电力线载波通讯模块在机器人控制技术中的应用

机器人控制中通讯是必不可少的技术环节，现有通讯方式可分为有线与无线两种。无线通讯不必配置专用的通讯线缆，但抗空间电磁干扰能力低，受无线电管制约束。有线通讯可靠性高，但需配备专用的通讯电缆。近年发展起来的电力线载波通讯技术为机器人控制技术提供了新的通讯手段。电力线载波通讯使用公用的电力线，不必专门铺设通讯电缆，系统得以简化，因而大大提高了机器人设计与制造的性能价格比。本文结合工程实践．采用了美国Intellon公司的电力线载波通讯模块SSC P200与单片机结合组成了实用系统，实际运行表明电力线载波通讯技术应用在机器人控制中是行之有效的。
    关键词：电力线载波  通讯  机器人  控制

1 引言
    机器人控制中采用各种通讯手段。这些通讯手段可分为有线通讯与无线通讯。无线通讯的优点是不必配备专用的通讯电缆，设备各部分相互独立，配置灵活。缺点是抗干扰性能低，另外会对邻近设备造成无线电干扰，受无线电管制的约束。有线通讯可靠性高，但需配备专用的通讯电缆，提高了系统的设计与制造成本。近年来电力线载波通讯技术发展迅速，这为机器人控制提供了新的通讯手段。电力线载波通讯技术的特点^［２］是既有如RS485串行有线通讯方式的高可靠性，又不必专门铺设通讯电缆，而是利用现有设备的电力输电线。专用于电力线载波通讯的芯片很多，本系统采用美国Intellon公司的电力线载波通讯模块。Intellon电力线载波通讯模块的技术特点是^［１］：采用扩谱载波通讯技术，因此抗干扰能力很强，在环境恶劣的工业电缆上也能可靠地传输数据。模块与电力线间的耦合方式简化到只有一对双绞线。具有与EIA-600(CEBus)相兼容的通信总线标准，与主控制微处理器之间备有SPI高速传输接口、单5v电源，极易构成低成本的网络产品。因此Intellon电力线载波通讯技术特别适合在机器人控制技术中应用。尤其当机器人联网运行时其技术优势更为明显。
    下面我们以Intellon公司的SSC(Spread Spectrum Carrier)  P200系列控制器(以下简称P200)为例介绍电力线载波通讯技术在机器人控制中的应用。
2 使用P200控制器构成电力线载波通讯模块
    图l所示为使用P200控制器构成的电力线载波通讯模块。这是—个全双工的网络传输器。在发送模式下工作时，主控制处理器Host首先通过SPI接口把待传输的数据块高速地传输到P200的中央处理器DLL Microprocessor。DLL中央处理器把数据经D／A转换成模拟量，由功率放大器AMP的放大后，经前置滤波处理，滤掉对电网产生干扰的谐波成份，再耦合到电力线上去。虽然输入与输出信息公用一根电力线，但由于AMP功率放大器有三态门控制开关，不会与输入信号发生线路冲突。在接收模式下，传输信号通过电力线耦合进入P200模块，首先经带宽滤波器滤掉干扰信息，然后进入P200，在芯片内部经功率放大器Amp放大后，A／D转换成数字量，进入P200模块的中央处理器DLL。DLL中央处理器由SPI接口高速地把数据块传入主控制处理器Host进行分析处理。

3 P200数据传输软件介面设计
    本文中P200模块完成一个标准数据块的双向传输任务，为此设计了专用的数据传输软件介面，如表1所示，这个软件介面由59个字节的寄存器数据结构组成。这个数据结构共有7个部分，各部分的主要功能如下表：

3．1 层配置信息
    占用7个字节，规定了系统的工作模式以及最大重新启动次数。
3．2 传输介面标志信息
    字节只读寄存器，寄存的标志信息反映如下事实：
    ·一个数据包已收到或接收出现意外。
    ·一个发送过程已完成或传输出现意外。
    ·物理层错误或主机传输介面出错。
    ·设备的复位状态?
3．3 控制寄存器
        2字节只写寄存器，提供如下控制信息：
    ·确定主机忙闲与否；
    ·是否忽略掉一个数据包的接收过程；
    ·控制一个数据包的接收过程。
3．4 状态寄存器
    只读寄存器,共6个字节。寄存上次数据包传输状态，P200的设备型号与版本号。
3．5 数据通道控制寄存器
    只写1字节寄存器。确定数据通道建立最短时间。
3．6 数据接受状态寄存器
        1字节只读寄存器，确定接受数据时物理层检测失败的错误类型。
3．7 数据包
    数据包由一个头文件和待发送的信息组成。头文件包含控制场和地址场。控制场包含控制接收或发送信息时的控制指令。地址场包括了数据包的地址信息。
    值得注意的是，P200数据传输软件介面是由主控制微处理器Host Micro下载的，由于P200内部寄存器的易失性每次上电时，主控制微处理器Host Micro都必须对P200重新下载安装一次软件介面。
4 使用P200控制器构成的电力线载波通讯模块在壁面清洗爬壁机器人系统中应用
    图2为我校研制的爬壁清洗机器人，其主要由机器人本体，控制系统，清洗机构，地面控制器，保险与卷扬升降控制系统构成。其基本工作原理是：由地面控制器向本体控制器发出指令，机器人本体上的高速风机起动，产生较强吸附力，使机器人本体安全可靠地吸附在工作壁面上。然后驱动两套交流伺服电机，带动车轮使机器人在玻璃、瓷砖等壁面上快速移动，同时清洗机械开始工作完成相应清洗任务。在本体快速移动同时，卷扬升降系统也在地面控制器作用下相应升降运动，使保险悬挂机构与机器人本体随动。

