基于COMX的機(jī)器人伺服控制器設(shè)計

摘要：為了配合EtherCAT協(xié)議在機(jī)器人控制系統(tǒng)上的使用，本文提出了基于COMX和STM32的機(jī)器人伺服控制器解決方案。介紹了COMX模塊的功能及結(jié)構(gòu)，設(shè)計了基于FSMC的接口電路來控制COMX，并設(shè)計了COMX驅(qū)動和伺服控制器的應(yīng)用軟件。最后搭建實驗平臺以測試通信功能和分析轉(zhuǎn)發(fā)延時，驗證了本方案的可行性。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；伺服控制器；EtherCAT；STM32；COMX

引言
    目前，機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究重點在開放式、模塊化控制系統(tǒng)等方面，機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化已成為研究熱點；同時，機(jī)器人伺服控制器的研究也具有很大的應(yīng)用價值。在伺服通信方面，傳統(tǒng)的基于模擬信號傳輸?shù)募⒖刂葡到y(tǒng)需采用數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、分辨率低、可靠性得不到保障且難以擴(kuò)展。為了解決此問題，本系統(tǒng)采用實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT協(xié)議作為機(jī)器人伺服系統(tǒng)的底層協(xié)議，同時構(gòu)建伺服從站控制器。實時以太網(wǎng)技術(shù)簡化了一般總線的互操作性和實時性等方面的問題，能滿足控制網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性要求，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其網(wǎng)絡(luò)實時性高、速度快、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點得到廣泛關(guān)注。本控制器采用德國赫優(yōu)訊公司開發(fā)的嵌入式實時以太網(wǎng)模塊COMX來完成EtherCAT通信的功能，采用STM32系列單片機(jī)(以下簡稱STM32)為主控制器，由STM32來控制電機(jī)和COMX的工作流程。

1 COMX介紹
    嵌入式實時以太網(wǎng)模塊COMX-CA-RE是德國赫優(yōu)訊公司開發(fā)的特殊網(wǎng)卡，支持所有主流的實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(EtherCAT、PROFINET IO、Ethernet／IP、Power-Link、Sereos III、Modbus TCP等)。其協(xié)議棧設(shè)計成可裝載的固件存儲在Flash中；在系統(tǒng)啟動時，COMX模塊會自動裝載保存在Flash中的協(xié)議固件。COMX模塊使用netX500網(wǎng)絡(luò)控制芯片，主機(jī)通過雙端口內(nèi)存DPM接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過對DPM讀和寫來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信及模塊控制。COMX結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    COMX模塊與主機(jī)交互的接口是雙端口內(nèi)存DPM，DPM是netX500控制器和主機(jī)之間共享的存儲區(qū)，應(yīng)用程序通過DPM來實現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)通信、netX系統(tǒng)配置和診斷信息的獲取。在使用COMX模塊進(jìn)行通信時，主要完成主機(jī)對DPM操作程序的編寫以及握手標(biāo)記的設(shè)置等。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)是實時地映射到DPM的，同時應(yīng)用程序通過DPM來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，整個DPM區(qū)域是16 KB的地址空間。

2 硬件設(shè)計
    本伺服控制器主要用于機(jī)器人伺服節(jié)點通信、關(guān)節(jié)電機(jī)的控制、I／O控制，以及傳感信息的采集。主要硬件由COMX和STM32來組成。其中COMX負(fù)責(zé)EtherCAT通信，STM32采用FSMC機(jī)制來讀寫COMX。STM32是從站的伺服控制器主控芯片，主要進(jìn)行電機(jī)控制和A／D、D／A轉(zhuǎn)換模塊的控制，以及負(fù)責(zé)管理COMX模塊的運行流程。其中，伺服通信功能是基于EtherCAT協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)來達(dá)到各模塊互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換的目的，這樣便于伺服節(jié)點的擴(kuò)展和硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計；電機(jī)控制方面，采用RS485接口控制SR518數(shù)字舵機(jī)；STM32的I／O口用于基本的輸入／輸出功能；A／D通道可以連接傳感設(shè)備用于機(jī)器人的感知，D／A通道用于對語音、電流等模擬量的輸出；RS232是開發(fā)過程中的調(diào)試接口。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    STM32采用FSMC機(jī)制控制COMX，將COMX映射到STM32的內(nèi)存空間中，對COMX的讀寫方式與讀寫SRAM相同。嵌入式模塊COMX通過一個50引腳插槽來連接主控芯片，插槽包含了與主機(jī)通信必備的控制線總線、16位數(shù)據(jù)總線和14位地址總線等。COMX與STM32的硬件電路如圖3所示。CO MX內(nèi)存映射到FSMC的第一個存儲塊的第4個分區(qū)中，起始地址為0x6C000000，并且采用8位數(shù)據(jù)寬度來讀寫DPM存儲區(qū)。

3 軟件設(shè)計
3．1 軟件結(jié)構(gòu)
    基于COMX的伺服控制器的軟件框架如圖4所示。伺服系統(tǒng)的主控芯片是STM32，在軟件上采用了ST公司開發(fā)的底層固件庫來操作硬件接口。在本系統(tǒng)中，主要有RS485通信模塊、COMX驅(qū)動模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊以及I／O模塊。系統(tǒng)中通過COMX來實現(xiàn)EtherCAT通信，采用RS485來控制SR518舵機(jī)，同時采用這些模塊的API來構(gòu)建伺服驅(qū)動的應(yīng)用程序。

