除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 前言控制系統(tǒng)是船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人的重要組成部分，其負(fù)責(zé)完成對(duì)除銹爬壁機(jī)器人的行走和轉(zhuǎn)向功能的控制，使機(jī)器人能夠按照預(yù)定的軌跡去工作，因此對(duì)除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)提出如下基本要求:(1)控制系統(tǒng)方便、可靠性高、操作靈活，便于操作人員使用;(2)通過(guò)功能按鍵可以設(shè)定機(jī)器人的多極移動(dòng)速度，并可實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在船體表面上的全方位移動(dòng);(3)由于船舶除銹現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，除銹爬壁機(jī)器人的工作環(huán)境制約了其控制方式，本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高的有線遙控，其控制距離需大于30米。(4)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)除銹爬壁機(jī)器人的簡(jiǎn)單作業(yè)，保證機(jī)器人在爬行過(guò)程中的除銹

2、質(zhì)量。2 除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體方案除銹爬壁機(jī)器人在船體表面上的行走和轉(zhuǎn)向是通過(guò)左右兩個(gè)交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)左右兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向相同時(shí)，爬壁除銹機(jī)器人在船體表面上實(shí)現(xiàn)直線行走。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人前進(jìn);電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人后退。當(dāng)左右兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向相反時(shí)，除銹爬壁機(jī)器人在船體表面上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。綜合考慮各種控制形式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合船舶除銹的實(shí)際情況，爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)二級(jí)分布式控制方式，以保證即使在無(wú)操作人員參與的情況下，下位機(jī)也可以按照上位機(jī)通過(guò)串口預(yù)先給定的指令和參數(shù)實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)，從而使船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人具有高效除銹、自動(dòng)化水平高和減少操作人員操作強(qiáng)度的

3、性能;操作人員也以通過(guò)觀測(cè)船體表面的實(shí)際銹蝕狀況，根據(jù)除銹爬壁機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)情況，隨時(shí)切換到人工操作狀態(tài)，以提高機(jī)器人的實(shí)時(shí)性、實(shí)用性和高效性。在本控制系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)都是基于單片機(jī)而設(shè)計(jì)的。上位機(jī)是以AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心的控制系統(tǒng)，主要由AT89C51單片機(jī)、矩陣鍵盤以及標(biāo)準(zhǔn)的RS一485接口構(gòu)成，其作用是通過(guò)各功能按鍵向下位機(jī)發(fā)送指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人伺服電機(jī)的遠(yuǎn)程控制。下位機(jī)控制器安裝于機(jī)器人本體的背面，控制器內(nèi)部裝有兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電源模塊、和控制電路板。下位機(jī)控制電路板也是以AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心，主要由AT89C51單片機(jī)、8155擴(kuò)展1/0接口

4、電路、D盡、轉(zhuǎn)換與運(yùn)算放大電路、數(shù)字量輸入輸出接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及與上位機(jī)進(jìn)行通訊的RS一485標(biāo)準(zhǔn)接口構(gòu)成，其作用是根據(jù)上位機(jī)傳送的初始化參數(shù)和動(dòng)作指令進(jìn)行動(dòng)作，控制左右兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而控制除銹爬壁機(jī)器人的行走和轉(zhuǎn)向。圖1為除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框圖。圖1除銹爬墻機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3 除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)下位機(jī)控制系統(tǒng)是爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)左右伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制以及與上位單片機(jī)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊，以完成對(duì)機(jī)器人作業(yè)的控制。整個(gè)下位機(jī)控制硬件主要由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和下

5、位單片機(jī)控制電路板構(gòu)成。下位單片機(jī)控制電路板主要輸出模擬量電壓信號(hào)來(lái)控制左右兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制左右兩個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到控制除銹爬壁機(jī)器人行走與轉(zhuǎn)向的目的，同時(shí)它又擔(dān)負(fù)著和上位機(jī)控制器之間的通訊任務(wù)，將上位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的控制指令處理后，再將相應(yīng)的電壓信號(hào)傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)遙控操作的功能。整個(gè)下位機(jī)電路板由AT89C51單片機(jī)、8155FO口擴(kuò)展電路、D/A轉(zhuǎn)換與運(yùn)算放大單元、數(shù)字量輸入輸出接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路以及與上位機(jī)進(jìn)行通訊的RS一485標(biāo)準(zhǔn)接口電路構(gòu)成。3.1.1 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)前面對(duì)伺服電機(jī)的選型可知，本課題選用的是調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)的安川SGA