    由上可见，机器人系统在工作时，地面控制器、机器人主体控制器、卷扬升降系统控制器，三者间必须相互协调，交换信息，才能保证机器人的正常运行。这种信息的交换正是使用P200控制器构成的电力线载波通讯模块，通过由地面拉上去的电力线进行电力线载波通讯完成的。
    图3所示为壁面清洗机器人电力线载波通讯控制方案。当操作者按动地面控制器功能键发出工作指令时，单片机AT89C51把信息送到显示模块显示，同时经电力线载波通讯模块发送到电力线上。P200在发送指令信息时，附加上了地址号，由于主体控制器与卷扬控制器的P200模块具有不同的地址号，由地面控制器发来的信息只能被地址号相符的一方所接受。主体控制器与卷扬控制器也可把相应的现场信息反馈到地面控制器，当地面控制器收到反馈信息后，由于各模块地址唯一，会作出正确的解释，并及时地向发信方发出回执，现场控制器在收到回执后知道信息已收到，会自动停止发送反馈信息，否则发送反馈信息会定时进行。
5 电力线载波通讯模块在壁面清洗机器人联网运行中应用
    在清洗一个复杂壁面时，为提高工效，可使用多台机器人联网运行。由于多台机器人都使用Intellon P200模块利用电力线通讯，如不采取措施，会发生信息传输的混乱^［３］。为防止混乱在两方面要采取措施。其一：机器人与机器人之间通讯如何协调。其二：机器人各部分之间如何协调。从前述内容我们知道单台爬壁清洗机器人控制系统有地面控制器，主控制器，卷场升降控制器三大部分，事实上这三大部分的P200模块电路构成是完全相同的。都由一个主控单片机，一个P200模块，一个功率放大器及若干滤波器外围电路组成，为此我们设计了一个标准的嵌入式P200模块电路供所有功能模块使用，如图4所示。

    在这个模块电路中，使用了一个专用单片机AT89C2051^［４］作为与外部控制电路的接口控制器，这个单片机专职服务于P200的双向通讯任务，在其ROM存储器中固化了本模块的二层地址信息，高层地址信息用一个字节记录了该模块是那个机器人的，低层地址信息用一个字节记录了该模块是属于本机器人哪个功能部分的。这样在机器人联网时，我们可以对多个机器人只使用一台地面控制器，完成对各机器人各个部分的控制与测试任务。如图5所示在这个单片机网络中，只有地面控制器一台主机，其他功能模块全部为从属分机，因此该网络是主从式网络。另外在网络上已分不出整体的机器人、有效的仅是独立的功能模块，至于该模块属于哪个机器人，完成何种功能，完全由指令和相应的二层地址信息唯一地决定。注意，图5所示的P200通讯模块是完全独立的，其中包括的单片机AT89C2051仅完成双向通讯的接口任务，不参加各功能模块的具体工作，各功能模块的具体控制任务必须使用额外的单片机。每个P200通讯模块使用一个专用AT89C2051的好处，其一是可以减轻各功能模块的通讯工作压力，使通讯工作标准化。其二是P200内部的存贮器是易失的，其软件介面和二层地址信息都必须由Host Micro单片机上电时下载，故使用一个AT89C2051可以很好地完成这一任务，我们可以把P200的软件介面与二层地址信息事先固化在AT89C2051中，每次上电由AT89C2051向P200下载，使P200通讯模块与用户控制器完全独立。

6 结论
    本文介绍了Intellon电力线载波通讯模块的技术特点及其在机器人控制技术中的应用。Intellon 技术的优越之处是既不象无线电通讯那样易受空间电磁信号的干扰或受无线电管制的约束，又不必铺设专用的通讯电缆，性能价格比较高。不足之处是由于使用公用的电力线，通讯系统是完全对外界开放的，易受来自电网的各种谐波干扰，稳定性与安全性目前还达不到专线通讯的水平。尤其对高频诸波的干扰，必须采取措施克服，以有效地提高通讯技术水准。

参考文献：

［１］lntellon SSC P200 PL Network Interface　Controller Worksheet［Ｓ］．USA：Intellon Co Ltd,1998
［２］D．Liu,E．flint，Wide Band AC Power Line CharacterizaTIon［Ｊ］．IEEE TRANSACTION ON CONSUMER　ELECTRONICS,VOL．45,No．4,1999
［３］卢彬，等．电力系统通信网信号系统与接口技术［Ｍ］．中国电力出版社，北京：1997
［４］余永权．FLASH单片机原理及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，1997