激光测量机器人数据同步采集系统设计

何玉清

摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，为了满足激光测量机器人对各关节臂转角数据和激光位移传感器所测高度数据采集的同步性，文章设计了一种激光测量机器人数据同步采集系统。该系统采用PROFIBUS总线和高速AD转换芯片来达到数据同步采集的目的。采用STM32F103RCT6作为整个系统的主控芯片，控制整个系统完成同步数据采集;由VPC3+C芯片实现PROFIBUS-DP协议，通过PROFIBUS总线完成對机器人各关节臂转角数据的传输;由16位高速A/D转换芯片AD4001完成对激光位移传感器的采样。

关键词：激光测量机器人;激光位移传感器;A/D转换

1数据同步采集系统总体结构

数据同步采集系统主要由主控芯片、AD转换电路、PROFIBUS-DP协议芯片、隔离电路和USB转串口电路组成，系统的总体结构图如图1所示。

从图中可以看出，工业机器人和数据同步采集系统之间的数据传输是通过PROFIBU总线完成的，中间经过RS485隔离电路到PROFIBU-DP从站协议芯片VPC3+C，最后通过并行数据接口连接到主控芯片STM32F103RCT6;激光位移传感器的模拟输出信号，通过16位高速AD转换芯片AD4001将模拟量转换为数字量，最后将得到的数字量数据通过串行接口经隔离电路传输到主控芯片;数据采集系统和PC机之间通过串口进行连接。

2PROFIBUS-DP从站接口电路设计

2.1VPC3+C与STM32F103RCT6接口电路设计

数据采集系统和工业机器人之间通过PROFIBUS总线进行数据传输。PROFIBUS总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。其数据传输速度为9.6Kbaud～12Mbaud。是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。PROFIBUS总线通信协议由三个兼容的部分组成，即PROFIBUS-PA（ProcessAutoma-tion）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）和PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）。PRO-FIBUS-PA协议是专门用于需要确保本征安全性或需要与总线供电的设备之间进行数据通信的解决方案，数据传输速率是固定的其大小为32.15Kbps;PROFI-BUS-FMS用于解决车间级通用性通信任务，为用户提供强有力的通信服务功能选择，实现中等传输速度的周期性和非周期性数据传输;PROFIBUS-DP是专为现场级控制系统与分散I/O的高速通信而设计的。本文所设计的数据采集系统采用PROFIBUS-DP协议来完成和工业机器人之间的通信。PROFIBUS总线是一种基于主从模式的现场总线，相互通信的两个设备之间有主站和从站之分，本文所设计的数据采集系统在通信的过程中作为从站。PROFIBUS-DP协议芯片和主控芯片是从站接口的核心器件。选用德国VIPA公司生产的VPC3+C作为PROFIBUS-DP协议芯片，VPC3+C是一个带有8位微处理器接口的通讯芯片，用于智能PROFIBUS-DP从站的应用，集成有全部PROFIBUS-DP协议，自动识别和支持可达12Mbit/s的数据传输率。选用意法半导体（ST）公司生产的STM32F103RCT6作为主控芯片，STM32F103RCT6是基于Cortex-M3内核的32位嵌入式-微控制器，具有256KB的程序存储器，48KB的片上RAM，主频为72MHz，具有丰富的片上外设。VPC3+C和STM32的连接电路如图2所示。VPC3+C与外部控制器之间有80C32和80C165两种连接方式，80C32方式适用于带有总线接口的控制器，80C165方式适用于没有总线接口的控制器。由于，STM32F103RCT6没有总线接口，所以VPC3+C和STM32F103RCT6之间的连接方式选用80C165方式，通过I/O模拟总线的方式来访问VPC3+C。从图2的接线方式可以看出，在此系统中VPC3+C工作在异步Intel模式下，在该模式下VPC3+C的地址线和数据线是分开的。DB0～DB7为数据线分别连接到STM32F103RCT6的PB8～PB15;AB0～AB11（在这里ALE/AS作为AB11）为地址线分别连接到STM32F103RCT6的PC0～PC11;VPC3+C的时钟由48MHz的有源晶振提供，VPC3+C将48MHz的时钟4分频以后由CLKOUT2/4引脚输出作为主控芯片的时钟源。

2.2电源电路设计

在此系统中，共用到了5种不同电压值的电源。如图3所示。分别为+24V、+5V_485、+5V_AD、+3.3V和+1.8V。其中+24V直接从机器人获取，为激光测量传感器和整个系统供电;+5V_485通过线性稳压器78M05从+24V电压获得，为机器人端的RS-485通信电路和同步信号发送电路中的TLP118供电;+5V_AD和+1.8V分别通过线性稳压芯片ADP7118-5.0和ADP7118-3.3从+12V电源获得，分别作为AD4001的参考电压和工作电压，而+12V电源通过线性稳压器78L12从+24V电源获得;+24V电源经过DC-DC电源隔离模块B2412S-3W产生一个和+24V电源完全隔离的+12V电源，这个+12V电源在经过线性稳压器ASM1117-3.3稳压得到+3.3V电源，为主控芯片、VPC3+C和一些数字信号隔离芯片提供逻辑电压。

结语

数据同步性测试结果和AD转换精度的测试结果表明，本文所设计的激光测量机器人数据同步采样系统，对两种数据的采集的同步性较好，AD转换具有较高的精度。适用于实际情况中对测量精度要求比较的场合。此系统与工业机器人和激光位移传感器相结合，可以在保证测量精度的同时，大大提高测量速度和测量效率。解决了现有高精度测量设备测量速度慢测量效率低的难题。

参考文献

[1]陈欣，金俊杰，王可.一种复杂曲面测量新技术的理论研究[J].组合机床与自动化加工技术，2007（2）：18-19，23.

[2]李雪宝，许骏，邓林华，等.非接触式激光平面检测系统[J].现代电子技术，2010，33（3）：134-136，146.

（作者单位：南京牧镭激光科技有限公司）