6、MH一04AAA21型交流伺服電機(jī)，與之相匹配的伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為SGDM一04AD。該伺服驅(qū)動(dòng)器有三種控制模式:速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式和位置控制模式。本系統(tǒng)采用速度控制模式，可通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器的用戶參數(shù)Pn300將速度指令電壓設(shè)定為士10V，其電機(jī)轉(zhuǎn)速與指令電壓成線性關(guān)系，速度指令電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示1。表1速度指令壓電與電極轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系正常工作時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器接受來(lái)自單片機(jī)控制系統(tǒng)的伺服準(zhǔn)備信號(hào)，使伺服電機(jī)通電，處于運(yùn)行狀態(tài)，然后根據(jù)加在VR衛(wèi)F端口上的由單片機(jī)控制系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的模擬指令電壓信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且通過(guò)模擬指令電壓的正負(fù)來(lái)確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而確定爬壁

7、機(jī)器人在船體表面上的行走速度和運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)單片機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器的伺服狀態(tài)輸出信號(hào)，并根據(jù)接收到的信號(hào)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行相應(yīng)的控制。此外通過(guò)伺服電機(jī)的編碼器反饋，可以獲得伺服電機(jī)實(shí)際工作時(shí)轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖2所示為爬壁機(jī)器人單側(cè)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制接線示意圖。圖2交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制接線示意圖3.1.2 AT89C51單片機(jī)及系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位電路AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能COMOSS位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器和128個(gè)字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造。兼容標(biāo)準(zhǔn)M

8、CS一51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元。芯片上的FP三ROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。AT89C51將具有多種功能的8位cPu和FPEROM結(jié)合在一個(gè)芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又價(jià)格適宜方案，具有較高的性能價(jià)格比2。AT89csl單片機(jī)的主要性能如下:1. 與MCS一51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。2. 片內(nèi)有4KB可在線重復(fù)編程的Flash閃速擦寫存儲(chǔ)3. 存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入/擦除1000。4. 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年。5. 寬工作電壓范圍:VCC可為2.7V一6V。6. 時(shí)鐘頻率范圍:OHz一24MHz。

9、7. 程序存儲(chǔ)器具有3級(jí)加密保護(hù)。8. 128x8B內(nèi)部RAM。9. 32個(gè)可編程1/0接口線。10. 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。11. 中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí)。12. 可編程全雙工串行UART通道。13. 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。圖3時(shí)鐘電路 圖4復(fù)位電路AT89C51的復(fù)位輸入引腳RST為其提供了初始化手段，通過(guò)該引腳可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的O000H地址單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)AT89C51的時(shí)鐘電路工作后，只要在RST引腳上出現(xiàn)1Oms以上的高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部則開始復(fù)位。只要RST保持高電平，則AT89C51循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RST由高電平

10、變低電平以后，AT89C51才一從0000H地址開始執(zhí)行程序。因此，AT89C51單片機(jī)在控制系統(tǒng)中正常工 作必須要有合適的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。圖3和圖4分別為AT89C51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路由一個(gè)12M的晶振和兩個(gè)30pF的小電容組成，它們決定了單片機(jī)的工作時(shí)間精度為1微秒。復(fù)位電路由22協(xié)F的電容、IK的電阻、按鍵以及IN4148二極管組成，可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。通常的復(fù)位采用10協(xié)F電容和IOK電阻組成復(fù)位電路，在本系統(tǒng)中我們根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選用22協(xié)F的電容和IK的電阻，其好處是在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。其

11、中IN4148二極管的作用是起到快速泄放電容電量的功能，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)多次復(fù)位。3.1.3 38155擴(kuò)展1/0接口電路在爬壁機(jī)器人下位機(jī)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器正常工作所需單片機(jī)的輸入輸出信號(hào)較多，需占用AT89C51單片機(jī)大量的輸入輸出口線，而Al，89C51單片機(jī)本身提供的輸入輸出口線并不多，只有Pl準(zhǔn)雙向口的8位FO口線和P3口的某些位線可作為輸入輸出線使用，輸入輸出線不足16條，因此，為滿足系統(tǒng)需求，AT89C51單片機(jī)需要外擴(kuò)輸入輸出(FO)接口芯片。AT89C51單片機(jī)的外部I/O口是和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM統(tǒng)一編址的，用戶可以把外部64K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM空間的一部分作為擴(kuò)展

