CN103259705B - 基于带电源隔离的can总线的蛇形机器人通信系统 - Google Patents

基于带电源隔离的can总线的蛇形机器人通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人通信系统，包括两根差动信号线、一个蛇头节点、和25个蛇体节点，其中蛇头节点和每个蛇体节点都包含一个CAN收发器，一个电源模块以及一个带CAN控制器的单片机STM32F103B，其中单片机与CAN收发器通信，然后根据通信数据控制舵机转动。其中蛇头节点作为主控制器，蛇体节点作为从控制器，所有节点都挂在两根CAN信号线上，形成主从式通信拓扑结构。本发明依据CAN总线协议，在多节点、多自由度、控制难度较大的机器人上成功实现了结构简单，一发多收的主从式通信系统，具有很强的可靠性，实用性。

Description

基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人通信系统
技术领域
本发明涉及蛇形机器人通信系统领域，是一种基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人各节点之间的通信系统。
背景技术
桥梁是现代交通中一个非常重要的组成部分，作为一种造价相对较低、抗震性能良好、造型美观的桥梁形式，斜拉桥正在被越来越多的采用。可是缆索钢丝和成品索防护不良，会造成缆索断丝失效、生锈腐蚀，甚至酿成巨大风险和损失，因此研究相关的斜拉桥检测维护设备，提高斜拉桥在役时间显得越来越重要。
自然界中的蛇具有运动灵活、适应性强等特点，对于仿生蛇形机器人可以通过选择不同蛇形机器人关节形式来使其产生二维或者三维运动。将蛇形机器人应用于桥梁缆索检测可以克服传统检测方式中检测效率低、检测成本高等问题，可是蛇形机器人具有关节多，自由度大的特点，这都加大了机器人各个关节之间通信的难度。常用的通信总线有以下四种：
一、USART总线
1.可以与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工的数据交换；
2.支持同步单项通信和半双工单线通信；
3.使用多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。
这种总线上的器件数量只能是两个，通信距离要不大于1.5米，而且不支持多主。而蛇形机器人关节多，自由度大，蛇体长度可能大于1.5米，并且每个节点都有可能向所有其它节点发送数据，即要求支持多主，故该种总线不符合蛇形机器人应用要求。
二、SPI总线
1.一种高速的，全双工的，同步的通信总线；
2.SPI接口一般使用4条线。
这种总线上的器件数量要小于10个，通信距离要不大于3米，需要四条线通信，而且不支持多主。而蛇形机器人关节多，自由度大，蛇体长度可能大于3米，本身线路结构复杂，太多的线可能影响机器人自由运动，并且每个节点都有可能向所有其它节点发送数据，即要求支持多主，故该种总线不符合蛇形机器人应用要求。
三、I2C总线
1.I2C是一个半双工、多主总线；
2.I2C是OD输出的。
这种总线上的器件数量要小于10个，而且通信距离要不大于3米，支持多主。而蛇形机器人关节多，自由度大，蛇体长度可能大于3米，故该种总线不符合蛇形机器人应用要求。
四、未带电源隔离的CAN总线
1.CAN总线是一个多主异步串行总线；
2.CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
这种总线无论是器件数量、通信距离还是线路要求都符合蛇形机器人的结构特点，可是不带电源隔离的CAN总线会由于电源噪声、电压波动、浪涌电流等因素造成通讯不良甚至通讯失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人通信系统，同时实现了结构简单，可靠性高，节点多，一发多收的要求。
为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：
基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人通信系统，包括两根两端并联有电阻1的差动信号线CAN_H和CAN_L、1个蛇头节点、和25个蛇体节点，每个蛇体节点都包含一个CAN收发器和一个MCU，以及一个为CAN收发器和MCU供电的电源模块；所述节点内部采用MCU与CAN收发器通信，MCU根据通信数据控制舵机转动，其中蛇头节点作为主控制器，蛇体节点作为从控制器，所有节点都连接在差动信号线CAN_H和CAN_L上。
具体地，所述的CAN收发器为ISO1050芯片，MCU为STM32F103B芯片，所述电源模块包括依次连接的REG114EA-3.3及B0305S-1W，其中，
REG114EA-3.3芯片的Vout端分别与B0305S-1W芯片的Vin端、ISO1050芯片的Vcc1端及STM32F103B芯片的电压输入端相连接；
