基于现场总线的机械手控制系统的设计Word格式.docx
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使用低功率振荡晶体（LowPowerCrystal）
XT：
使用振荡器∕谐振器（Crystal/Resonator）
HS：
使用高速振荡器（HighSpeedCrystal/Resonator）
RC：
使用电阻∕电容（Resister/Capacitor）
一般常用振荡晶体或是谐振器作为单片机振荡源，外接电路及PIC内部电路说明如图1-3所示。
图中电容C1与C2规格大小是根据Crystal或Resonator而有所不同，表1列出电容建议值，使用其它振荡源的电路说明请参考产品资料手册。
图1-3振荡源电路图（图片来源：
表1.建议电容值（图片来源：
1．3．2外加电源与重置电路
PIC16F877的工作电压为5V，连接Pin11与Pin32，Pin12与Pin31为地线接脚；
重置电路连接Pin1，按下Reset后，内部指令重头开始执行，系统重新运作。
图1-4.电源与重置电路
1．3．3输入输出接口
PIC16F877除了上述基本电路所占用的7支接脚外，其余的33支接脚都可当成输出、输入接脚，输入输出端口是单片机基本界面，可以与周边电路进行电路控制和信号传输与检测。
PIC是8位的单片机，以接脚特性分组，每组尽量凑满8支接脚，并将I/O命名为PORTA（RA0~RA5）、PORTB（RB0~RB7）、PORTC（RC0~RC7）、PORTD（RD0~RD7）和PORTE（RE0~RE2）等，各分组接口特性说明如下：
●PORTA
PIC16F877的PORTA总共有6个位（RA0~RA5），PORTA的接脚可作为数字输出输入端口，而系统重置后，PORTA自动成为模拟输入状态，可读取模拟输入讯号。
●PORTB
PORTB总共有8个位（RB0~RB7），可以撰写程序规划输入输出方向、状态，其中，要进行烧录时，使用到三支接脚，分别是Pin36（RB3/PGM）、Pin39（RB6/PGC）与Pin40（RB7/PGD）。
●PORTC
PORTC总共有8个位（RC0~RC7），除了可作为数位I/O外，还和一些特殊功能的周边电路共享接脚，例如CCP（直流马达控制）、I2C、SPI（同步串行通讯电路）、UART（异步串行传输电路）等等。
●PORTD
PORTD总共有8个位（RD0~RD7），可作一般数字I/O，并与PSP（ParallelSlavePort）并列传输接口共享。
当整体系统需要多单片机时，彼此可以经由并列传输接口来快速传输资料。
●PORTE
PORTE总共有3个位（RE0~RE2），PORTE的Pin8、9、10有三种功能，除了基本I/O功能，也有模拟输入功能，而上述PORTD的并列传输接口设定所需的控制接脚，如/RD、/WR、/CS等，也是属于PORTE接脚。
1．4PIC16F877指令简介
PIC16F877常用的语言有汇编语言与C语言两种，汇编语言是将每一个机器码使用一个文字代号代表，比较接近处理器真正动作模式；
而C语言是比较符合人们的使用习惯，事先将汇编语言组合成C语言形式，使用较为方便，但是C语言所组译的机器码程序通常比较大，且组译软件通常需要额外购买。
以下简介汇编语言相关指令与一套C语言组译软件。
1．4．1PIC16F877指令摘要
PIC是采用RISC（ReducedInstructionSetComputing，精简指令集），与8051系列采用的CISC（ComplicatedInstructionSetComputing，复杂指令集）不同，PIC16F877所有指令指有35个，8051高达111个指令，图5为PIC16F87X指令列表，详细指令说明请参阅产品资料手册。
图5.组合语言说明（图片来源：
2机械手控制系统及CAN总线基础
本章首先介绍了典型机械手及其控制系统的构成。
机械手控制系统一般包括集中控制系统结构和分散控制系统结构，近年来又发展了基于现场总线的机械手控制系统。
CAN总线是一种具有极大应用前景的现场总线技术，由于其特点适合用作多关节的机械手总线技术。
本章概要介绍CAN总线规范和应用原理，总结其在工业应用方面的实例，最后介绍CAN总线编程的概念和基础。
2．1典型机械手及其控制系统的构成
2．1．1典型机械手的构成
通常，机械手是一个机械电子系统。
它的6大要素是计算机、动力、传感器、驱动系统、执行器和机械本体，如图2—1所示。
图2—1典型机械手结构示意
“计算机”是机械手的指挥系统。
它将来自各传感器的检测信息集中、存储并进行处理，然后按照一定的程序和节奏发出各种指令，去指挥和控制整个系统的运动。
“动力”是机械手的能源，为“驱动系统”提供能量和动力功能，并驱动执行器运行。
“传感器”是机械手感知外界的器官。
其功能是将系统运行中需要的各种参数及状态检测出来，变成一种可测量的物理信号，传给计算机，经过信息处理后根据需要做出反应。
它与人的五官作用相似。
“执行器”是机械手完成抓取物体和扩大行走范围的环节，和人的四肢作用相似。
“机械本体”是指机械手的机械结构和支承装制和人的躯体作用相同。
2．1．2机械手控制系统
常见的机械手控制系统有两种形式，一种是集中控制，另一种是分散控制。
下面对这两种机械手控制系统作简单介绍。
1．集中控制系统
集中控制即由一台主机控制一个机械手系统。
主机负责全部控制系统工作，包括机械手运动学分析、路径规划及控制算法等，而各关节的驱动及控制通过一个接口卡直接和集中控制计算机相连，如图2—2所示：
图2—2机械手的集中控制系统结构示意图
这类控制装置采用速度和性能较好的PC机来进行控制，能够实现在线编程，友好交互，系统具有结构简单、搭建方便等优点。