12、FO接口的地址空間，每一個(gè)接口芯片中的一個(gè)功能寄存器口地址就相當(dāng)于一個(gè)RAM存儲(chǔ)單元，CPU可以像訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM那樣訪問(wèn)外部接口芯片，對(duì)其功能寄存器進(jìn)行讀、寫操作。在本系統(tǒng)中，我們采用Iniel的815SH芯片擴(kuò)展FO口，該芯片內(nèi)包含有256個(gè)字節(jié)的靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器、兩個(gè)可編程的8位并行口PA和PB、一個(gè)可編程的6位并行口PC以及一個(gè)14位減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?？梢詾閱纹瑱C(jī)提供22個(gè)輸入輸出口線和一個(gè)256字節(jié)的RAM。由于8155H內(nèi)部集成了地址鎖存器和地址譯碼器，其可以直接和AT89C51單片機(jī)接口，不需要增加任何硬件邏輯。因而其靈活方便，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備相連時(shí)的接口芯片

13、。8155H共有40個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝。在本控制系統(tǒng)中，通過(guò)AT89C51單片機(jī)的1/0口擴(kuò)展81弘H芯片，其接口電路原理圖如圖5.5所示。圖中8155H的片選信號(hào)瓦由AT89C51的P2.7口提供，即只有當(dāng)P2.7為低電平時(shí)才選中8155H芯片工作。8155H的RAM存儲(chǔ)器和1/0口選擇信號(hào)10/麗由PZ.O提供，當(dāng)10/麗=0時(shí)，ADO一AD7的地址為8155HRAM單元的地址，選擇8155H的RAM工作;當(dāng)10/麗=1時(shí)，ADO一AD7的地址為8155HJ/O口的地址，選擇8155H的FO口工作。在本系統(tǒng)中使用8155H芯片的目的是擴(kuò)展1/0口，因此系統(tǒng)工作時(shí)應(yīng)使AT89C51單

14、片機(jī)的P2.0口為高電平，選擇8155H芯片的FO口工作。8155H的讀選通信號(hào)而和寫選通信號(hào)麗都為低電平有效，其分別由AT89C51單片機(jī)的而和麗口提供。當(dāng)瓦=0，10/麗=1，而端為低電平時(shí)，8155H將FO口內(nèi)容傳送到ADO一AD7供單片機(jī)讀入;當(dāng)瓦=0，IO/麗=1，麗端為低電平時(shí)，8155H將單片機(jī)輸出到ADOAD7的數(shù)據(jù)寫入到8155H的UO口。8155H地址鎖存允許端ALE與AT89C51單片機(jī)的ALE端相連，其為高電平有效，當(dāng)ALE=1時(shí)，8155H允許ADO一AD7上地址鎖存到“地址鎖存器”;否則，地址鎖存器處于封鎖狀態(tài)。8155H的復(fù)位端與AT89C51單片機(jī)的復(fù)位端相連，

15、都接到AT89C51的復(fù)位電路上，兩者共用一個(gè)復(fù)位電路。圖5 AT89C引單片機(jī)與8155H的接口電路原理在爬壁機(jī)器人的下位單片機(jī)控制系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)器的伺服準(zhǔn)備輸入信號(hào)和伺服狀態(tài)輸出信號(hào)主要是AT89C51單片機(jī)通過(guò)8155H芯片的PA、PB和PC口輸出和讀入的。而AT89C51單片機(jī)對(duì)8155H芯片的PA、PB和PC口的操作是通過(guò)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)的。8155H的1/0口編址見(jiàn)表5.2所示3。表2 8155H的IO口編址根據(jù)圖5中AT89C51單片機(jī)與8155H芯片的連接方式以.及表2中所列8155H的FO口編址，可知在該系統(tǒng)中，8155H芯片的A口、B口、C口地址分別為7F0lH、7F02H、7

16、FO3H。命令寄存器和狀態(tài)寄存器共用一個(gè)端口地址，在本系統(tǒng)中地址可為7FOOH，但命令寄存器只能寫入不能讀出，狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入。A口、B口和C口的工作方式是通過(guò)8155H的8位命令寄存器的低4位來(lái)定義的，具體命令控制字的格式如圖6所示1621。當(dāng)系統(tǒng)確定了8155H的A、B、c口工作方式后，可通過(guò)單片機(jī)編程將相應(yīng)的命令控制字寫入到8155H的命令寄存器，從而使各1/0在預(yù)定的方式下工作。在本控制系統(tǒng)中，A口定義為基本輸入方式，B口定義為基本輸出方式，C定義為輸出方式，允許A口中斷，定時(shí)計(jì)數(shù)器無(wú)操作，則相應(yīng)的命令控制字為16H。圖6 8155命令控制字格式3.1.4 D/A轉(zhuǎn)換與運(yùn)算放