B0305S-1W芯片的+Vo端与ISO1050芯片的Vcc2端相连接；
ISO1050芯片的CANH端及CANL端分别与差动信号线CAN_H和CAN_L相连接，ISO1050芯片的RXD端及TXD端分别与STM32F103B芯片的CANRX端及CANTX端相连接；
具体地，所述ISO1050芯片的Vcc1端与GND1端之间还并联有起滤波作用的电容C3；
所述ISO1050芯片的RXD端与STM32F103B芯片的CANRX端之间设置有电阻R1，R1与ISO1050芯片的GND1端之间并联一个电容C1；
所述ISO1050芯片的TXD端与STM32F103B芯片的CANTX端之间设置有电阻R2，R2与ISO1050芯片的GND1端之间并联一个电容C2。
具体地，所述REG114EA-3.3芯片输入电压为8V，此输入电压的正极与REG114EA-3.3芯片的GND4端之间并联一个电容C4，输入电压的正极与REG114EA-3.3芯片的1、2引脚相连，GND4端与REG114EA-3.3芯片的5、6、7、8引脚相连，REG114EA-3.3芯片的4引脚悬空，3脚引输出3.3V电压，3脚引与GND4端之间并联电容C5和C6后与芯片B0305S-1W的Vin端相连，GND4端与芯片B0305S-1W的GND端相连，B0305S-1W芯片的-Vo端与GND3相连接，B0305S-1W芯片的+Vo端输出以GND3为参考电压的5V电压，此5V电压与GND3端之间并联电容C7和电阻R3后作为ISO1050芯片的供电电压。
蛇头节点与蛇体节点硬件结构完全相同，只是软件有所不同。
用26号线自制成双绞线后作为CAN总线的物理介质，此种电线柔软，电阻率小，信号干扰小，适合作为关节多，体型长，运动步态复杂的蛇形机器人的通信介质。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：在斜拉桥的缆索上，蛇形机器人特有的多节点，多自由度结构做复杂步态运动的同时，可以进行高效的，无干扰的，可靠的节点间通信。
附图说明
图1：本发明的系统结构示意图；
图2：本发明节点内部各模块连接示意图；
图3：本发明节点内部CAN收发器电路示意图；
图4：本发明节点内部电源模块电路示意图；
具体实施方式
如图1所示，整个网络由两根差动信号线、1个蛇头节点、和25个蛇体节点组成。其中蛇头节点2和每个蛇体节点3都包含一个CAN收发器，一个电源模块以及一个MCU，其中电源模块为CAN收发器和MCU供电，MCU与CAN收发器通信，然后根据通信数据控制舵机转动。蛇头节点作为主控制器，其它蛇体节点作为从控制器，所有节点都挂在由26号导线制成的双绞线上。由于通信距离相对较短，导线的电阻可以忽略不计，所以根据CAN协议，在双绞线两端各串联一个120Ω的匹配电阻1便可构成两条差动信号线——CAN_H4和CAN_L5，这样就构成了一个完整的CAN通信线路。
在每个节点内部各模块连接如图2所示：输入电压为8V，首先8V的电压经过一个芯片REG114EA-3.3，此芯片为输出电压为3.3V的降压芯片，从芯片输出的电压为3.3V，参考电压设为GND1，此3.3V电压为STM32F103B芯片和CAN收发器的控制侧侧供电。接着3.3V的电压经过芯片B0305S-1W，此芯片为输入为3.3V输出为5V的电源隔离芯片，输出的电压为5V，参考电压设为GND3，此5V电压给CAN收发器的总线侧侧供电。CAN收发器5V供电一侧引出两根线用来与差动信号线CAN_H4和CAN_L5上其他节点通信，3.3V供电一侧与MCU的CAN控制器进行数据传输。
CAN收发器电路示意图如图3所示，选择ISO1050芯片作为CAN收发器，供电部分不再赘述，以上都已说的很清楚了。需要注意的一点是，在控制一侧，3.3V电源与GND1之间会并联一个电容C3，起滤波作用。同样在这一侧RXD引出一根线，先经过电阻R1，然后与MCU的CAN控制器连接，同时要与GND1之间并联一个电容C1，这样做也是为了滤波，保证CAN控制器与CAN收发器之间通信质量。之所以收发器两侧选择相互隔离的3.3V和5V电源供电，是因为ISO1050的总线侧侧和控制侧电路相互独立，采用相互隔离的电源供电可以避免控制侧电源噪声或波动对总线侧侧CAN信号产生影响，造成信号传输错误。
电源模块电路如图4所示，所述REG114EA-3.3芯片输入电压为8V，此输入电压的正极与REG114EA-3.3芯片的GND4端之间并联一个电容C4，输入电压的正极与REG114EA-3.3芯片的1、2引脚相连，GND4端与REG114EA-3.3芯片的5、6、7、8引脚相连，REG114EA-3.3芯片的4引脚悬空，3脚引输出3.3V电压，3脚引与GND4端之间并联电容C5和C6后与芯片B0305S-1W的Vin端相连，GND4端与芯片B0305S-1W的GND端相连，B0305S-1W芯片的-Vo端与GND3相连接，B0305S-1W芯片的+Vo端输出以GND3为参考电压的5V电压，此5V电压与GND3端之间并联电容C7和电阻R3后作为ISO1050芯片的供电电压，此电压与之前的8V、3.3V电压具有相互隔离的效果。