但对于要求较高、运算量较大的机械手控制系统，其处理速度受到很大的制约。
同时，系统连线复杂，降低了系统的可靠性。
2．分散控制系统
分散控制机械手系统是指控制系统有一个主处理器，同时还有多个分处理器，主处理器负责控制系统的总体控制，而分处理器负责单个关节的控制，如图2-3所示。
图2—3机械手分散控制系统示意图
分散控制系统提供了一个开放、实时、精确的机械手控制系统，可以在上位机上进行不同的轨迹规划和控制算法，在下位机上进行插补细分和控制优化等的研究和实现。
2．1．3基于现场总线的机械手控制系统
随着分散控制系统的规模扩大，如普通6关节的机械手就需要有个独立的控制器，同时它们之间必须能够进行实时、高效、可靠的通讯。
为此，随着现场总线技术的发展，该技术在机械手控制系统领域也得到了应用。
根据IEC1158定义，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备／仪表与控制室内的自动控制装置和系统之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”。
或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现信息互换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机控制与通信技术结合的产物，是新一代全数字、全分散和全开放的现场控制系统。
其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两种；
“现场设备／仪表”是指位于生产现场的各种传感器、驱动器和执行机构等设备。
因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。
人们把基于这项技术的自动化系统称为基于现场总线的控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。
采用现场总线的主要技术特点如下：
●用数字化通信取代4～20mA模拟仪表；
●控制功能下移，实现彻底地分散控制；
●具有互操作性；
●集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体；
●真正的开放式系统。
到目前为止，世界上约有40多种现场总线，比较流行的有：
CAN总线、Profibus总线、LonWorks总线、ISP总线协议及WorldFIP总线标准等：
基于CAN总线的分散式机械手控制系统结构，如图2-4所示。
图2—4基于CAN总线的分散式机械手控制系统
基于CAN总线的并行DSP的机械手控制器，使系统实现双速率运行，同时满足系统对计算时间和高伺服控制频率的要求。
但其结构复杂，适合对控制策略要求较高的机械手控制系统。
对于普通的机械手控制系统，可以采用单片机组成下位机及关节驱动控制器，该方案基本开发实例采用的技术方案。
2．2CAN总线原理与应用基础
2．2．1CAN总线基础
1．CAN总线概述
“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网，简称CAN，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。
实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。
例如，当使用PHILIPSP82C250作为CAN收发器（或称CAN驱动器）时，同一网络中允许挂接110个节点。
CAN可提供高达1Mbit／s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。
另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力，亦即增强了控制系统的抗电磁干扰能力。
CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。
当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit／s的数据传输速率。
2．CAN总线的发展
CAN总线最初出现在20世纪80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。
当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作，这就使得电子装置之间的通信越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。
提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，减少不断增加的信号线。
于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。
可见，CAN总线最初被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络，比如：
发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备和电子主干系统，均嵌入CAN控制装置。
1993年，CAN总线已成为国际标准ISOll898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。
由于CAN总线具有很高的实时性能，因此CAN总线已经在汽车工业、航空工业、工业控制和安全防护等领域中得到了广泛应用。
CAN总线协议定义