17、大電路由于在本控制系統(tǒng)中，爬壁除銹機(jī)器人的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是模擬電壓控制，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電壓成正比關(guān)系。而單片機(jī)只能輸出數(shù)字量，因此要獲得模擬量電壓必須對(duì)單片機(jī)輸出的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過(guò)模擬量電壓來(lái)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。本控制系統(tǒng)中要對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的同步控制，因此需要兩路同步工作的D/A轉(zhuǎn)換與運(yùn)算放大電路。由于兩個(gè)伺服電機(jī)完全相同，所以進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大的兩路電路也相同。下面就單路D/A轉(zhuǎn)換與運(yùn)算放人電路作詳細(xì)介紹。在本控制電路中，單路D/A轉(zhuǎn)換與運(yùn)算放大電路是由一個(gè)DAC0832、兩個(gè)0P07運(yùn)算放大器以及一些反饋電阻和濾波電容構(gòu)成，其電路原理圖如圖

18、7所示。該電路可輸出雙極性模擬量電壓，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。圖7 DA轉(zhuǎn)換與運(yùn)算放大電路DACO832是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司研制的一種8位DAC芯片，其采用20引腳雙列直插式封裝，由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換電路所構(gòu)成。其主要特性有4:8位分辨率;電流輸出，穩(wěn)定時(shí)間為1娜;可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入;只需在滿量程下調(diào)整其線性度;單一電源供電(+SV一+15V);DAC0832是總線兼容型芯片，使用時(shí)可直接將芯片的數(shù)據(jù)輸入線和AT89C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，作為一個(gè)擴(kuò)展的FO口。由于DAC0832的輸出是電流信號(hào)，而控制伺服電

19、機(jī)所需要的是電壓信號(hào)，因此我們通過(guò)運(yùn)算放大器OP(7將DACO832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號(hào)。采用兩級(jí)運(yùn)放電路的目的是為了獲得雙極性輸出電壓。圖7中，Rl、R2和R3為反饋電阻，變阻器R4為運(yùn)算放大器的調(diào)零電阻，Cl和CZ分別為一級(jí)和二級(jí)輸出電壓的濾波電容。下面對(duì)DAC0832的雙極性電壓輸出電路作進(jìn)一步介紹。圖8 DACO832的雙極性電壓輸出電路如圖5.8所示為下位機(jī)控制電路板中DAC0832的雙極性電壓輸出電路圖。圖中，式中：根據(jù)基爾霍夫電流定律，任一瞬時(shí)，G點(diǎn)上電流的代數(shù)和恒等于零，則有:由上式可得：由式(5.6)可知，當(dāng)00H少<80H時(shí)，VouT模擬輸出電壓的極性與

20、vREF相反電壓;當(dāng)80H<B三FFH時(shí)，VouT模擬輸出電壓的極性與VRE:相同，為正電壓;當(dāng)B二80H時(shí)，VouT二O。VouT模擬輸出電壓的大小與輸入數(shù)字量B成正比。綜上，VouT模擬量輸出電壓為雙極性輸出電壓。若將VouT與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器CNI口的V一REF端相連，通過(guò)單片機(jī)向DAC0832送入數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大后產(chǎn)生相應(yīng)的模擬量電壓，從而使伺服電機(jī)在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向下運(yùn)行。圖9 兩片DAC0832與AT89C51單片機(jī)的雙緩沖方式接口電路除銹爬壁機(jī)器人左右兩個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制都是通過(guò)上述D/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且它們的同步運(yùn)動(dòng)是由兩路經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)算

21、放大產(chǎn)生的模擬量電壓的同步輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)DAC0832工作于雙緩沖器方式時(shí)可保證這兩路模擬量電壓同步輸出，此時(shí)DACO832輸入寄存器的鎖存信號(hào)和DAC寄存器的鎖存信號(hào)需分開控制。如圖9所示為兩片DAC0832與AT89C51單片機(jī)的雙緩沖方式接口電路圖，該電路可得到兩路同步輸出的模擬量電壓。由圖9可知，l#DAC0832的瓦與AT89C51單片機(jī)的PZ.l相連，2#DAC0832的硯和AT89C51單片機(jī)的P2.2相連，l#和2#DACO832的萬(wàn)百瓦都與AT89C51單片機(jī)的P2.3相連，故1#DACO832的輸入寄存器的地址為FDFFH，2#DAC0832的輸入寄存器的地址為FBFFH

