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。基于Gather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]。基于PLC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。基于在線指令的數(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.