CN102914982A

CN102914982A - 一种机器人的分布式控制系统总线结构

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Publication number: CN102914982A
Application number: CN2011102247749A
Authority: CN
Inventors: 何斌; 王�锋; 张洪涛; 刘超群; 蒙伟斌; 李强
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: CN102914982B

Abstract

本发明涉及一种用于机器人分布式控制系统的总线结构，该总线结构包括电源总线、数据总线、地线和接口电路，所述的接口电路与控制系统的主机或从机连接，所述的接口电路控制数据流向，所述的总线结构的总线协议为主从应答式，信息以帧为单位，主机信息帧由同步头、帧长度、目标ID、操作码、数据类别、数据内容和效验码组成，从机信息帧由同步头、帧长度、目标ID、数据内容、错误类型字节和效验码组成。与现有技术相比，本发明具有实用性强、可靠性高、通讯速率4MBPS以上，且简化机器人的布线等优点。

Description

一种机器人的分布式控制系统总线结构

技术领域

本发明涉及机器人控制系统领域，尤其是涉及一种机器人的分布式控制系统

总线结构。

背景技术

在生产自动化领域，有集中式控制系统和分布式控制系统。在机器人控制系统中，这两种控制系统都得到了应用。集中式控制系统的优点是结构简单、整体性和协调性好、集中式的数据容易管理并容易保证数据的一致性。但其缺点也很多，如软件系统庞大复杂，可扩展性差。如果机器人的关节多，自由度数量大，采取分布式控制系统是比较合理的选择。

典型的机器人分布式控制系统采用分层控制的方法，如下所述：第一层为上位机，主要进行步态规划，动作编排并下传至机器人控制器；第二层为机器人控制器，用于接收上位机下传的动作，并向总线发送命令控制各电机模块和传感器模块；第三层为电机控制模块和传感器模块，电机控制模块内含微控制器和直流电机，它从总线接收主控器的命令，控制内部直流电机的速度、角度等。

目前有多种总线在机器人分布式控制系统中应用。其中以CAN总线的应用最为广泛。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。但是CAN总线布线复杂，而且随着机器人技术的不断进步，对总线通信速度也有了新的要求，传统的CAN总线已不能满足需要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可靠性高、通讯速率4M以上，且简化机器人的布线的机器人的分布式控制系统总线结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于机器人分布式控制系统的总线结构，其特征在于，该总线结构包括电源总线、数据总线、地线和接口电路，所述的接口电路与控制系统的主机或从机连接，所述的接口电路控制数据流向，所述的总线结构的总线协议为主从应答式，信息以帧为单位，主机信息帧由同步头、帧长度、目标ID、操作码、数据类别、数据内容和效验码组成，从机信息帧由同步头、帧长度、目标ID、数据内容、错误类型字节和效验码组成。

所述的接口电路包括电阻R1、三极管Q1、电阻R2、总线驱动器U1、总线驱动器U2和电阻R0；所述的电阻R1一端接主机/从机的单片机的高低电平输出端口，另一端接三极管Q1的基极；所述的三极管Q1的集电极通过电阻R2与电源连接，三极管Q1的发射极接地；所述的总线驱动器U1的的数据输入端与主机/从机的单片机的发送引脚连接，总线驱动器U1的的数据输出端与数据总线连接，总线驱动器U1的的输出允许控制端连接在三极管Q1与电阻R2之间；所述的总线驱动器U2的数据输出端与主机/从机的单片机的接收引脚连接，总线驱动器U2的数据输入端与数据总线连接，总线驱动器U2的输出允许控制端连接在主机/从机的单片机的高低电平输出端口与电阻R1之间；所述的电阻R0的一端连接电源，另一端分别连接总线驱动器U1的数据输出端和总线驱动器U2的数据输入端。

所述的三极管Q1为NPN型三极管。

所述的总线驱动器U1和总线驱动器U2均为74HC126芯片。

所述的主机/从机的单片机采用基于ARM CORTEX-M3内核的STM32系列单片机。

所述的数据总线采用TTL电平格式，高电平为3.3V，低电平为0V，总线空闲时保持高电平。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、可使网络内的节点个数在理论上不受限制；

2、具有很强的实用性，很高的可靠性；

3、具有比CAN总线更快的通讯速率，可具有达4MBPS以上的波特率；

5、该三线制总线将电源总线和数据总线合为一体，简化了机器人的布线，在多关节、多模块机器人中具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的总线物理接口图；