本发明只需要在主控制器与从控制器之间，即蛇头节点2和蛇体节点3之间进行通信，各蛇体节点2之间不需要通信。每个节点的第一个邮箱FIFO0设为接收模式，其标示符，从蛇头节点2的FIFO0的0000H，直到第25个蛇体节点3的FIFO0的001AH依次递增。另外，每个节点的第二个邮箱FIFO1设为发送模式，其标示符，从蛇头节点的FIFO1的0020H到第25个蛇体节点的FIFO1的003AH依次递增。当蛇头节点的CAN控制器将数据发给CAN收发器，收发器进而把数据放到CAN总线上，此时所有蛇体节点3都收到此数据，接着提取数据中标示符与自身标示符相比较，如果不同则丢弃，如果相同说明这正是给自己发来的数据，于是产生中断，中央处理器进而产生相应动作。
具体通信过程：
（1）蛇头节点2控制器向收发器传送数据，此数据可以是对蛇体节点3的信息读取命令，也可以是控制命令。
（2）收发器将数据翻译成总线的短帧命令，传送到总线上。
（3）所有蛇体节点3都收到此数据，进而提取出帧内包含的标示符与自身标示符比对，如果不同则丢弃，相同则产生中断通知MCU产生相应动作。
（4）确认接收到数据的节点向总线发出应答，如果蛇头节点2收到的应答信息不对，则重新发送此帧。
（5）如果蛇体节点接受到的是信息读取命令，则把相应信息通过以上步骤发送给蛇头节点2。
（6）蛇头节点2接收到数据后也会发出应答信息。如果蛇体节点收到的应答信息不对，则重新发送此帧。
（7）如果以上发送过程均无误，则此通信过程完成。
（8）如果某帧发出后经过一定延时仍未收到应答，则会重发此帧。
（9）如果连续重发三次都没有收到应答，则认为目标节点出现故障，此时会报警或者直接将目标节点屏蔽掉。
上述实施说明为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施说明的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人通信系统，其特征在于：包括两根两端并联有电阻(1)的差动信号线CAN_H(4)和CAN_L(5)、1个蛇头节点(2)、和25个蛇体节点(3)，每个蛇体节点(3)都包含一个CAN收发器和一个MCU，以及一个为CAN收发器和MCU供电的电源模块；所述节点内部采用MCU与CAN收发器通信，MCU根据通信数据控制舵机转动，其中蛇头节点(2)作为主控制器，蛇体节点(3)作为从控制器，所有节点都连接在差动信号线CAN_H(4)和CAN_L(5)上；
所述的CAN收发器为ISO1050芯片，MCU为STM32F103B芯片，所述电源模块包括依次连接的REG114EA-3.3及B0305S-1W，其中，
REG114EA-3.3芯片的Vout端分别与B0305S-1W芯片的Vin端、ISO1050芯片的Vcc1端及STM32F103B芯片的电压输入端相连接；
B0305S-1W芯片的+Vo端与ISO1050芯片的Vcc2端相连接；
ISO1050芯片的CANH端及CANL端分别与差动信号线CAN_H(4)和CAN_L(5)相连接，ISO1050芯片的RXD端及TXD端分别与STM32F103B芯片的CANRX端及CANTX端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人通信系统，其特征在于：
所述ISO1050芯片的Vcc1端与GND1端之间还并联有起滤波作用的电容C3；
所述ISO1050芯片的RXD端与STM32F103B芯片的CANRX端之间设置有电阻R1，R1与ISO1050芯片的GND1端之间并联一个电容C1；
所述ISO1050芯片的TXD端与STM32F103B芯片的CANTX端之间设置有电阻R2，R2与ISO1050芯片的GND1端之间并联一个电容C2。
3.根据权利要求2所述的基于带电源隔离的CAN总线的蛇形机器人通信系统，其特征在于：所述REG114EA-3.3芯片输入电压为8V，此输入电压的正极与REG114EA-3.3芯片的GND4端之间并联一个电容C4，输入电压的正极与REG114EA-3.3芯片的1、2引脚相连，GND4端与REG114EA-3.3芯片的5、6、7、8引脚相连，REG114EA-3.3芯片的4引脚悬空，3引脚输出3.3V电压，3引脚与GND4端之间并联电容C5和C6后与芯片B0305S-1W的Vin端相连，GND4端与芯片B0305S-1W的GND端相连，B0305S-1W芯片的-Vo端与GND3相连接，B0305S-1W芯片的+Vo端输出以GND3为参考电压的5V电压，此5V电压与GND3端之间并联电容C7和电阻R3后作为ISO1050芯片的供电电压。
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