基于IEEE1451.1的網絡化智能傳感器設計

傳感器或執行器到微處理器及網絡之間的硬件和軟件接口標準。本文根據1451.1標準，研制面向Internet的網絡化智能機器人手爪傳感器系統，并給出硬件設計框圖和軟件流程。

傳感器 IEEE 1451.1 機器人手爪

引言

傳感器與網絡相連，是信息技術發展的一種必然趨勢。然而控制總線網絡多種多樣，千差萬別，內部結構、通信接口、通信協議各不相同，以此來連接各種變送器（包括傳感器和執行器），則要求這些傳感器或執行器必須符合這些標準總線的有關規定。由于技術上、成本上的原因，傳感器的制造商無法使自己的產品同時滿足各種各樣的現場總線要求，而這些現場總線本身有各自的優點，針對不同的應用對象，有自身的優勢；但它們之間的不兼容性、不可互操作性和各自為戰的弊端，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準將使制造商、系統集成者和最終用戶受益，這就是IEEE 1451標準產生最直接的原因[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標準，同時成立了2個新的工作組對標準進行進一步的擴展，即IEEE P1451.3和IEEEP1451.4。

IEEE 1451.2標準定義了一個連接傳感器到微處理器數字接口（STIM），并通過網絡適配器（NCAP）把傳感器和執行器連接到網絡；IEEE 1451.1標準定義了網絡獨立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向對象的模型定義提供給智能傳感器及其組件。根據IEEE 1451.2標準，要研制一個網絡化智能傳感器系統需要2個微處理器，分別承擔STIM模塊和NCAP模塊的內核作用，這給系統的研制帶來了很大的難度和復雜性。據IEEE和NIST最新資料，1451.X標準之間可以一起使用，也可以單獨使用。我們采用NetBox網絡模塊作為開發平臺[9]，設計了基于IEEE1451.1網絡化智能機器人手爪傳感器系統，實現了對機器人手爪狀態的網絡監控，為整個機器人的網絡控制打下了基礎。

1 硬件設計

1.1 系統總體框圖

基于IEEE 1451.1標準的網絡化智能機器人手爪傳感器系統如圖1所示。它由傳感器、數據采集電路和NetBox網絡模塊組成。

1.2 傳感器簡介

機器人手爪是機器人執行精巧和復雜任務的重要部件[10]。為了機器人能在存在不確定性因素的環境中進行靈巧操作，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境的信息，以實現快速、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由具有適當空間分布的10個力覺、6個接近覺、1個距離覺以及1個溫度傳感器構成。它們被一體化地設計和集成到手爪中，并且在手爪上集成了傳感器的信號調理電路，對外是一個15芯的接口來輸出傳感器信號和接入電源。采用神經元網絡方法，對多傳感器的數據進行融合，可得到手爪的握力大小，判斷手爪是否與工件安全連接（即可靠抓取）以用機器人手腕部所受的多維力大小和方向[11]。

1.3 數據采集電路

數據采集電路如圖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計數器電路、A/D轉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，從而選通相應的電路，啟動相應的功能。比如通過地址設譯碼電路可選通多路模擬開關，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，從而采集相應的傳感器信號；也可通過地址譯碼電路選中A/D轉換器，通過NetBox系統的XCLK時鐘分頻輸出控制A/D轉換，而A/D轉換結束后信號通過狀態線返回到NetBox的XIRQ，從而觸發中斷，讀取A/D轉換的結果。

1.4 NCAP

針對網絡化智能傳感器的特點，我們選用了嵌入式網絡模塊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模塊上設置了多種通信接口，包括可直接連接的以及網10Base-T接口、標準的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 軟件設計

2.1 軟件框圖

系統軟件框圖如圖3所示。系統軟件采用模塊化設計，按功能分為：監控程序、外部中斷服務程序、定時器中斷服務程序、初始化模塊、LCD顯示模塊、網絡通信模塊、客戶端服務程序和數據處理模塊。

2.2 系統工作流程

根據IEEE 1451標準的要求，我們利用CGI（通用網關接口）原理，把NetBox作為NCAP（網絡適配器），建立了嵌入式WEB服務器，網絡協議是TCP/IP。圖4是系統的工作流程圖。系統啟動初始化以后，判斷客戶端網絡可有服務請求。有請求則轉向相應的處理，沒有請求則判斷數據處理定時到否。到則進行多傳感器數據融合，得出機器人手爪當前的相應工作狀態，為機器人的控制、安全操作和行走提供決策的依據。

2.3 中斷服務程序

在本系統中，我們利用NetBox的中斷功能來采集傳感器數據和利用對外的輸出時鐘信號來控制A/D轉換。圖5是中斷服務程序流程圖。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量。在中斷服務程序中，采用設定標志位的方法，判斷每一種傳感器數據采集工作是否結束。沒有結束時，繼續當前傳感器的采樣；否則，轉入下一種傳感器的數據采集。在系統中斷服務程序中沒有相應的傳感器數據處理工作，是考慮到系統數據處理的工作量比較大，而且使用神經元網絡算法進行數據融合，否則易發生丟失數據。

結束語

在面向Internet的網絡化智能機器人手爪傳感器系統的設計中，我們采用了IEEE 1451.1標準中的一些先進技術，系統具有如下特點：①電子數據表格TEDS技術，它可以充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關的參數。比如，傳感器生產商的名稱、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，使傳感器內部具有自動修正誤差和自我補償能力；③支持TCP/IP協議，使系統只要在任何一個具有一定IP地址的Internet終端節點上，做到即插即用。