摘  要： 實時數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)是工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié),，PMAC卡作為底層控制器在工業(yè)機器人運動控制中廣泛應(yīng)用,。根據(jù)數(shù)據(jù)采集源、與上位機通信模式,，對基于PMAC的數(shù)據(jù)采集方法進行分析,，確定在線指令方式進行數(shù)據(jù)采集，定制了基于網(wǎng)口的開放通信模塊,。在實現(xiàn)過程中采用了軟件模塊化,、多線程、定時器,、雙緩存等技術(shù)實現(xiàn)指令編碼,、數(shù)據(jù)采集與解碼。測試結(jié)果證明了通信與采集子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性,。

　　關(guān)鍵詞： PMAC,；開放控制；數(shù)據(jù)采集,；實時性,；機器人

0 引言

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域，實時數(shù)據(jù)采集是一個基本而且重要的環(huán)節(jié),，如何提高數(shù)據(jù)采集的實時性一直是工控技術(shù)人員所關(guān)心的問題[1],。多軸運動控制卡（Programmable Multi-Axis Controller，PMAC）集執(zhí)行程序（運動程序和PLC程序）,、數(shù)據(jù)采集,、伺服環(huán)更新、資源管理等多個模塊一起協(xié)同工作,，在工業(yè)機器人的運動控制中得到廣泛應(yīng)用[2],。

1 基于PMAC的數(shù)據(jù)采集分析

　　PMAC通過對機器人關(guān)節(jié)的4路數(shù)字信號解碼得到該關(guān)節(jié)的位置、速度,、加速度等數(shù)據(jù)源,，上位機采集這些數(shù)據(jù)進行運動學(xué)和動力學(xué)運算得到機器人實時的位置和運動信息。數(shù)據(jù)采集涉及數(shù)據(jù)采集源,、通信模式,、采集方法、數(shù)據(jù)解碼,、人機交互[3]等,。

　　數(shù)據(jù)采集源指被采集的數(shù)據(jù)在卡上存儲的對象，主要有PMAC緩沖區(qū),、寄存器,、雙端口RAM。

　　PMAC主卡與上位機之間的通信模式有104總線接口,、USB2.0以太網(wǎng)口,、RS232串口等。

　　結(jié)合通信模式和數(shù)據(jù)采集源,，基于PMAC數(shù)據(jù)采集有雙端口RAM,、Gather功能寄存器、PLC程序M變量,、在線指令等采集方法,。基于雙端口的數(shù)據(jù)采集從雙端口RAM中采集數(shù)據(jù),，不需要經(jīng)過通信口發(fā)送命令和等待響應(yīng)時間,，實時性較好?；贕ather功能的數(shù)據(jù)采集從緩沖區(qū)采集數(shù)據(jù),，需要使用PMAC的通信驅(qū)動和Gather類函數(shù)，適合于大量信息進行數(shù)據(jù)采集[4],?；赑LC程序和在線指令的數(shù)據(jù)采集從I/O及運動寄存器獲取數(shù)據(jù)，需要使用PMAC的通信驅(qū)動和軟件定時器,?；谠诰€指令的數(shù)據(jù)采集可以實時單點采集，也可以循環(huán)采集,，而且可以基于以太網(wǎng)口定義開放式通信接口,，獨立于PMAC驅(qū)動程序。

2 基于多線程技術(shù)和在線指令的實時數(shù)據(jù)采集

　　2.1 多線程技術(shù)

　　多線程編程技術(shù)應(yīng)用于機器人控制,，可在收發(fā)數(shù)據(jù)的同時進行數(shù)據(jù)的處理,、狀態(tài)切換,、屏幕刷新等任務(wù)，提高程序的實時性和軟件的整體性能[5],。本控制系統(tǒng)采用多線程技術(shù)實現(xiàn),，提高了數(shù)據(jù)采集的實時性，系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　2.2 數(shù)據(jù)采集的編碼實現(xiàn)

