激光加工機(jī)器人通信協(xié)議設(shè)計(jì) - 全文

　　機(jī)器人目前應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。我們知道，機(jī)器人的指令需要我們來提供。目前，工業(yè)機(jī)器人的指令一般都是通過示教盒輸入的。示教盒提供了簡(jiǎn)單的人機(jī)界面，可以幫助完成簡(jiǎn)單的示教任務(wù)。但在許多應(yīng)用中，僅通過示教輸入是無(wú)法滿足要求的。在激光加工機(jī)器人系統(tǒng)中，要給機(jī)器人的指令多達(dá)幾萬(wàn)條，而且指令的參數(shù)不能示教得到，是由其他測(cè)量系統(tǒng)提供的。在這種情況下，需要通過上位機(jī)給機(jī)器人控制器發(fā)送指令。這就需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器和上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。機(jī)器人指令有固定格式，機(jī)器人通信有其特殊性。為了保證通信的可靠性，提高通信效率，可根據(jù)機(jī)器人通信特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議，并制作了專用的、更適合于工業(yè)應(yīng)用的上位機(jī)通信控件。

?????? 1 機(jī)器人主控計(jì)算機(jī)

?????? 機(jī)器人控制器中最重要的是主控計(jì)算機(jī)。在激光加工機(jī)器人中，主控計(jì)算機(jī)采用基于PC總線S 104/486DX工業(yè)控制級(jí)嵌入式單板計(jì)?
算機(jī)，其核心是AMD 80486 DX微處理器。主控計(jì)算機(jī)提供串行接口，可以和它進(jìn)行串口通信。主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信息處理由機(jī)器人控制器操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VRTXsa來實(shí)現(xiàn)，它具有很好的實(shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)具有完善的任務(wù)管理機(jī)制。

?????? 2 激光加工機(jī)器人通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

?????? 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令來自通信系統(tǒng)。在我們的通信系統(tǒng)中，主要包括上位機(jī)應(yīng)用程序、串口控件、串口和機(jī)器人主控計(jì)算機(jī)(下稱下位機(jī))。上位機(jī)應(yīng)用程序產(chǎn)生指令，通過控件訪問串行端口，將指令傳給下位機(jī)。下位機(jī)收到指令后，對(duì)指令進(jìn)行分析處理。對(duì)于下位機(jī)來說，這些指令分兩種:一種是解釋執(zhí)行指令，需要進(jìn)入命令隊(duì)列，排隊(duì)執(zhí)行，占用緩存;另一種是立即執(zhí)行指令，不需要進(jìn)入隊(duì)列，不占用緩存。對(duì)于解釋執(zhí)行指令，下位機(jī)收到后，把指令放入隊(duì)列后馬上返回應(yīng)答。對(duì)于立即執(zhí)行指令，先執(zhí)行該指令，然后才返回應(yīng)答。查詢指令屬于立即執(zhí)行指令，下位機(jī)除了返回命令在命令字外，還同時(shí)返回相應(yīng)的數(shù)值。上位機(jī)根據(jù)返回的應(yīng)答判斷通信的狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

?????? 3 通信協(xié)議

????? 我們的激光加工機(jī)器人通信系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

????? 1)機(jī)器人只會(huì)按指令進(jìn)行工作，如果指令有問題，將會(huì)帶來不可預(yù)測(cè)的后果。所以對(duì)于我們的通信系統(tǒng)來說，可靠性、安全性是首要的。

?????? 2)機(jī)器人工作環(huán)境比較惡劣，各種干擾比較大。通信的抗干擾能力、錯(cuò)誤處理的能力非常重要。

?????? 3)為了提高加工效率，希望機(jī)器人能以較快的速度進(jìn)行工作。

?????? 為避免機(jī)器人出現(xiàn)“空指令”，通信速度要跟得上。基于機(jī)器人通信系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，上位機(jī)和它進(jìn)行通信，必須滿足其特定的要求。我們采用如下的通信方式:

