打磨机器人控制器的软件系统设计

2021-11-19游玮崔云从方华杰方明

机器人技术与应用 2021年3期

游玮崔云从方华杰方明

（1埃夫特智能装备股份有限公司，安徽芜湖，241000；2 香港中文大学，香港，999077)

0 引言

近年，科技进步不断推动机器人技术的快速发展[1-2]。机器人控制器是机器人的重要组成部分，在很大程度上影响着机器人的发展[3-4]。

传统经济型工业机器人的控制器具有成本高、功耗大等缺点[5-6]，不适合中小型移动机器人[7-8]。针对上述问题，本文设计了一种底层控制系统软件，经调教，能满足埃夫特品牌所有机器人控制器运算能力强、实时性好等要求，且具有占用内存小、模块化设计等优点。

1 系统方案设计

底层软件设计的主要工作是编写相关硬件驱动。驱动包括示教盒与主控制器两部分，基于实时性要求不同，两者分别采用uc/os和linux操作系统。示教盒与控制器关系，如图1所示。

图1 示教盒软件与控制器软件关系图

2 Boot Loader设计

Boot Loader作用是引导加载内核程序。由于RS232串口传输速度慢，不适合大文件下载，而Uboot具有基于TFTP协议的以太网下载模式，极大提高了下载速度，因此选择Uboot作为Boot loader。在启动Uboot时，需要设置参数、传输文件和PC主机通信。示教盒的启动流程如图2所示。

图2 示教盒核心板软件启动流程图

3 内核驱动设计

内核驱动是软件底层核心部分，用户调用驱动程序控制硬件，硬件利用程序进行反馈。控制器包含CAN、RS232、RS485、AD和DA通信总线，各总线需要相应驱动程序。

3.1 RS232驱动

本文提出用RS232C，该通信标准于1969年由美国电子工业联合会发布，其通信形式分为零Modem和Modem两种。本文采用零Modem与计算机串口通信，传输距离15m，波特率195200bps。AM3517有4个串口，其中前三路UART接口的IRQ（中断）指向MPU系统，第四路UART不具有IRQ（中断）功能，不作为实时串口使用。AM3517串口功能模块具体线路如图3所示。

图3 AM3517串口功能模块

RS232驱动模块分为初始化、发送数据、中断接收函数三个部分。初始化函数第一步为设置串口，例如设定中断号、优先级和服务子程序等；第二步至第六步分别为清空寄存器，关闭FIFO，设置波特率，设置EFR寄存器，接收中断，设置EFR转为正常模式。接收函数指中断服务子函数，发送函数将数据写入寄存器里，通过判断语句进行判断，结合AM3517手册，初始化函数框架图如图4所示。

图4 初始化函数框架图

3.2 RS485驱动

选用RS485接口可以显著提高RS232的传输速度，具有传输距离长、稳定性好的优点。为满足AM3517对于485接口的需求，本文将MAX3485芯片转成RS485通信格式，使用RS232进行驱动，如图5所示。

图5 485转换电路

3.3 CAN驱动

CPK（CAN Protocol Kernel）接收消息，接收控制单元选择信息储存位置。控制单元通过检查信息状态、标识符和面具（mask）决定邮箱地址，将信息过滤在第一个邮箱。管理单元通过网络计数器。控制信息的传输与接收。在规定时间内，若没有接收信息将产生报警。

AM3517的CAN总线通信原理如图6所示。

图6 CAN总线控制图

CPU将数据存储并发送邮箱，RAM读取数据和标识符后，若TRSn被设置，信息将按优先级发送。优先级由寄存器（CANMCF）中TPL位决定。CPU完成数据读取后，将中断CPU接收信息。比较mask与标识符，若相等，则RAM将接收标识符、控制位以及数据字节；反之，则不会存储。CPU读取数据后，RMPn将被重置。

3.4 SPI驱动

AD/DA的芯片通过SPI（Serial Peripheral Interface）总线与AM3517通信，且SPI属于串行总线式协议，故通过调用AD与DA中的驱动即可实现目标要求。主机将时钟信号发送给从机，可进行同步化处理。

3.5 驱动测试

即通过RS232驱动测试函数。外部发送RS232数据给控制器，系统读取后，根据ServerStub.c文件的指令列表，选择执行Comm.c文件函数，最后通过rs232.文件函数，将数据发送给外部232接收器。该函数由判断和功能句两部分组成，具体关系如图7所示。

图7 测试函数

在图7中，{“ts232”,(CommFunc) testRS232,(CommFuncHelp) WeldTestHelp}为指令列表函数，主要对Comm.c文件函数起选择作用。void testRS232(int argc,char *argv[],int whichUart)为执行函数，通过判断是否进入1通道RS232测试。count=Rs232_1_GetStr(testbuffer_1)函数可以获取外部发送到232中的缓存数据。Rs232_1_SendStr(testbuffer_1)函数将数据发送给外部232接收器。

3.6 内核设计

uc/os是开源系统，便于开发人员下载源码，具有执行效率高、占用空间小、实时性和扩展性强等特点。基于uc/os系统，本文根据机器人相关要求设计内核。内核启动流程主要包括汇编启动程序、系统初始化、Main程序初始化和任务分配运行四个部分，如图8所示。

图8 内核启动流程图

在图8中，汇编启动程序引导内核运行启动、中断向量表及跳转主程序；系统初始化指对板级系统设置，如系统时钟等；Main程序初始化则是初始化各个设备驱动；任务分配运行由任务分配初始化与任务运行两部分组成，具体如图9、图10所示。

在图9中，SYS_TASK负责根文件、内存变量、机器人相关变量的初始化、读取配置文件、判断示教盒有无且决定是否通信；WatchprocessorTASK负责串口监视，执行当前工作状态；接收串口命令和打印信息；InterpTASK进行插值和计算目标位置，在手动关节插补体现；AnalyzeTASK负责示教模式下的自动计算运行位置；PlcSecondTASK通过PLC处理I/O口信息；ServoProcessorTASK处理伺服反馈信息。