　　本文基于在線指令進行數(shù)據(jù)采集,，自定義通信接口。

　　2.2.1 開放式通訊接口

　　目前所見的基于PMAC的機器人開放式運動控制器都利用了Delta Tau公司提供的PComm32PRO通信驅(qū)動程序,，限制了控制器的開放性,。為了支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，采用C++設(shè)計了PMAC開放式網(wǎng)口通信服務(wù),，供上層服務(wù)通過socket調(diào)用,，數(shù)據(jù)規(guī)范如下：

　　typedef struct tagEthernetCmd

　　{

　　BYTE RequestType；

　　BYTE Request,；

　　WORD wValue,；

　　WORD wIndex；

　　WORD wLength,；

　　BYTE bData[1492],；

　　}ETHERNETCMD，*PETHERNETCMD,；

　　PMAC卡IP地址是：192.6.94.5：1025,。

　　2.2.2 數(shù)據(jù)采集的編碼實現(xiàn)

　　PMAC指令以及回傳的運動參數(shù)都是字符串，需要進行指令編碼和數(shù)據(jù)譯碼,。

　　struct PMACFPV

　　//定義循環(huán)采集的速度和位置

　　{

　　double FP1,；

　　double FP2；

　　double FV1,；

　　double FV2,；

　　}；

　　struct PMACFPV PMACPVF（）

　　//周期采集

　　{

　　struct PMACFPV PV,；

　　char AV1[255],，AP1[255]；

　　long NV1,，NP1,；

　　char AV2[255]，AP2[255],；

　　long NV2,，NP2；

　　NV1=PmacGetResponseA（0，AV1,，255,，"#1V"）；

　　PV.FV1=atof（AV1）/20,；//速度譯碼

　　NP1=PmacGetResponseA（0,，AP1，255,，"#1P"）；

　　PV.FP1=atof（AP1）/20,；//角度譯碼

　　cout<<NV1<<endl,；

　　cout<<AV1<<endl；

　　cout<<PV.FV1<<endl,；

　　cout<<NP1<<endl,；

　　cout<<AP1<<endl；

　　cout<<PV.FP1<<endl,；

　　NV2=PmacGetResponseA（0,，AV2，255,，"#2V"）,；

　　PV.FV2=atof（AV2）/20；//速度譯碼

　　NP2=PmacGetResponseA（0,，AP2,，255，"#2P"）,；

　　PV.FP2=atof（AP2）/20,；//角度譯碼

　　cout<<<<NV2<<endl；

　　cout<<AV2<<endl,；

　　cout<<PV.FV2<<endl,；

　　cout<<NP2<<endl；

　　cout<<AP2<<endl,；

　　cout<<PV.FP2<<endl,；

　　return PV；

　　}

　　char*PMACITOAP（double P1,，double P2）

　　//關(guān)節(jié)位置譯碼

　　{

　　double IP1=0,，IP2=0；

　　IP1=P1*20,；

　　IP2=P2*20,；

　　char*AP1=（char*）malloc（30*sizeof（char））；

　　char*AP2=（char*）malloc（30*sizeof（char））,；

　　gcvt（IP1,，15,，AP1）；

　　gcvt（IP2,，15,，AP2）；

　　char*PAP1=（char*）malloc（sizeof（char）*100）,；

　　char*PAP2=（char*）malloc（sizeof（char）*50）,；

　　strcpy（PAP1，"X"）,；

　　strcat_s（PAP1,，100，AP1）,；

　　strcpy（PAP2,，"Y"）；

　　strcat_s（PAP2,，50,，AP2）；

　　strcat_s（PAP1,，100,，PAP2）；

　　printf（"關(guān)節(jié)的位置譯碼結(jié)果是%s\n",，PAP1）,；

　　//輸出拼接結(jié)果

　　return PAP1；

　　free（AP1）,；//

　　free（AP2）,；//

　　free（PAP1）；//

　　free（PAP2）,；//

　　}

　　在嵌入式應(yīng)用環(huán)境中進行數(shù)據(jù)循環(huán)采集需要預(yù)防產(chǎn)生內(nèi)存泄露的情況發(fā)生,，優(yōu)化內(nèi)存資源。