22、，1#和2#DAC0832的DAC寄存器的地址皆為F7FFH。正常工作時(shí)，AT89C51單片機(jī)可以分別通過(guò)選口地址FDFFH和FBFFH把數(shù)字量送入l#和2#DAC0832相應(yīng)的8位輸入寄存器中，然后再通過(guò)選口地址F7FFH把輸入寄存器中的數(shù)據(jù)同時(shí)送入相應(yīng)的8位DAC寄存器中，以實(shí)現(xiàn)同步D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)各自的運(yùn)算放大電路，便可以得到兩路同步輸出的模擬量電壓。3.1.5 數(shù)字量輸入輸出接口電路伺服驅(qū)動(dòng)器除了需要模擬量電壓輸入來(lái)控制伺服電機(jī)運(yùn)行外，其正常工作還需要有相應(yīng)的數(shù)字量輸入作為伺服控制信號(hào)，而且伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)也是通過(guò)數(shù)字量輸出的，因此，采用AT89C51單片機(jī)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制

23、時(shí)，還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字量輸入輸出接口電路。由于AT89C51單片機(jī)本身提供的1/0口有限，在本系統(tǒng)中采用了8155H芯片擴(kuò)展了三個(gè)FO口，其中B口和C口用來(lái)作為數(shù)字量輸出口，為伺服驅(qū)動(dòng)器提供數(shù)字量輸入信號(hào)，A口和AT89C51單片機(jī)Pl口的部分口線作為數(shù)字量輸入口，用來(lái)采集伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出(附錄A的25一32線)是十、一差分信號(hào)輸出，而8155H是單端數(shù)字量輸入，因此要通過(guò)8155H采集該類信號(hào)，就需要在它們之間外加轉(zhuǎn)換電路。圖10所示為單路伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)字量輸出接口轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后得到的電平信號(hào)IN可直接輸入到8155H的PA口。圖10 伺服驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)換電路伺服驅(qū)

24、動(dòng)器的數(shù)字量輸入由24V電壓驅(qū)動(dòng)，而8155H芯片輸出的高電平為SV，它們之間不能直接相連，需在它們之間加入光電藕合器TLP521進(jìn)行信號(hào)隔離和電平轉(zhuǎn)換，這樣既可以實(shí)現(xiàn)8155H輸出數(shù)字量與伺服驅(qū)動(dòng)器的匹配，又防止了伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制電路板的干擾。如圖11所示為單路伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換電路圖，輸入到伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字量信號(hào)由AT89C51單片機(jī)通過(guò)8155H的PB口和PC口輸出。圖11 伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換電路整個(gè)控制電路板的數(shù)字量輸入輸出接口電路如圖12所示。圖12 數(shù)字量輸入輸出接口電路3.1.6 一485通訊接口電路由于除銹爬壁機(jī)器人在工作過(guò)程中要求其下位機(jī)控制系統(tǒng)與上位機(jī)控制系

25、統(tǒng)之間的通訊距離需大于30米，而采用單片機(jī)本身的TTL電平直接傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，其傳輸距離一般不超過(guò)1.5m，且抗干擾性差。為增大數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵕嚯x和提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，在本系統(tǒng)中我們采用RS一485標(biāo)準(zhǔn)串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。RS一485是美國(guó)電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì)(EIA)制定的利用平衡雙絞線作為傳輸線的多點(diǎn)通訊標(biāo)準(zhǔn)。它采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線進(jìn)行傳輸，最大傳輸距離可達(dá)1.2km;Rs一485標(biāo)準(zhǔn)允許最多并聯(lián)32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和犯?jìng)€(gè)收發(fā)器。接收器最小靈敏度可達(dá)士20OmV;最大傳輸速率可達(dá)IOMbit/s。RS一485協(xié)議是針對(duì)遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。由于RS一485采用的是差分信號(hào)，與單

26、片機(jī)的TTL電平不兼容，因此兩者接口時(shí)需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，在本系統(tǒng)中，我們采用MAX485作為電平轉(zhuǎn)換芯片，該芯片既可作為RS一485的驅(qū)動(dòng)器又可作為接收器。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS一485芯片，采用單一電源+SV工作，額定電流為300林A，采用半雙工通訊方式，它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS一485電平的功能，其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。圖13 MAx485芯片引腳結(jié)構(gòu)圖從圖13中可以看出，MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和Dl端分別為接收器的輸出端和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，麗和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)麗為邏輯0時(shí)，芯片處于接收狀態(tài);當(dāng)D