?????? (1)主從方式。上位機(jī)為主機(jī)，下位機(jī)為從機(jī)。一般情況下，下位機(jī)不能主動(dòng)給上位機(jī)發(fā)送信息。只有上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)出指令后，下位機(jī)才能作出應(yīng)答。這樣通過上位機(jī)，我們就可以很好地控制整個(gè)通信過程。

?????? (2)數(shù)據(jù)幀方式。采用數(shù)據(jù)幀的方式，有利于保證數(shù)據(jù)包的完整性，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理。在我們的通信系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)均采用相同的協(xié)議對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、解包。我們自己定義幀頭為eb 90 82，幀尾為9082，幀標(biāo)志為f0。另外規(guī)定，有效數(shù)據(jù)中若出現(xiàn)90，則雙寫90，用以區(qū)別幀尾中的900數(shù)據(jù)幀格式如下所示:

????????????????? ｛幀頭一幀標(biāo)志一通信數(shù)據(jù)一幀尾一校驗(yàn)字}

?????? 另外，在我們的通信過程中，要處理各種不同類型的數(shù)據(jù)，包括char' , short型、float型、byte型等，在有效數(shù)據(jù)前加入標(biāo)識(shí)符來識(shí)別它們。如f0 06表示6個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，f3 05表示5個(gè)字符。
?(3)校驗(yàn)和。這是一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的校驗(yàn)方式。在上位機(jī)發(fā)送指令前，自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)的和，并將它附在數(shù)據(jù)幀的末端，一起發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)幀后，先解包，然后再計(jì)算一次數(shù)據(jù)和，用它與數(shù)據(jù)幀末端的校驗(yàn)和進(jìn)行比較。反之亦然。使用這種方式可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是否發(fā)生了變異。

?????? (4)自動(dòng)重發(fā)機(jī)制。下位機(jī)在接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀時(shí)，將會(huì)把該數(shù)據(jù)幀遺棄掉，同時(shí)向上位機(jī)返回錯(cuò)誤碼報(bào)錯(cuò)。這時(shí)候，該幀數(shù)據(jù)需要重新發(fā)送。如果把重發(fā)任務(wù)交給應(yīng)用程序，程序?qū)⒆兊帽容^復(fù)雜。我們把這個(gè)任務(wù)交給控件，可以很輕松的實(shí)現(xiàn)重發(fā)功能。在控件內(nèi)部，當(dāng)新的數(shù)據(jù)發(fā)送之前，都將數(shù)據(jù)做一個(gè)備份，直到確認(rèn)接收正確了，才將其消除。如果發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤，將其再次發(fā)出去。

?????? (5)應(yīng)答方式。在通信過程，下位機(jī)對(duì)上位機(jī)每一幀數(shù)據(jù)都必須做出的應(yīng)答。上位機(jī)根據(jù)返回的應(yīng)答判斷通信狀態(tài)，然后進(jìn)行下一步動(dòng)作。為了安全起見，規(guī)定只有在確認(rèn)前一包指令正確應(yīng)答之后，才可以發(fā)下一包指令。對(duì)于非查詢指令(包括全部解釋執(zhí)行指令和部分立即執(zhí)行指令)，下位機(jī)收到后，返回該指令的命令字;對(duì)于查詢指令，除了返回命令字之外，同時(shí)還返回查詢數(shù)據(jù)，如機(jī)器人的位置、各軸轉(zhuǎn)角等。如果下位機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀有問題，如無(wú)幀頭、校驗(yàn)和錯(cuò)等，則返回相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。上位機(jī)在發(fā)送指令的時(shí)候，同時(shí)記錄下了該指令的命令字。在接收到下位機(jī)返回的應(yīng)答后，將其中的命令字與保留的命令字比較，如果一樣，則說明發(fā)送正確，可以發(fā)送下一條指令;反之，則說明指令發(fā)送有問題，根據(jù)錯(cuò)誤碼進(jìn)行錯(cuò)誤處理，并重發(fā)當(dāng)前指令包。指令的發(fā)送和應(yīng)答的接收過程如圖1所示。

???????????????????????