　　2.3 控制系統(tǒng)平臺構(gòu)建與軌跡跟隨測試

　　2.3.1 控制系統(tǒng)平臺構(gòu)建

　　MOTOMAN,、SEIKO等均把基于PC的機器人控制器作為發(fā)展方向[6],，主要形式有：

　　工控機+接口卡。接口卡不帶處理器,，將各關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)送入工控機,，經(jīng)伺服程序計算得到伺服電機的控制量[7]，這種方式構(gòu)建的系統(tǒng)具有很高的靈活性和擴展性,，但開發(fā)難度比較大,。

　工控機+運動控制卡。以DSP為核心的運動控制卡可以集多軸實時伺服運動控制于一卡，并有函數(shù)庫供用戶在工控機上構(gòu)建所需的控制系統(tǒng),，工控機主要完成系統(tǒng)管理,、狀態(tài)監(jiān)控、運動規(guī)劃等上層任務(wù)[8],。

　　本文采用工控機+多軸運動控制卡（PMAC）作為機器人控制器,，硬件原型如圖2所示。

　　為了滿足機器人控制實時性要求,，工控機需要運行實時操作系統(tǒng),，如Windows CE等，或采用通用Windows操作系統(tǒng)+實時擴展環(huán)境RTX,，可以利用Windows操作系統(tǒng)完備的軟件開發(fā)環(huán)境和豐富的軟件資源[6],。本控制器硬件采用研祥EC3-1711CLDNA工控機，其CPU是Genuine Intel（R）processor 600 MHz,，內(nèi)存為480 MB，存取速率為599 MHz,，硬盤為80 GB,，操作系統(tǒng)采用Windows XP+RTX。

　　2.3.2 系統(tǒng)測試

　　為驗證控制平臺和數(shù)據(jù)采集的有效性,，采用兩關(guān)節(jié)模擬工業(yè)機器人和靜態(tài)PID進行測試,。軌跡跟隨測試的軟件流程和測試結(jié)果如圖3和圖4所示，關(guān)節(jié)實時跟隨位置如表1和2所示,。

3 結(jié)論

　　本文從數(shù)據(jù)采集源,、通信模式、采集方法等對基于PMAC的開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行對比分析,，完成通信接口,、指令編碼數(shù)據(jù)解碼等的模塊化設(shè)計和封裝，采用多線程技術(shù)優(yōu)化性能,。硬件平臺的兩關(guān)節(jié)機器人軌跡跟隨測試的關(guān)節(jié)空間和笛卡爾運動空間的試驗數(shù)據(jù)驗證了控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的有效性,。

參考文獻

　　[1] 林延昌，魚洋,，沈躍.基于PMAC控制卡的機器人控制軟件設(shè)計[J].計算機測量與控制,，2005，13（8）：854-857.

　　[2] 張東衡,，徐秀林,，張佳鳴.人工心臟瓣膜體外檢測裝置軟件開發(fā)[J].計算機測量與控制，2008,，16（8）：1197-1198.

　　[3] 王進華,，曾凌峰，張勤利.數(shù)字電視機頂盒人機交互組件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2011,，30（20）：96-98.

　　[4] 鄭存紅,，胡榮強，趙瑞峰,，等.用Visual C++實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集[J].計算機應(yīng)用研究,，2002，19（4）：103-108.

　　[5] 曾欣.多線程機器人控制軟件的設(shè)計[J].科技廣場,，2011（11）：100-103.

　　[6] DELTA TAU Data Systems,， Inc. PComm32PRO installation and troubleshooting procedures， Versions 10.45（PRO Suite 2.0）and later[S].

　　[7] 張廣立,，付瑩,，楊汝清，等.基于Windows NT的開放式機器人實時控制系統(tǒng)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,，2003,，37（5）：724-728.

　　[8] 馬瓊雄，吳向磊,，李琳,，等.基于IPC的開放式工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008,，21（1）：15-17.