基于IEEE1451.1的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器設(shè)計

傳感器或執(zhí)行器到微處理器及網(wǎng)絡(luò)之間的硬件和軟件接口標(biāo)準。本文根據(jù)1451.1標(biāo)準，研制面向Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)，并給出硬件設(shè)計框圖和軟件流程。

傳感器 IEEE 1451.1 機器人手爪

引言

傳感器與網(wǎng)絡(luò)相連，是信息技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢。然而控制總線網(wǎng)絡(luò)多種多樣，千差萬別，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通信接口、通信協(xié)議各不相同，以此來連接各種變送器（包括傳感器和執(zhí)行器），則要求這些傳感器或執(zhí)行器必須符合這些標(biāo)準總線的有關(guān)規(guī)定。由于技術(shù)上、成本上的原因，傳感器的制造商無法使自己的產(chǎn)品同時滿足各種各樣的現(xiàn)場總線要求，而這些現(xiàn)場總線本身有各自的優(yōu)點，針對不同的應(yīng)用對象，有自身的優(yōu)勢；但它們之間的不兼容性、不可互操作性和各自為戰(zhàn)的弊端，給廣大用戶帶來了很大的不便。一個通用的、普遍接受的傳感器接口標(biāo)準將使制造商、系統(tǒng)集成者和最終用戶受益，這就是IEEE 1451標(biāo)準產(chǎn)生最直接的原因[1～8]。在各方努力下，IEEE和NIST在1997年和1999年頒布了IEEE 1451.2和IEEE 1451.1標(biāo)準，同時成立了2個新的工作組對標(biāo)準進行進一步的擴展，即IEEE P1451.3和IEEEP1451.4。

IEEE 1451.2標(biāo)準定義了一個連接傳感器到微處理器數(shù)字接口（STIM），并通過網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）把傳感器和執(zhí)行器連接到網(wǎng)絡(luò)；IEEE 1451.1標(biāo)準定義了網(wǎng)絡(luò)獨立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向?qū)ο蟮哪Ｐ投x提供給智能傳感器及其組件。根據(jù)IEEE 1451.2標(biāo)準，要研制一個網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)需要2個微處理器，分別承擔(dān)STIM模塊和NCAP模塊的內(nèi)核作用，這給系統(tǒng)的研制帶來了很大的難度和復(fù)雜性。據(jù)IEEE和NIST最新資料，1451.X標(biāo)準之間可以一起使用，也可以單獨使用。我們采用NetBox網(wǎng)絡(luò)模塊作為開發(fā)平臺[9]，設(shè)計了基于IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機器人手爪狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，為整個機器人的網(wǎng)絡(luò)控制打下了基礎(chǔ)。

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框圖

基于IEEE 1451.1標(biāo)準的網(wǎng)絡(luò)化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)如圖1所示。它由傳感器、數(shù)據(jù)采集電路和NetBox網(wǎng)絡(luò)模塊組成。

1.2 傳感器簡介

機器人手爪是機器人執(zhí)行精巧和復(fù)雜任務(wù)的重要部件[10]。為了機器人能在存在不確定性因素的環(huán)境中進行靈巧操作，其手爪必須具有很強的感知能力。即在機器人手爪上配置多種傳感器。手爪通過傳感器獲得外部環(huán)境的信息，以實現(xiàn)快速、準確、柔順地觸摸、抓取、操作工作等。

EMR機器人手爪的感覺系統(tǒng)由具有適當(dāng)空間分布的10個力覺、6個接近覺、1個距離覺以及1個溫度傳感器構(gòu)成。它們被一體化地設(shè)計和集成到手爪中，并且在手爪上集成了傳感器的信號調(diào)理電路，對外是一個15芯的接口來輸出傳感器信號和接入電源。采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法，對多傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，可得到手爪的握力大小，判斷手爪是否與工件安全連接（即可靠抓?。┮杂脵C器人手腕部所受的多維力大小和方向[11]。