图2为以STM32单片机为例的实现单线数据总线图；

图3为机器人整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种机器人的分布式控制系统总线结构，该总线结构采用三线制总线，其包括电源总线、数据总线、地线和接口电路。如图1所示，总线的对外物理接口采用2.54mm间距的三插针，从左至右，依次为电源、数据、地。电源总线的电压可为3.0V-40V(依关节驱动电压定)；该总线的电源总线不仅为总线上所有的数字舵机内部的电机提供电压支持，也为数字舵机内部的控制芯片提供电压支持，将电源总线电压通过开关电源芯片或者线性电源芯片可获得5V、3.3V等电压。数据总线采用TTL电平格式，高电平为3.3V，低电平为0V。

接口电路包括电阻R1、三极管Q1、电阻R2、总线驱动器U1、总线驱动器U2和电阻R0。电阻R1一端接主机/从机的单片机的高低电平输出端口，另一端接三极管Q1的基极。三极管Q1的集电极通过电阻R2与电源连接，三极管Q1的发射极接地。总线驱动器U1的的数据输入端与主机/从机的单片机的发送引脚连接，总线驱动器U1的的数据输出端与数据总线连接，总线驱动器U1的的输出允许控制端连接在三极管Q1与电阻R2之间。总线驱动器U2的数据输出端与主机/从机的单片机的接收引脚连接，总线驱动器U2的数据输入端与数据总线连接，总线驱动器U2的输出允许控制端连接在主机/从机的单片机的高低电平输出端口与电阻R1之间。电阻R0的一端连接电源，另一端分别连接总线驱动器U1的数据输出端和总线驱动器U2的数据输入端。

如图2所示，为了使数据总线达到4MBPS以上的波特率，选择适宜的微控制器十分必要，采用基于ARM CORTEX-M3内核的STM32系列单片机可达到要求。本发明以STM32单片机为例实现单线数据的连接。其中接口电路的电阻R1阻值1000欧姆，三极管Q1为NPN型三极管，电阻R2阻值为1000欧姆；总线驱动器U1和总线驱动器U2均采用74HC126；电阻R0阻值为4700欧姆。接口电路的A点接STM32单片机的PA8端口，当PA8输出低电平时，三极管Q1工作于截止状态，B点输出高电平；当PA8输出高电平时，三极管Q1工作于饱和状态，B点输出低电平。总线驱动器U1和U2，当其1号引脚(即输出允许控制端)输入低电平时，3号引脚(即数据输出端)呈高阻态；当其1号引脚输入高电平时，3号引脚输出等于2号引脚(即数据输入端)输入。数据总线通过电阻R0上拉至3.3V，确保了当总线空闲时，总线保持高电平3.3V。

如图2所示，所有主机和从机均采用此接口电路，主控制器为主机，关节舵机以及传感器模块为从机。当PA8输出低电平时，U2的输出呈高阻态，单片机的串口接收引脚不接收数据总线的数据，B点呈高电平，U1输出等于U1输入，由于U1的2号引脚与STM32单片机的串口发送引脚相连，此时单片机将向数据总线发送数据；当PA8输出高电平时，B点呈低电平，U1的输出呈高阻态，此时单片机不能向数据总线发送数据，U2输出等于U2输入，由于U2的3号引脚与STM32单片机的串口接收引脚相连，单片机的串口接收引脚开始接收数据总线的数据。由此可见，通过改变PA8的输出电平，将数据总线的收发过程分离开来，实现了单数据线的半双工串行通信。PA8默认处于高电平，无论主机还是从机默认均处于接收状态(总线监听状态)。

总线结构的总线协议采用主从问答式方式进行通讯，主控制器为主机，关节舵机以及传感器模块为从机；数据总线波特率达到4M BPS以上，起始位为0，停止位为1；从机的数目可达256(协议经扩展可支持更大数量的从机)；主机既可以单独向某一从机发送，也可以进行广播式发送；主机等待从机回复时，有超时判断。

总线结构的信息以帧为单位，包括主机信息帧和从机信息帧。为确保总线的可靠性，主机发送之前先读取总线数据，确认总线处于空闲状态；当主机信息帧发出后，若在1ms内未收到从机的回复帧，则视为传送错误，主机可选择重发。数据总线可采用1个起始位(0)，8个数据位，1个停止位(1)的串行通信方式。主机信息帧包含：

