基于機(jī)械臂控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊研究

黃曉剛，黃品劍，湯劍，周天龍，王海倫

（1.衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，浙江衢州324000；2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306；3.浙江神州機(jī)器人科技有限公司浙江衢州324000；4.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院浙江杭州310018）

基于機(jī)械臂控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊研究

黃曉剛1，2，黃品劍3，湯劍1，周天龍4，王海倫1

（1.衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，浙江衢州324000；2.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306；3.浙江神州機(jī)器人科技有限公司浙江衢州324000；4.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院浙江杭州310018）

為了提高機(jī)械臂控制系統(tǒng)的性能，使其在運(yùn)行中動(dòng)作可控、速度穩(wěn)定、位置精確，本文針對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行研究。本數(shù)據(jù)采集模塊以TI公司的DSP（TMS320F28016）為控制芯片，使用RS232和CAN總線雙通信總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制。采集到的信號(hào)采用遞推平均濾波法，濾波后以數(shù)字信號(hào)的方式送給控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滿足機(jī)械臂動(dòng)作要求，得到了所需要的信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中做到了動(dòng)作協(xié)調(diào)、速度平滑穩(wěn)定以及位置精確，整體上大大提高了系統(tǒng)的性能。

機(jī)械臂；DSP；RS232；數(shù)據(jù)采集

機(jī)械手臂是自動(dòng)化設(shè)備不可缺少的重要組成部分，機(jī)械手臂的高效安全工作對(duì)生產(chǎn)和生活都有著非常重要的意義。目前，隨著機(jī)械設(shè)備高速化和重載化的發(fā)展趨勢，對(duì)機(jī)械手臂的工作平穩(wěn)性能和安全性能提出了越來越高的要求［1］。數(shù)據(jù)采集是機(jī)械臂控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，只有采集到準(zhǔn)確的信號(hào)，才有可能達(dá)到系統(tǒng)的性能要求。采集的信號(hào)往往是模擬信號(hào)，由于模擬信號(hào)傳輸失真大、保密性能差，數(shù)據(jù)處理適應(yīng)性差，所以很多時(shí)候需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、記錄、顯示以及控制相應(yīng)的設(shè)備［2］。文中就是要制作一個(gè)基于TMS320F28016的數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集，并以數(shù)字信號(hào)的方式送給控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要由AD轉(zhuǎn)換器；PWM脈寬調(diào)制模塊；QEP正交編碼模塊；SPI異步通信模塊；EEPROM存儲(chǔ)模塊；數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)饶K組成。本設(shè)計(jì)使用了一片TMS320F28016高性能DSP，外加部分?jǐn)U展實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高集成、小體積、低功耗、低成本、高可靠。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2　關(guān)鍵技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)

2.1F28016DSP控制系統(tǒng)簡介

使用TMS320F28016構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊控制系統(tǒng)，幾乎不用再添加其他外圍電路，是一種良好的一片式解決方案。相比現(xiàn)在廣泛使用的F2407，F(xiàn)28016新一代的內(nèi)核具有更高的工作頻率（60M），高效的性能可以完成各種復(fù)雜的控制算法，且價(jià)格相比高端的2812又極具優(yōu)勢［3］。TMS320F28016勢必將成為新一代控制的首選芯片之一。

2.2電源電路設(shè)計(jì)

F28016是雙電源供電：內(nèi)核使用1.8V低電壓能有效降低功耗，外部I/O口為3.3V能與大多數(shù)電路匹配，并且需要考慮上電復(fù)位。在這里采用的是REG1117-3.3與REG1117-1.8最大工作電流1 A完全滿足F28016的電源要求。復(fù)位采用X5043芯片，自帶電壓保護(hù)并內(nèi)置512字節(jié)EEPROM儲(chǔ)存器，通過SPI方式與DSP通信。X5043滿足F28016電源上電復(fù)位需求，并解決了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存問題。如圖2所示。

圖2　復(fù)位與EEPROM儲(chǔ)存原理圖

2.3數(shù)字控制量輸出驅(qū)動(dòng)電路

圖3是DSP數(shù)字控制量輸出驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)子單元。為了防止被控設(shè)備對(duì)DSP的干擾，電路中加入了光耦隔離器TLP521，R1為光耦輸入二極管的限流電阻。由于DSP無法提供光耦導(dǎo)通時(shí)需要的50 mA電流，故在光耦的輸出三極管處加了一個(gè)S8050 NPN管，與光耦的輸出三極管一起構(gòu)成了達(dá)林頓管形式，一起驅(qū)動(dòng)繼電器K1。圖中的D1 1N4001是繼電器的續(xù)流二級(jí)管，因?yàn)槔^電器是感性元件。CON3是繼電器的輸出接口。

