激光測量機器人數據同步采集系統設計

何玉清

摘要：隨著我國的經濟在快速的發展，社會在不斷的進步，為了滿足激光測量機器人對各關節臂轉角數據和激光位移傳感器所測高度數據采集的同步性，文章設計了一種激光測量機器人數據同步采集系統。該系統采用PROFIBUS總線和高速AD轉換芯片來達到數據同步采集的目的。采用STM32F103RCT6作為整個系統的主控芯片，控制整個系統完成同步數據采集;由VPC3+C芯片實現PROFIBUS-DP協議，通過PROFIBUS總線完成對機器人各關節臂轉角數據的傳輸;由16位高速A/D轉換芯片AD4001完成對激光位移傳感器的采樣。

關鍵詞：激光測量機器人;激光位移傳感器;A/D轉換

1數據同步采集系統總體結構

數據同步采集系統主要由主控芯片、AD轉換電路、PROFIBUS-DP協議芯片、隔離電路和USB轉串口電路組成，系統的總體結構圖如圖1所示。

從圖中可以看出，工業機器人和數據同步采集系統之間的數據傳輸是通過PROFIBU總線完成的，中間經過RS485隔離電路到PROFIBU-DP從站協議芯片VPC3+C，最后通過并行數據接口連接到主控芯片STM32F103RCT6;激光位移傳感器的模擬輸出信號，通過16位高速AD轉換芯片AD4001將模擬量轉換為數字量，最后將得到的數字量數據通過串行接口經隔離電路傳輸到主控芯片;數據采集系統和PC機之間通過串口進行連接。

2PROFIBUS-DP從站接口電路設計

2.1VPC3+C與STM32F103RCT6接口電路設計

數據采集系統和工業機器人之間通過PROFIBUS總線進行數據傳輸。PROFIBUS總線是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。其數據傳輸速度為9.6Kbaud～12Mbaud。是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。PROFIBUS總線通信協議由三個兼容的部分組成，即PROFIBUS-PA（ProcessAutoma-tion）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）和PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）。PRO-FIBUS-PA協議是專門用于需要確保本征安全性或需要與總線供電的設備之間進行數據通信的解決方案，數據傳輸速率是固定的其大小為32.15Kbps;PROFI-BUS-FMS用于解決車間級通用性通信任務，為用戶提供強有力的通信服務功能選擇，實現中等傳輸速度的周期性和非周期性數據傳輸;PROFIBUS-DP是專為現場級控制系統與分散I/O的高速通信而設計的。本文所設計的數據采集系統采用PROFIBUS-DP協議來完成和工業機器人之間的通信。PROFIBUS總線是一種基于主從模式的現場總線，相互通信的兩個設備之間有主站和從站之分，本文所設計的數據采集系統在通信的過程中作為從站。PROFIBUS-DP協議芯片和主控芯片是從站接口的核心器件。選用德國VIPA公司生產的VPC3+C作為PROFIBUS-DP協議芯片，VPC3+C是一個帶有8位微處理器接口的通訊芯片，用于智能PROFIBUS-DP從站的應用，集成有全部PROFIBUS-DP協議，自動識別和支持可達12Mbit/s的數據傳輸率。選用意法半導體（ST）公司生產的STM32F103RCT6作為主控芯片，STM32F103RCT6是基于Cortex-M3內核的32位嵌入式-微控制器，具有256KB的程序存儲器，48KB的片上RAM，主頻為72MHz，具有豐富的片上外設。VPC3+C和STM32的連接電路如圖2所示。VPC3+C與外部控制器之間有80C32和80C165兩種連接方式，80C32方式適用于帶有總線接口的控制器，80C165方式適用于沒有總線接口的控制器。由于，STM32F103RCT6沒有總線接口，所以VPC3+C和STM32F103RCT6之間的連接方式選用80C165方式，通過I/O模擬總線的方式來訪問VPC3+C。從圖2的接線方式可以看出，在此系統中VPC3+C工作在異步Intel模式下，在該模式下VPC3+C的地址線和數據線是分開的。DB0～DB7為數據線分別連接到STM32F103RCT6的PB8～PB15;AB0～AB11（在這里ALE/AS作為AB11）為地址線分別連接到STM32F103RCT6的PC0～PC11;VPC3+C的時鐘由48MHz的有源晶振提供，VPC3+C將48MHz的時鐘4分頻以后由CLKOUT2/4引腳輸出作為主控芯片的時鐘源。

2.2電源電路設計

在此系統中，共用到了5種不同電壓值的電源。如圖3所示。分別為+24V、+5V_485、+5V_AD、+3.3V和+1.8V。其中+24V直接從機器人獲取，為激光測量傳感器和整個系統供電;+5V_485通過線性穩壓器78M05從+24V電壓獲得，為機器人端的RS-485通信電路和同步信號發送電路中的TLP118供電;+5V_AD和+1.8V分別通過線性穩壓芯片ADP7118-5.0和ADP7118-3.3從+12V電源獲得，分別作為AD4001的參考電壓和工作電壓，而+12V電源通過線性穩壓器78L12從+24V電源獲得;+24V電源經過DC-DC電源隔離模塊B2412S-3W產生一個和+24V電源完全隔離的+12V電源，這個+12V電源在經過線性穩壓器ASM1117-3.3穩壓得到+3.3V電源，為主控芯片、VPC3+C和一些數字信號隔離芯片提供邏輯電壓。

結語

數據同步性測試結果和AD轉換精度的測試結果表明，本文所設計的激光測量機器人數據同步采樣系統，對兩種數據的采集的同步性較好，AD轉換具有較高的精度。適用于實際情況中對測量精度要求比較的場合。此系統與工業機器人和激光位移傳感器相結合，可以在保證測量精度的同時，大大提高測量速度和測量效率。解決了現有高精度測量設備測量速度慢測量效率低的難題。

參考文獻

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（作者單位：南京牧鐳激光科技有限公司）