1.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路如圖1所示。它主要由4部分組成：位移傳感器脈沖信號接收電路、8253計數(shù)器電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路。其工作原理如下：NetBox模塊通過CS0選通地址譯碼器，4根地址線可最多有16路輸出，從而選通相應(yīng)的電路，啟動相應(yīng)的功能。比如通過地址設(shè)譯碼電路可選通多路模擬開關(guān)，從而進行機器手爪的力覺、接近覺和溫度傳感器的三個通道選擇，從而采集相應(yīng)的傳感器信號；也可通過地址譯碼電路選中A/D轉(zhuǎn)換器，通過NetBox系統(tǒng)的XCLK時鐘分頻輸出控制A/D轉(zhuǎn)換，而A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后信號通過狀態(tài)線返回到NetBox的XIRQ，從而觸發(fā)中斷，讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

1.4 NCAP

針對網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的特點，我們選用了嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊NetBox作為NCAP的研制平臺。它的微處理器是Intel的高性能、32bit嵌入式微處理器386EX。NetBox模塊上設(shè)置了多種通信接口，包括可直接連接的以及網(wǎng)10Base-T接口、標(biāo)準的RS232C接口、可擴展的RS422/RS485接口以及完善靈活的精簡總線接口，可與大多數(shù)的A/D、D/A、DIO、定時器、雙口RAM等器件直接相連，而不需要任何接口邏輯電路等。圖2所示為NetBox模塊的功能框圖。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件框圖

系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，按功能分為：監(jiān)控程序、外部中斷服務(wù)程序、定時器中斷服務(wù)程序、初始化模塊、LCD顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、客戶端服務(wù)程序和數(shù)據(jù)處理模塊。

2.2 系統(tǒng)工作流程

根據(jù)IEEE 1451標(biāo)準的要求，我們利用CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）原理，把NetBox作為NCAP（網(wǎng)絡(luò)適配器），建立了嵌入式WEB服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TCP/IP。圖4是系統(tǒng)的工作流程圖。系統(tǒng)啟動初始化以后，判斷客戶端網(wǎng)絡(luò)可有服務(wù)請求。有請求則轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理，沒有請求則判斷數(shù)據(jù)處理定時到否。到則進行多傳感器數(shù)據(jù)融合，得出機器人手爪當(dāng)前的相應(yīng)工作狀態(tài)，為機器人的控制、安全操作和行走提供決策的依據(jù)。

2.3 中斷服務(wù)程序

在本系統(tǒng)中，我們利用NetBox的中斷功能來采集傳感器數(shù)據(jù)和利用對外的輸出時鐘信號來控制A/D轉(zhuǎn)換。圖5是中斷服務(wù)程序流程圖。因為機器人手爪具有4種不同的傳感器，具各種傳感器具有不同的數(shù)量。在中斷服務(wù)程序中，采用設(shè)定標(biāo)志位的方法，判斷每一種傳感器數(shù)據(jù)采集工作是否結(jié)束。沒有結(jié)束時，繼續(xù)當(dāng)前傳感器的采樣；否則，轉(zhuǎn)入下一種傳感器的數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)中斷服務(wù)程序中沒有相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)處理工作，是考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的工作量比較大，而且使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法進行數(shù)據(jù)融合，否則易發(fā)生丟失數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

在面向Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)的設(shè)計中，我們采用了IEEE 1451.1標(biāo)準中的一些先進技術(shù)，系統(tǒng)具有如下特點：①電子數(shù)據(jù)表格TEDS技術(shù)，它可以充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關(guān)的參數(shù)。比如，傳感器生產(chǎn)商的名稱、傳感器的類型和序列號等等，從而使傳感器具有了自我描述能力和自我識別能力；②校正引擎技術(shù)，使傳感器內(nèi)部具有自動修正誤差和自我補償能力；③支持TCP/IP協(xié)議，使系統(tǒng)只要在任何一個具有一定IP地址的Internet終端節(jié)點上，做到即插即用。