圖3　數(shù)字控制量輸出驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3　軟件設(shè)計(jì)

本程序使用C語言編寫，編譯器采用CCStudio3.3，該編譯器是DSP程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。調(diào)試工具使用JTAG調(diào)試器TI DSP EMULATOR，軟件編寫調(diào)試結(jié)合系統(tǒng)硬件。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過CCStudio3.3中自帶的圖形顯示功能，可以方便的對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。只需要在程序中設(shè)置一個(gè)數(shù)組，將采樣得到的數(shù)據(jù)存放進(jìn)數(shù)組。使用Graphical Display圖形顯示功能，就能反映出一段時(shí)間以內(nèi)的數(shù)據(jù)變化信息。

本模塊的軟件設(shè)計(jì)中，采用遞推平均濾波法，其優(yōu)點(diǎn)為對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。如圖5為未進(jìn)行濾波采集到的數(shù)據(jù)波形，圖6為采樣濾波后的波形。

圖5　濾波前圖形

圖6　濾波后圖形

5　結(jié)束語

該數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)測驗(yàn)，能滿足機(jī)械臂控制系統(tǒng)的性能要求。除此之外，該數(shù)據(jù)采集控制模塊具有廣泛的應(yīng)用前景，文中所述模塊在設(shè)計(jì)上充分考慮其應(yīng)用上的通用化程度，并得到了理想的調(diào)試結(jié)果。該模塊進(jìn)行簡單的配置與調(diào)整，即可在環(huán)境監(jiān)測、簡單閉環(huán)控制等多種對(duì)穩(wěn)定性、功耗、成本有要求的場合得到應(yīng)用。模塊的上位機(jī)軟件和配置軟件僅開發(fā)了部分子模塊供應(yīng)用層調(diào)用，實(shí)際用戶可根據(jù)具體項(xiàng)目需求自行開發(fā)應(yīng)用程序，從而讓該模塊投入使用。

［1］王俊龍，張國良，敬斌，等.一種新的六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，49（22）: 266-270.

［2］周翔.基于C8051的嵌入式多功能測控模塊設(shè)計(jì)［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（4）:37-40.

［3］張秀玲，李曉輝，徐騰，等.PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混沌優(yōu)化及其在機(jī)械臂軌跡跟蹤控制中的應(yīng)用［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（5）:84-95.

［4］Mahdi Ashabani，Ali Kashefi Kaviani，Babak Abdi.MinimizationofCommutationTorqueRippleinrushlessDCMotorswith Optimized Input Voltage Control［J］.IEEE，2008:250-255.

［5］Chang-hee Won，Joong-Ho Song，and Ick Choy Commutation Torque Ripple Reduction in Brushless DC Motor Drives Using a Single DC Current Sensor［J］.IEEE，2002（2）:985-990.

［6］Hwang S M and D.K.Lieu Reduction of Torque Ripple in Brushless DC Motors［J］.IEEE，31（6）:3737-3739.

Research of data acquisition module based on mechanical arm control system

HUANG Xiao-gang1，2，HUANG Pin-jian3，TANG Jian1，ZHOU Tian-long4，WANG Hai-lun1
（1.College of Electrical and Information Engineering，Quzhou University，Quzhou 324000，China；2.Logistics and Engineering College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China；3.Zhejiang Shenzhou Robots Technology CO.LTD，Quzhou 324000，China；4.Zhejiang Province Institute of Metrology，Hangzhou 310018，China）

In order to improve the dynamic characteristics of sewing machine servo system，make it controlable，run stably and locate precisely，we research on the Data Acquisition Module based on Mechanical Arm control system.As the core of DSP（TMS320F28016）microcontroller data acquisition technology，use the RS232 and CAN pairs of communications bus to achieve the data acquisition and system control.Recursion average filtering method was used，then send digital signals to PC.The results of the experiments show that the controller has some advantages which can meet the demand of the Mechanical Arm，and also improve the dynamic performance of the whole system.

mechanical arm；DSP；RS232；data acquisition

TP273

A

1674－6236（2016）17-0145-02

2015-09-09稿件編號(hào)：201509068

衢州市科技局項(xiàng)目（2014Y011）；上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2015ycx073）

黃曉剛（1986—），男，浙江東陽人，博士研究生，講師。研究方向：智能儀器與儀器智能化。