CAN通信协议主要讲述设备之间的信息传递方式。
CAN层的定义于开放系统互联模型。
每一层与另一设备上相同的那一层通信。
实际的通信发生在每一设备相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互联。
CAN规范定义了模型的最下面两层：
数据琏路层和物理层。
表2-1展示了OSI开放式互联模型的各层。
应用层协议可以有CAN用户定义成特别适合工业领域的任何方案，已在工业控制和执照业领域得到了广泛应用的标准是DeviceNet。
这是为可编程控制器和智能传感器ingy设计的。
在汽车工业，许多制造商都应用自己的标准，但CAN总线是应用较多的一种。
表2-1OSI开放系统互联模型
层数
名称
功能说明
7
应用层
最高层用户软件网络终端等之间用来进行信息交换，如DeviceNet
6
表示层
将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式
5
会话层
依靠底层的通信功能来进行数据的有效传递
4
传输层
两通信节点之间数据传输控制操作，如数据重发和数据错误修复
3
网络层
规定了网络连接的建立维持和拆除的协议，如路由和寻址
2
数据链路层
规定了在介质传输的数据位的排列和组织，如数据校验和帧结构
1
物理层
规定通信介质的物理特性，如电气特性和信号交换的解释
2．2．2CAN总线的特点
1．CAN总线的主要特性
CAN属于现场总线范畴。
它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。
在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器和抗滑系统应用中，CAN的位速率可高达1Mbps。
同时，它可以廉价地用于交通运载工具电器系统中，例如：
灯光聚束、电气窗口等，以代替需要的硬件连接。
CAN的主要特性：
●低成本；
●总线利用率高；
●数据传输距离远（长达10km）；
●高速的数据传输速率（高达lMbit／s，1．0版本）；
●可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；
●可靠的错误处理和检错机制；
，
●发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
。
●节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
’
●报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息和优先级信息。
2．CAN总线的数值特性
CAN总线的数值为两种互补逻辑数值之一：
“显性”或“隐性”。
“显性”Dominant数值表示逻辑0，而“隐性”Recessive表示逻辑1。
“显性”或“隐性"
位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。
总线位的数值表示如图2—5所示。
在“隐性”状态下，
和
被固定于平均压电平，
近似为0。
在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性"
状态。
“显性”状态以不大于最小阈值的差分电压表示。
在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性”状态并发送。
图2-5CAN总线位的数据表示
CAN能够使用多种物理介质，例如：
双绞线和光纤等，最常用的就是双绞线。
信号使用差分电压传送．两条信号线被称为CAN—H和CAN—L，静态时均是2．5V左右，此时状态表示为逻辑1，也可以叫做“隐性”。
用CAN—H比CAN—L。
高表示逻辑0，称为“显性”，此时，通常电压值为：
=3．5V和
=1.5V。
3．CAN总线的传输距离
CAN系统内任意2个节点之间的传输距离与其位速率有关。
2个节点间的最大距离，如表2-2所列。
表2—2CAN总线系统任意2个节点之间的最大传输距离
位速率/kbps
最大总线长度/m
总线定时（主频16HZ）
BTR0
BTR1
1000
40
00H
14H
500
130
1CH
250
270
01H
125
530
03H
100
620
43H
2FH
50
1300
47H
20
3300
53H
10
6700
67H
10000
7FH
4．CAN总线的技术规范
CAN总线是一种串行通信协议。
在CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对数据的成帧处理。
CAN总线的一个最大特点是废除了传统的地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。
采用这种方法的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据标识可由ll位或者29位二进制组成，因而可以定义211或者229个不同的数据块。
这种按照数据块编码的方法，还可使不同的节点同时接收相同的数据。
数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业控制领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。
同时，8个字节不会占用总线时间太长，从而保证通信的实时性。
CAN协议采用CRC检验并提供相应的错误处理功能，保证数据通信的可靠性。
由于CAN总线为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通信报文的标准化：
