Методическое пособие 659

Таблица 6.3

Структурная схема микроконтроллера ATmega8535 приведена на рис. 6.4.

Микроконтроллер содержит следующие устройства: УСП – узел супервизора питания; СТ – сторожевой таймер; ГСТ – генератор стоп таймера;

150

Г – генератор; УУиС – узел управления и синхронизации; порты А, С, В, D;

SPI – последовательный периферийный интерфейс; EEPROM – энергонезависимая память данных; Т/Сч T0–Т/Сч T2 – таймеры-счетчики;

TWI – двухпроводный последовательный интерфейс; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦПУ – центральное процессорное устройство; Flash-ПП – Flash-память программ;

ВИОН – внутренний источник опорного напряжения; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; АК – аналоговый компаратор;

USART0 – нулевой модуль универсального синхронноасинхронного приемопередатчика.

Рассмотренные серии специализированных однокристальных микроконтроллеров могут использоваться в качестве управляющих вычислительных машин.

6.3. Аппаратная реализация устройств сопряжения УВМ с исполнительным механизмом робота

При проектировании системы управления манипулятором после выбора УВМ необходимо решить задачу выбора или разработки аппаратных средств, обеспечивающих ввод информации с датчиков обратных связей и выдачу управляющих сигналов на исполнительные электроприводы робота.

В том случае, когда на исполнительном уровне управления используются электроприводы с аналоговым сигналом задания скорости (см. рис. 6.1), требуется разработать модуль связи УВМ с датчиками (МСД) и модуль аналогового вывода (МАВыв).

Выработка управляющих воздействий Uзс1–Uзсn, поступающих через МАВыв на исполнительные электроприводы при контурном управлении роботом, осуществляется на основе сравнения сигналов задания обобщенных координат и их первых производных с текущими значениями перемещений

152

q1–qn и скоростей q1–qn обобщенных координат, снимаемых,

соответственно, с датчиков ДП1–ДПn и ДС1–ДСn . Для ввода информации с кодовых датчиков перемещения, аналоговых датчиков скорости (тахогенераторов) и вывода аналоговых управляющих сигналов на регуляторы скорости приводов разработана плата сопряжения с персональным компьютером [24], функциональная схема которой приведена на рис. 6.5.

Плата содержит буфер адреса БА, формирователь признака «зона» ФПЗ, дешифратор адреса и управляющих сигналов ДА и УС, приемопередатчик данных ППД, регистры данных РД0, РД1–РДn, цифроаналоговые преобразователи ЦАП1– ЦАПn, устройство ввода цифровых сигналов УВЦС, аналогоцифровой преобразователь АЦП, мультиплексор аналоговых сигналов МАС и мультиплексор цифровых сигналов МЦС.

Схема обеспечивает обмен данными Д0–Д7 между магистралью IBM и одним из портов ввода-вывода (I/0). Запись данных в регистры РД1–РДn, РД0 осуществляется по сигналам W1–Wn+1 соответственно адресу А0–А4 в момент появления управляющего сигнала записи IOW. Код, записанный в регистр РД0, определяет номер координаты, с которой в настоящий момент времени происходит обмен данными. Информация в регистрах РД1–РДn задает величину и полярность аналоговых сигналов задания скорости Uзc1–Uзсn, которые формируются с помощью ЦАП1–ЦАПn.

Мультиплексоры МЦС и МАС коммутируют на свои выходы информацию с датчиков перемещения и скорости выбранной координаты. Ввод информации через определенный порт УВЦС осуществляется соответственно адресу А0–А1 в момент появления управляющего сигнала чтения IOR. ФПЗ выдает сигнал «зона», разрешающий работу ППД, ДА и УС при определенной комбинации разрядов А5–А9.

Если формирование управляющих напряжений на якорях двигателей постоянного тока происходит в цифровом виде на основе однокристальных микроЭВМ, помимо ввода инфор-

153

мации в управляющую вычислительную машину возникает задача преобразования кода задания управляющего напряжения в широтно-импульсный сигнал. Эту задачу выполняет преобразователь кода в длительность импульсов (ПКДИ), который может быть построен в соответствии с функциональной схемой, приведенной на рис. 6.6.

Преобразователь кода в длительность импульсов состоит из приемников Пр1–Пр4 и передатчика Пд магистрали, дешифратора адреса и управляющих сигналов ДА и УС, триггеров пуска ТгП и знака ТгЗн, двоичного счетчика СТ2, RSтриггера, делителя частоты ДЧ, генератора тактовых импульсов ГТИ и четырех логических элементов «И».

Код адреса AD0–AD12 и управляющие сигналы ALE (фиксация адреса) и W (запись) поступают из магистрали микроЭВМ на ДА и УС, который вырабатывает один из сигналов записи W1 или W2. Под действием сигнала W1 в соответствии с разрядом АD00 триггер ТгП устанавливается в «1», что разрешает прохождение импульсов с выхода делителя ДЧ от генератора ГТИ на линию прерываний INT магистрали, начинается работа преобразователя кода в длительность импульсов.