同步头，占两字节，为0xfb 0xfb，预示着一帧的开始；

帧长度，占1字节，表示该帧的字节数(同步头不计入内)；

目标ID，为所访问的从机的ID号，取值范围为0～255，若为0xfe，则为广播方式(此时，从机无须回复主机)；

操作码，当操作码为0x01时，代表主机向从机写入数据(速度，角度，扭矩等)，当操作码为0x02时，代表主机读入从机的数据(速度，角度，扭矩等)，当操作码为0x03时，代表主机向从机写入数据(速度，角度，扭矩等)，从机先储存该数据，暂不执行，待收到操作码0x04时，再执行，当操作码为0x04时(与操作码0x03配合使用，此时目标ID为0xfe，即为广播方式)，从机将执行操作码0x03所要求的命令，且所有从机不予主机以回复，此操作码用于多个电机的同时动作；

数据类别，字节为0x01时，代表速度，为0x02时，代表角度，为0x03时，代表扭矩；

数据内容，代表了速度值，角度值，扭矩值，其占用2个字节，其中低字节在前，高字节在后；

校验码，采用的是求和校验，即将该帧除同步头之外的其余字节求和，取低八位作为校验码。(参见表1～表3)

主机信息帧举例：

主机向1号从机发送指令：1号从机调整角度值0x38a

从机信息帧包含：

同步头，占两字节，为0xfb 0xfb，预示着一帧的开始；

帧长度，占1字节，表示该帧的字节数(同步头不计入内)；

本机ID，代表从机的ID号；

数据内容，占2个字节，代表从机的速度，角度，扭矩等信息(当操作码为0x02时，从机的回复帧才包含这2个字节)；

错误类型，字节为0x00时，代表从机接收正确，为0x01时，代表从机接收的校验码错误，为0x02时，代表数据长度错误，为0x03时，代表操作码错误，为0x04时，代表数据类别错误；

从机信息帧举例：

从机回复：接收正确。

表1 操作码

表2 数据类别

数据类型	含义
		0x01	速度
0x02	角度
		0x03	扭矩

表3 错误类型

错误类型	含义
		0x00	从机接收正确
0x01	校验码错误
		0x02	数据长度错误
0x03	操作码错误
		0x04	数据类别错误

Claims

1.一种用于机器人分布式控制系统的总线结构，其特征在于，该总线结构包括电源总线、数据总线、地线和接口电路，所述的接口电路与控制系统的主机或从机连接，所述的接口电路控制数据流向，所述的总线结构的总线协议为主从应答式，信息以帧为单位，主机信息帧由同步头、帧长度、目标ID、操作码、数据类别、数据内容和效验码组成，从机信息帧由同步头、帧长度、目标ID、数据内容、错误类型字节和效验码组成。

2.根据权利要求1所述的一种机器人的分布式控制系统总线结构，其特征在于，所述的接口电路包括电阻R1、三极管Q1、电阻R2、总线驱动器U1、总线驱动器U2和电阻R0；所述的电阻R1一端接主机/从机的单片机的高低电平输出端口，另一端接三极管Q1的基极；所述的三极管Q1的集电极通过电阻R2与电源连接，三极管Q1的发射极接地；所述的总线驱动器U1的的数据输入端与主机/从机的单片机的发送引脚连接，总线驱动器U1的的数据输出端与数据总线连接，总线驱动器U1的的输出允许控制端连接在三极管Q1与电阻R2之间；所述的总线驱动器U2的数据输出端与主机/从机的单片机的接收引脚连接，总线驱动器U2的数据输入端与数据总线连接，总线驱动器U2的输出允许控制端连接在主机/从机的单片机的高低电平输出端口与电阻R1之间；所述的电阻R0的一端连接电源，另一端分别连接总线驱动器U1的数据输出端和总线驱动器U2的数据输入端。

3.根据权利要求2所述的一种机器人的分布式控制系统总线结构，其特征在于，所述的三极管Q1为NPN型三极管。

4.根据权利要求2所述的一种机器人的分布式控制系统总线结构，其特征在于，所述的总线驱动器U1和总线驱动器U2均为74HC126芯片。

5.根据权利要求2所述的一种机器人的分布式控制系统总线结构，其特征在于，所述的主机/从机的单片机采用基于ARM CORTEX-M3内核的STM32系列单片机。

6.根据权利要求1所述的一种机器人的分布式控制系统总线结构，其特征在于，所述的数据总线采用TTL电平格式，高电平为3.3V，低电平为0V，总线空闲时保持高电平。