为此，1991年9月PHILIPSSemiconductor制定并发布了CAN技术规范（Version2.0）；
该技术规范包括A和B两个部分。
2．0A给出了曾在技术规范版本1．2中定义的CAN报文格式。
而2．0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。
此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局域网（CAN）国际标准（ISO11898）专控制局域网标准化、规范化铺平道路。
5．CAN前景展望
尽管CAN协议已经有15年的历史，但它仍处在改进之中。
从2000年开始，一个由数家公司组成的ISO任务组织，定义了一种时问触发CAN报文传输的协议。
BerndMueller博士、ThomasFuehrer、Bosch公司人员、半导体工业专家和学术研究专家，将此协议定义为“时间触发通信的CAN（TTCAN）"
，并计划在将来标准化为IS011898—4。
这个CAN的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输，而且可以实现CAN的xby-wire应用。
因为CAN协议并未改变，所以，在同一个物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。
TTCAN将为CAN延长5～10年的生命期。
现在，CAN在全球市场上仍然处于起始点，应当得到重视，谁也无法预料CAN总线系统在下一个10～15年内的发展趋势。
这里需要强调一个现实：
近几年内，美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使用CAN；
另外，大量潜在的新应用（如娱乐）正在呈现，不仅可用于客车，也可用于家庭消费，同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对CAN的需求也正在稳健增长。
德国专业委员会BIA和德国安全标准权威TUV已经对一些基于CAN的保安系统进行了认证。
CANopen—Safety是第一个获得BIA许可的CAN解决方案，DeviceNet—Safety也会马上跟进。
全球分级协会的领导者之一，GermanischerLloyd．正在准备提议将CANopen固件应用于海事运输。
在其它事务中，规范定义可以通过自动切换将CANopen网络转换为冗余总线系统。
2．2．3CAN总线技术的工业应用
由于CAN总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通信协议简单和高性能价格比等突出优点，深得许多工业应用部门的青睐，其应用由最初的汽车工业迅速发展至数控机床农业机械、铁路运输、粮情检测及过程测控等各个方面。
CAN在国外发展迅速，奔驰S型轿车采用的就是CAN总线系统；
美国商用车辆制造商们也将注意力转向CAN总线；
美国一些企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上。
由于CAN总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到广泛应用。
从现场控制的角度看，基于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
CAN作为现场设备级的通信总线，和其它总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比，其总线规范已经成为国际标准，被公认为几种最有前途的总线之一。
目前，CAN接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格低廉，且使用简单，CAN总线可广泛应用于工业测量和控制领域。
由于CAN总线的以上特点，其适合应用到机械手控制领域，尤其适合具有多个关节的大型机械手，以及多个机械手协同控制的环境，在机械手的不同关节控制器以及其与主控制器之间、多个独立机械手协同控制的总线连网，都可以采用CAN总线技术。
由于底层网络的控制系统将控制功能分散到由CAN总线连接的各个智能控制节点，这些节点并行工作，某个节点的失效不会影响其它节点的运行，使系统危险降低，并且可以通过备用节点替换出现故障的节点，使系统的可靠性大大提高。
2．3CAN总线的应用软件设计
2．3．1CAN控制器应用软件设计概述
CAN控制器其内部硬件实现了CAN总线物理层和数据链路层的所有协议内容，有关CAN总线的通信功能均由CAN控制器自动管理执行。
CAN控制器对于CPU来说，是以确保双方独立工作的存储影像外围设备出现的。
CAN控制器的地址域由控制段和报文缓存器组成，在初始化向下加载期间，控制段可被编程以配置通信参数。
CAN总线上的通信也通过此段由CPU控制．被发送的报文必须写入发送缓存器，成功接收后，CPU可以从接收缓存器读取报文，然后释放它，以备下次使用。
对于在片的CAN控制器，与CPU之间的接口一般借助于4个特殊寄存器：
CAN地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器和状态寄存器。
对于单独的CAN控制器，MCU可以通过其地址／数据总线对其寄存器直接寻址，就像MCU对一般外部RAM寻址一样。
通过对这些寄存器的编程操作．可以很方便地控制CAN控制器完成通信功能。
2．3．2CAN总线节点的应用程序设计
CAN总线节点要有效、实时地完成
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