27、E為邏輯1時(shí)，芯片處于發(fā)送狀態(tài)。由于MAX485工作于半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制麗和DE這兩個(gè)引腳即可。A端和B端為接收和發(fā)送共用的差分信號(hào)端。若DE=1，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)為邏輯1時(shí)，A引腳輸出高電平，B引腳輸出低電平;當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)為邏輯0時(shí)，A引肚p輸出低電平，B引腳輸出高電平;若麗二O，當(dāng)A一B全0.2V時(shí)，接收端R輸出高電平;當(dāng)A一B三一0.2V時(shí)，接收端R輸出低電平。MAX485芯片與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單，其RO端和Dl端分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連，麗端和DE端與單片機(jī)的一個(gè)FO口線相連即能實(shí)現(xiàn)MAX485芯片的接收與發(fā)送。如圖14所示為本控制系統(tǒng)中MAX485的

28、通訊接口電路圖。為了消除反射和吸收噪音，在MAX485的A端和B端之間連接了一個(gè)阻值為1200的電阻。圖14 MAx485的通訊接口電路3.1.7 系統(tǒng)電源解決方案在本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中用到了多種電壓信號(hào)。除銹爬壁機(jī)器人的交流伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器以及開關(guān)電源的供電都為交流220V，開關(guān)電源可為下位機(jī)控制系統(tǒng)提供+24V、月SV和+SV等幾種直流電源。另外DACO832在進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)還需要+lOV的參考基準(zhǔn)電壓，其對(duì)電源的精度要求較高，需要選取適宜的電源模塊，設(shè)計(jì)相應(yīng)的DC/DC轉(zhuǎn)換電路。在+1OV的DC/DC轉(zhuǎn)換電路中，選取Maxim的MX581作為轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可為8到14位DA轉(zhuǎn)換器提

29、供高精度的+lOV參考基準(zhǔn)電源。MX581具有三個(gè)引腳，分別為電源輸入端+VS、電壓輸出端VouT和接地端GND。通常情況下，在其電源輸入端+VS輸入+12.5v一+3ov范圍內(nèi)的任意電壓且接地端GND接地時(shí)，在其電壓輸出端VouT就能得到一個(gè)精度較高的+lOV電壓，但這需要元器件具有較高的質(zhì)量等級(jí)。而實(shí)際上，元器件本身不可避免地會(huì)存在著一些偏差。為了確保其輸出的+1OV電壓具有更高的精度，需要在MX581的外圍設(shè)計(jì)相關(guān)電路，其具體轉(zhuǎn)換電路如圖15所示。圖中的+lSV和一15V電壓可與開關(guān)電源的+1SV和一15V相連。電阻R的大小影響輸出電壓VouT的精度，當(dāng)R=220時(shí)，vouT的精度為士3

30、0mV;當(dāng)卜120時(shí)，vouT的精度為士10mV;當(dāng)R=3.9幾時(shí)，VouT的精度為士5mV。圖15 +10V參考電壓DC/DC轉(zhuǎn)換電路3.2 上位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖16 上下位機(jī)控制系統(tǒng)通訊接口電路連接原理圖爬壁機(jī)器人上位機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到控制爬壁機(jī)器人在船體表面上行走的速度和方向。上位機(jī)控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)為控制核心，由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、行列式非編碼鍵盤電路以及RS一485通訊電路構(gòu)成，其主要完成對(duì)鍵盤的掃描，并將所按下鍵對(duì)應(yīng)的控制命令通過(guò)RS一485通訊電路發(fā)送給下位機(jī)控制系統(tǒng)，使下位機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作控制左右伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。在本控制系統(tǒng)中，上位機(jī)控制系統(tǒng)與下位機(jī)控制系統(tǒng)采用的單片機(jī)相同，都為AT89C51，其采用的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路與下位機(jī)控制系統(tǒng)中的相同。上位機(jī)控制系統(tǒng)中的RS一485通訊電路與下位機(jī)控制系統(tǒng)中的也相同，都是采用MAX485芯片，兩控制系統(tǒng)之間進(jìn)行通信時(shí)，只需將各自MAX485芯片的A引腳和B引腳對(duì)應(yīng)相連即可，具體連接電路如圖16所示。圖中將兩控制系統(tǒng)通訊電路的地相連，主要是確保電平一致，避免傳輸?shù)男盘?hào)失真。鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)和命令，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。本上位