Запись кода АDOO–АDO6 задания управляющего напряжения в счетчик СТ2 и однократный запуск преобразователя осуществляется в цикле «запись» по сигналу W2. В этот момент времени RS-триггер устанавливается в «1» и осуществляется запись разряда АD07 в триггер ТгЗн. На вычитающий вход счетчика СТ2 начинают поступать импульсы с генератора ГТИ. Через определенный интервал времени, соответствующий записанному коду АD00–АD06, RS-тригер по сигналу с СТ2 сбрасывается в «0». Сформированный импульс с RS-триггера поступает на вых.1 или вых.2 преобразователя в зависимости от состояния триггера ТгЗн, определяя величину и полярность напряжения на якоре двигателя. Период широтномодулированного сигнала определяется частотой импульсов на линии INT.

При создании системы управления робота можно использовать уже разработанные платы сопряжения персонального компьютера с нестандартными периферийными устройствами.

155

Основные характеристики плат приведены в табл. 6.4. Они обеспечивают ввод и вывод аналоговых и цифровых сигналов. В комплекте поставки плат имеется необходимое программное обеспечение, использующее алгоритмические языки высокого уровня VC, VB, Delphi, BCB, Visual Studio, LabVIEW.

Платы PIO-DA4U и PIO-DA8U обеспечивают вывод аналоговых сигналов соответственно по четырем и восьми каналам и их регулирование в пределах от –10 В до +10 В. Применяются в промышленных условиях для управления процессами и сервоуправления. Платы PIO-821LU и PCI-1002LU обеспечивают ввод аналоговых сигналов соответственно по 16-ти и 32-м каналам и их измерение в выбранном диапазоне. В дополнение к аналоговым выходам и входам платы имеют по 16 цифровых выходных и входных каналов с уровнями ТТЛлогики. Кроме того, они имеют программируемый таймер/счетчик, позволяющий измерять частоту, ширину и число импульсов.

Платы PCL-812PG, PCL-818L, PCL-818, PCL-818HG

вводят аналоговые сигналы по 16-ти каналам, обеспечивая измерение напряжения в выбранном диапазоне, позволяют управлять процессом благодаря наличию одного-двух каналов аналогового вывода, осуществляют связь с релейной автоматикой оборудования по 16-ти цифровым выходным и 16-ти цифровым входным каналам с уровнями ТТЛ-логики.

Платы PCL-720, PCL-730, PCL-732, PCL-725, PCL-830, PCL-833 предназначены для управления замыканием контактов реле, контроля включения/выключения по 8–32 каналам, а также измерения периода, ширины и числа импульсов, генерации импульсов. Ряд плат имеет оптическую изоляцию входов и выходов от силовых цепей, выдерживающую напряжение до 2500 В. У платы PCL-730 16 изолированных входов имеют уровни напряжений до 24 В, а 16 изолированных выходов с открытым коллектором обеспечивают напряжения до 40 В и токи до 0,2 А. Изолированные выходы платы PCL-725 рассчитаны на подключение реле с напряжением 125 В и током 0,5 А.

157

Таблица 6.4

158

Существуют и устройства, специально ориентированные на прецизионное управление сервоприводами, и, в частности, управление роботами. Платы PCL-832 и PCL-839 с соответствующим программным обеспечением превращают персональные компьютеры в контроллеры точного позиционирования по трем координатам. Обеспечиваются линейная интерполяция по трем координатам и двухкоординатная круговая интерполяция, формирование характеристики разгона/замедления. Платы имеют по 8 маскируемых линий прерывания.

Плата PCL-839 ориентирована на управление шаговыми двигателями робота. Максимальная частота импульсов на выходах координат – 16382 кГц. Обеспечиваются трапецеидальная форма временной диаграммы изменения скорости, выход на установочную скорость перед точкой позиционирования. Имеется по пять изолированных цифровых входов на координату для подсоединения конечных выключателей, а также по 16 цифровых входов и выходов с уровнями ТТЛ-логики.

Через 12-разрядные цифроаналоговые преобразователи платы PCL-832 на электроприводы поступают задающие сиг-

налы, изменяющиеся в стандартном диапазоне 10 В. Специальная схема синхронизирует работу всех трех координат. Обеспечиваются возвращение на позицию исходного состояния, толчковый режим при подходе к заданной точке позиционирования. Период дискретности при выдаче задающих воздействий программируется в диапазоне от 1 мс до 2 с. Использование двух плат PCL-832 позволяет управлять шестью координатами робота.

После проектирования аппаратных средств системы управления робота необходимо разработать программы, обеспечивающие формирование задающих сигналов для исполнительного уровня управления и их интерполяцию между опорными точками, а при необходимости и реализацию алгоритмов адаптации и планирования движения робота на участке с препятствиями. Эти вопросы рассматриваются в следующих четырех пунктах.

159