?

?????? (6)成組指令發(fā)送方式。由于機(jī)器人的運(yùn)行速度很快，為了能保證指令發(fā)送速度能跟上運(yùn)行速度，因此在一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)里同時(shí)發(fā)送了多條指令，而下位機(jī)只需應(yīng)答第一條指令。這樣就減少了應(yīng)答時(shí)間，提高了指令的發(fā)送速度。實(shí)際應(yīng)用中，我們采用7條指令一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，結(jié)果顯示，速度快了大約37。為了安全和處理方便，控件只允許解釋執(zhí)行指令成組發(fā)送，對(duì)于立即指令，只能發(fā)送單指令數(shù)據(jù)報(bào)。

?????? 4 通信的實(shí)現(xiàn)

?????? 4.1 下位機(jī)通信任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

?????? 在實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，一項(xiàng)工作的完成往往需要通過多個(gè)任務(wù)(中斷)共同完成的。這需要各任務(wù)及中斷協(xié)調(diào)動(dòng)作，相互配合，甚至進(jìn)行通信。VRTXsa提供了郵箱(mailbox),隊(duì)列(queue)、事件標(biāo)志(event flag)、信號(hào)量(semaphore)互斥體(mutexes) 5種通信機(jī)制。在下位機(jī)通信系統(tǒng)中，通信工作由串口2中斷、時(shí)鐘中斷、監(jiān)控任務(wù)、顯示任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)等共同協(xié)調(diào)完成的。如圖2所示。

???????????????????

?

?????? 機(jī)器人收到上位機(jī)的指令后，串口2中斷發(fā)生，它的中斷服務(wù)程序啟動(dòng)。它將設(shè)置中斷同步標(biāo)志，觸發(fā)串口2任務(wù)程序。串口2任務(wù)將處理接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)，將解釋指令放入命令隊(duì)列中，并設(shè)置相關(guān)標(biāo)志。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)(16ms)，所有任務(wù)執(zhí)行一遍，它們根據(jù)相關(guān)標(biāo)志，完成相應(yīng)的工作，如讀取命令隊(duì)列，執(zhí)行命令，給上位機(jī)返回應(yīng)答。

　　串口2任務(wù)程序如下:
void far com2_ task(void)
{刀初始化
刀裝載串口2中斷
sys_ load vrtx_ isr(Ox34,com- isr);
刀允許串口2中斷
n8259_ inerrupt enable(4);
while(true)
?刀等待串口2中斷
ev_group=sc_ fpend(group_ id,0,4,0,&erro);
刀中斷到來，清中斷同步標(biāo)志
ev_group=sc_ fclear(gruop_ id,4,&err);
read_ CommData();//處理并讀取數(shù)據(jù)
刀處理各種指令，并設(shè)置各相關(guān)標(biāo)志
process_ Comm (BYTE *Buff,BYTE *cPtr);

　　4.2 上位機(jī)通信控件的實(shí)現(xiàn)

?????? 為了便于用戶使用，把上位機(jī)的通信功能封裝到ActiveX控件中。選擇VC++6進(jìn)行通信控件的開發(fā)，串口操作使用API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)?？丶胁捎昧硕嗑€程技術(shù)。為監(jiān)控串口任務(wù)創(chuàng)建了一個(gè)工作線程，以免它堵塞主線程，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)性。通信控件采用了異步v0方式，以提高發(fā)送、接收和處理數(shù)據(jù)的效率。異步v0操作建立后會(huì)立即返回，即使操作還未完成。這樣把費(fèi)時(shí)的v0操作放在后臺(tái)進(jìn)行，線程就可以干別的事情，極大地提高了程序的運(yùn)行效率。在串口通信中，有?
幾種讀取串口數(shù)據(jù)的方式，其中事件驅(qū)動(dòng)是最有效率的方式。在監(jiān)視串口的輔助線程中，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)串口是，串口事件觸發(fā)，控件開始讀取串口輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)到達(dá)，那么使用WaitForMultipleObjects 0'數(shù)堵塞監(jiān)測(cè)線程，把資源讓給其它線程。在使用線程堵塞技術(shù)之后，監(jiān)視串口線程占用的系統(tǒng)資源大大減少，同時(shí)提高了指令的發(fā)送效率。串口讀寫和監(jiān)控是通信的最主要部分，采用了異步v0操作，使得程序復(fù)雜化。異步v0操作分兩部分:一是創(chuàng)建該v0操作，然后返回;二是探測(cè)操作的完成。下面是讀串口的部分程序清單:

void CCommCtrl::ReadChar(COMSTAT comstat)
{
while (comstat.cbInQue>0)f
C1earCommERROR(mJWomm,&dwError,&comstat);
if(!ReadFile(hcomm,&RXBuf,l,&dwRead,&m_ ov))
f //ReadFile返回FALSE,判斷是出錯(cuò)還是沒完成
if(GetLastError()==ERROR IO_PENDING) f
//沒完成，需要等待
if(!GetOverlappedResult(hComm,&m- ov,
&dwRead,TRUE)) //等待讀操作完成
{…}刀完成讀操作，但出錯(cuò)
else //正確完成讀操作
{…}//處理接收的字符
else(…}/贖操作出錯(cuò)
else //讀操作在函數(shù)返回前已經(jīng)完成
{…}刀處理接收的字符
}
return; //沒有字符了，返回
}
寫串口程序和讀串口類似。監(jiān)視線程的部分代碼如下:
DINT CommWatch(LPVOID pParam)
{刀清緩存
PurgeComm(hcom,PURGE_ RXCLEAR I PURGE一XCLEAR I
PURGE_ RXABORTIPURGE一XABORT);
for(;;) f
bResult2=WaitCommEvent(hcom,&dwEvtMask,&m一 ov);
刀等待串口事件的發(fā)生
if(!bResult2)[//事件WaitCommEvent返回假
switch (dw=GetLastError(川
case ERROR-10-PENDING://異步I/O操作(WaitCommEvent)/
/進(jìn)行中，正常情況
{break;}
default:[ // I/O操作出現(xiàn)錯(cuò)誤
ProcESSErrorMessage("WaitCommEvent()");
break;}}}
else{//事件WaitCommEven嶇回真，操作完成
bResult2=C1earCommError(hcom,&dw, &commstat);
if (commstat.cbInQue==0)
continue;}
刀堵塞線程，等待事件組發(fā)生。事件組包括:關(guān)閉線程事件、
刀讀事件、寫事件
Event=WaitForMultipleObjects(3, m- hEventArray, FALSE,
INFINITE);
switch (Event){//判斷是哪個(gè)事件發(fā)生
case 0:f//關(guān)閉事件
mJbThreadAlive= FALSE;
AfxEndThread(100);//關(guān)閉線程
break;)
case 1:f//字符到達(dá)，讀字符
bRead=TRUE;
bResult=TRUE;
GetCommMask(hcom, &CommEvent);
if(CommEvent&EV_ RXCHAR)(
刀通知控件句柄讀取字符
::SendMessage(CommWnd,WM_ COMM_ READ,0,0);)
break;)

case 2:{//寫事件
//通知控件句柄寫串口
::SendMessage(CommWnd,WM_ COMM_ WRITE,0,0);)}}
刀主循環(huán)結(jié)束
return 0;}

　　5 結(jié)束語(yǔ)

?????? 我們根據(jù)激光加工機(jī)器人通信的特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議，同時(shí)采用了多種有效的編程方法，以達(dá)到安全、高效、實(shí)用的目的。經(jīng)過大量的測(cè)試以及I年多工業(yè)運(yùn)用表明，該通信協(xié)議及通信系統(tǒng)取得了很好的效果，完全達(dá)到了工業(yè)機(jī)器人通信的要求。

?