3．2 COMX驅(qū)動設(shè)計
    COMX驅(qū)動的執(zhí)行流程，在硬件電路連接好的前提下，主要任務(wù)是寄存器的配置及通信流程的控制。首先，要配置STM32的相關(guān)引腳，將與COMX相關(guān)的數(shù)據(jù)線、地址線、片選線和讀寫信號線全部設(shè)置成復(fù)用推挽輸出模式；然后，設(shè)置FSMC的相關(guān)寄存器，配置FSMC時鐘、時序邏輯、讀寫模式、數(shù)據(jù)寬度等；接著，就是COMX啟動檢測階段，由于COMX是獨立網(wǎng)卡，內(nèi)部有獨立的系統(tǒng)，只有在它內(nèi)部系統(tǒng)運行就緒后才能正常通信，這就需要檢測COMX提供的一些標(biāo)志寄存器的相關(guān)位，以此來判斷內(nèi)部系統(tǒng)的狀態(tài)；最后，等COMX一切就緒后就可以正常通信，執(zhí)行讀寫操作。
    COMX是獨立的網(wǎng)卡設(shè)備，通過加載不同的固件程序，來實現(xiàn)各種實時以太網(wǎng)通信協(xié)議，本系統(tǒng)中使用的是EtherCAT從站協(xié)議。在COMX使用之前，要保證固件程序下載到Flash中，同時配置文件也要保存在Flash中。
    COMX上電啟動時，會自動加載運行固件，并讀取配置文件。下載固件時要使用赫優(yōu)訊公司配套的PCI板卡和cifX Test軟件工具，配置文件的下載需要用SYCON．net工具，具體步驟可以查看參考文獻(xiàn)。當(dāng)固件程序和配置文件下載完畢后，就可以使用COMX網(wǎng)卡了。
3．3 COMX讀寫操作實現(xiàn)
    COMX讀寫模式是基于緩沖的握手方式，在DPM中，主機(jī)和netX500系統(tǒng)通過握手標(biāo)記來劃分DPM的數(shù)據(jù)讀寫權(quán)限，這些握手標(biāo)記在握手通道中。每個通道都有一對CMD和ACK標(biāo)記位，當(dāng)這兩個標(biāo)記位相同時，主機(jī)可以寫相應(yīng)的DPM區(qū)域；當(dāng)不同時，主機(jī)可以讀相應(yīng)的DPM區(qū)域。COMX發(fā)送數(shù)據(jù)的過程如圖5所示。

    根據(jù)以上分析過程，可以設(shè)計出COMX發(fā)送數(shù)據(jù)的驅(qū)動程序，其執(zhí)行流程如圖6所示。

    COMX接收數(shù)據(jù)的過程如圖7所示。根據(jù)以上分析過程可以設(shè)計出COMX接收數(shù)據(jù)的驅(qū)動程序，其執(zhí)行流程如圖8所示。

3．4 伺服控制器軟件流程
    伺服從站控制器在啟動后會初始化COMX模塊，然后等待COMX就緒。在控制過程中首先會通過郵箱數(shù)據(jù)發(fā)送電機(jī)的設(shè)置參數(shù)，在參數(shù)設(shè)置完成后就會發(fā)送過程命令來啟動電機(jī)控制，然后進(jìn)入電機(jī)控制循環(huán)。在電機(jī)控制過程中可以使用郵箱數(shù)據(jù)發(fā)送命令來停止電機(jī)控制，在沒接到停止命令時會循環(huán)接收命令，解析后用于控制電機(jī)，直到控制結(jié)束。伺服從站控制器的程序流程如圖9所示。

4 實驗測試
    本系統(tǒng)主要進(jìn)行的實驗如下：其一，對COMX伺服控制器的協(xié)議兼容性測試；其二，對COMX伺服控制器轉(zhuǎn)發(fā)延時的測試。針對以上測試需求，搭建了相應(yīng)的測試平臺。在PC平臺上安裝netANALYZER應(yīng)用軟件和Wireshark軟件。其中netANALYZER用于數(shù)據(jù)抓取和時間分析；Wiresha rk用于數(shù)據(jù)報分析和時間抖動分析。在主站上使用德國赫優(yōu)訊公司的cifX 50-RE網(wǎng)卡和SYCON．net軟件，在從站上使用STM32和COMX開發(fā)的伺服控制器。采用netANALYZER分析卡抓取數(shù)據(jù)包，并采用Wireshark軟件分析數(shù)據(jù)，這樣就可以測試通信的兼容性和功能的實現(xiàn)。同時也可以采用netANALYZER分析卡的時間分析功能去測試控制器的轉(zhuǎn)發(fā)延時。為了分析總線在不同壓力下的轉(zhuǎn)發(fā)延時，進(jìn)行了一組數(shù)據(jù)的測量，并轉(zhuǎn)換為曲線。如圖10所示，從站的轉(zhuǎn)發(fā)延時基本不變。由于總線從站采用了硬件FMMU的映射機(jī)制來獲取數(shù)據(jù)，這一過程延時很短，而且每個從站只處理與自己相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此在轉(zhuǎn)發(fā)過程中數(shù)據(jù)的增加基本不影響轉(zhuǎn)發(fā)延時。

結(jié)語
    機(jī)器人伺服控制器是機(jī)器人組成的關(guān)鍵部件，在使用EtherCAT作為機(jī)器人控制協(xié)議時，需要關(guān)節(jié)控制器能兼容EtherCAT通信。為了解決這個問題，本文設(shè)計了基于COMX和STM32的伺服控制器，從軟件和硬件兩方面進(jìn)行了設(shè)計，同時實現(xiàn)了基于FSMC接口的COMX驅(qū)動以及EtherCAT通信過程。最后，采用測試工具分析了伺服控制器在不同BusLoad下的轉(zhuǎn)發(fā)延時，通過實驗分析驗證了基于COMX模塊的伺服控制器方案的可行性。