制等環(huán)境較惡劣的工業(yè)場合。其工作性能穩(wěn)定，可擴展性強，應用簡便。根據不同的模塊配置，可以進行邏輯及算數(shù)運算，對數(shù)字開關量、模擬量等進行控制和采集，同時具有豐富的總線接口形式，可以利用公開的協(xié)議與不同設備構成復雜的系統(tǒng)。在我們所研制的工業(yè)機械手中，各關節(jié)由比例閥或開關閥構成開環(huán)液壓控制回路，實現(xiàn)比例調速或開關動作，因此我們選用了西門子的S7-200系列PLC作為其控制器。

在一些環(huán)境復雜的應用場合，尤其是對于移動機械設備，控制系統(tǒng)的布線受到諸多限制，操作人員與控制系統(tǒng)的位置安排不方便。因此，具有高度靈活性的無線遙控操作系統(tǒng)的應用得到了推廣。目前工業(yè)上應用的無線遙控操作系統(tǒng)一般采用無線電數(shù)字傳輸方式。一些芯片廠商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各種適應于不同場合和要求的RF芯片［3》。

無線數(shù)傳模塊是一種集成式的專用于無線數(shù)據收發(fā)的模塊，可直接通過數(shù)據總線與其它控制、采集等模塊連接完成無線數(shù)據收發(fā)功能，廣泛應用于工業(yè)遙控、遙測，無線抄表，自動化數(shù)據采集等場合。具有可靠性高，功耗低，協(xié)議透明使用方便等優(yōu)點。傳輸距離可以達到幾十至上百米，有些甚至可以到上千米的距離。目前很多廠商推出了工業(yè)化、系列化的產品，可以根據不同的使用場合和要求選擇合適的產品。

目前一些廠家推出了專用的基于嵌入式處理器的工業(yè)用無線遙控器，其性能優(yōu)異，集成度高。如HBC、JAY等，應用于混凝土泵車、裝載機等場合。但由于其一般針對專用工程設備，不具有較好的通用性及可擴展性，且主要是國外廠家，價格高昂，其應用推廣受到限制。

在我們研制的多關節(jié)工業(yè)機械手中，采用PLC作為其主控制器，完成對液壓泵站和各關節(jié)液壓閥的開關及比例控制，實現(xiàn)機械手的基本功能。采用無線數(shù)傳模塊通過無線通信方式收發(fā)數(shù)字信號，實現(xiàn)遠程無線遙控功能，所設計的手持遙控器的輸入開關量及模擬量由16位單片機采集并編碼輸出。

總體方案

該機械手用于巷道內進行混凝土噴漿作業(yè)，有自動和手動操作兩種模式。自動模式下，PLC控制機械手各關節(jié)按程序預定的軌跡運動，調整機械手末端的方位與角度，使噴漿噴頭按設定軌跡運動，且始終垂直于受噴的巷道面，完成巷道表面的噴漿作業(yè)。手動模式下，由操作員分別采用按鈕和比例搖桿對開關閥和比例閥進行控制，驅動各關節(jié)運動，控制混凝土噴頭的方位及角度。其中按鈕控制泵站的啟停及開關閥的方向切換，比例搖桿則根據操作人員的控制，形成一個±10V范圍內的模擬量，比例閥根據模擬量的大小及方向，控制關節(jié)運動速度的大小及方向。

手持操作器的設計

手持操作器的功能為通過處理器的數(shù)字IO及AD功能檢測按鈕及搖桿上的操作輸入，并將轉換后的數(shù)字信號進行編碼后形成控制指令，通過無線數(shù)傳模塊發(fā)出。

XC166系列單片機是英飛凌科技（Infineon）的16位微控制器產品，其優(yōu)異的內核結構，高效的指令集，以及不斷擴充更新的產品線，使其廣泛應用于汽車電子、工業(yè)控制和信息技術領域。該系列單片機具有豐富的接口模式，如14通道10位AD變換器，同步/異步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模塊，79個IO引腳等，并可與各種設備組成通訊網絡。同時，該系列單片機適應于惡劣的工業(yè)環(huán)境，工作溫度可在-40～125°C。［6》針對我們所設計的手持操作器的功能，我們選擇了XC166系列中的XC164CS型單片機。這樣只需附加極少的外圍硬件，就可以實現(xiàn)所需的功能，同時，使該遙控器具有工作性能穩(wěn)定和易于進行功能擴展的優(yōu)點。

手持操作器的功能模塊主要包括AD采樣功能，即采集搖桿操作產生的比例控制電壓;數(shù)字IO功能，即采集按鈕操作狀態(tài)和進行一些功能狀態(tài)顯示;通訊功能，即定時地將采集到的控制指令按規(guī)定的格式編碼后通過串口以無線的方式發(fā)送。

手持操作器由電池供電，XC166系列單片機及無線數(shù)傳模塊可以滿足低功耗的要求。

數(shù)據可靠性

無線遙控操作系統(tǒng)必須保證數(shù)據傳輸?shù)母呖煽啃院涂刂频陌踩裕苊獍l(fā)生失控和錯誤控制指令現(xiàn)象，本系統(tǒng)主要通過以下幾方面來保證：

無線數(shù)傳模塊的高抗干擾能力和低誤碼率，高效前向糾錯信道編碼技術;

串行通訊協(xié)議校驗，一般采用奇偶校驗;

軟件協(xié)議校驗;通過軟件編程，對發(fā)送的數(shù)據進行校驗，可采用CRC校驗、交互確認或多次發(fā)送對比的方式。在我們的程序中采用同一動作指令重復發(fā)送的方式，只有命令指令與確認指令完全相同，PLC才接受指令，否則忽略此指令。這樣就完全避免了通信所產生的錯誤指令;

PLC的“軟件看門狗”;在PLC程序中設置定時程序，當超時未收到無線指令時，停止機械手動作，防止由于通訊中斷而使機械手失控;

通過以上四個措施，可以有效地保證無線遙控的可靠性，防止產生錯誤操作指令或機械手失控。

5.結論

通過試驗證明，這種采用PLC和無線數(shù)傳模塊的遙控方式簡單可行，由于PLC及數(shù)傳模塊都有成熟的工業(yè)化產品，可靠性高，成本低，擴展性好，因此本方案具有較高的實用價值，簡化了設計過程。但手持操作器中的單片機模塊尚需進一步的工業(yè)化設計，以達到更高的工業(yè)可靠性要求，并實現(xiàn)總線通信、自檢驗等更多功能。

本文作者創(chuàng)新點：通過設計一種新的架構體系，利用工業(yè)化的無線數(shù)傳模塊，將PLC控制與無線遙控結合起來，使機械手控制系統(tǒng)能夠兼具二者的優(yōu)點，降低了成本、滿足了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、兼容性及無線控制的要求。