摘要：IEEE 1451是一種從傳感器或執(zhí)行器到微處理器及網(wǎng)絡之間的硬件和軟件接口標準。本文根據(jù)1451.1標準，研制面向Internet的網(wǎng)絡化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)，并給出硬件設計框圖和軟件流程。

　　引言

　　傳感器與網(wǎng)絡相連，是信息技術發(fā)展的一種必然趨勢。然而控制總線網(wǎng)絡多種多樣，千差萬別，內部結構、通信接口、通信協(xié)議各不相同，以此來連接各種變送器，則要求這些傳感器或執(zhí)行器必須符合這些標準總線的有關規(guī)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(chǎn)品同時滿足各種各樣的現(xiàn)場總線要求，而這些現(xiàn)場總線本身有各自的優(yōu)點，針對不同的應用對象，有自身的優(yōu)勢；但它們之間的不兼容性、不可互操作性和各自為戰(zhàn)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(tǒng)集成者和終用戶受益，這就是IEEE 1451標準產(chǎn)生直接的原因[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(shù)字接口（STIM），并通過網(wǎng)絡適配器（NCAP）把傳感器和執(zhí)行器連接到網(wǎng)絡；IEEE 1451.1標準定義了網(wǎng)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(jù)IEEE 1451.2標準，要研制一個網(wǎng)絡化智能傳感器系統(tǒng)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(tǒng)的研制帶來了很大的難度和復雜性。據(jù)IEEE和NIST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(wǎng)絡模塊作為開發(fā)平臺[9],設計了基于IEEE1451.1網(wǎng)絡化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機器人手爪狀態(tài)的網(wǎng)絡監(jiān)控，為整個機器人的網(wǎng)絡控制打下了基礎。

　　1 硬件設計

　　1.1 系統(tǒng)總體框圖

　　基于IEEE 1451.1標準的網(wǎng)絡化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)如圖1所示。它由傳感器、數(shù)據(jù)采集電路和NetBox網(wǎng)絡模塊組成。

　　1.2 傳感器簡介

　　機器人手爪是機器人執(zhí)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(huán)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(huán)境的信息，以實現(xiàn)快速、準確、柔順地觸摸、抓取、操作工作等。

　　傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平，既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。

　　EMR機器人手爪的感覺系統(tǒng)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，對多傳感器的數(shù)據(jù)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.

　　1.3 數(shù)據(jù)采集電路

　　數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集的目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象。基于PC的數(shù)據(jù)采集，通過模塊化硬件、應用軟件和計算機的結合，進行測量。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應用需求有不同的定義，但各個系統(tǒng)采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了信號、傳感器、激勵器、信號調理、數(shù)據(jù)采集設備和應用軟件

　　數(shù)據(jù)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(shù)器電路、A/D轉換電路和地址譯碼電路。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(tǒng)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(tài)線返回到NetBox的XIRQ,從而觸發(fā)中斷，讀取A/D轉換的結果。

　　1.4 NCAP

　　針對網(wǎng)絡化智能傳感器的特點，我們選用了嵌入式網(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(tǒng)軟件框圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，按功能分為：監(jiān)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(wǎng)絡通信模塊、客戶端服務程序和數(shù)據(jù)處理模塊。

　　2.2 系統(tǒng)工作流程

　　根據(jù)IEEE 1451標準的要求，我們利用CGI（通用網(wǎng)關接口）原理，把NetBox作為NCAP（網(wǎng)絡適配器），建立了嵌入式WEB服務器，網(wǎng)絡協(xié)議是TCP/IP.圖4是系統(tǒng)的工作流程圖。系統(tǒng)啟動初始化以后，判斷客戶端網(wǎng)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(shù)據(jù)處理定時到否。到則進行多傳感器數(shù)據(jù)融合，得出機器人手爪當前的相應工作狀態(tài)，為機器人的控制、安全操作和行走提供決策的依據(jù)。

　　2.3 中斷服務程序

　　在本系統(tǒng)中，我們利用NetBox的中斷功能來采集傳感器數(shù)據(jù)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(shù)量。沒有結束時，繼續(xù)當前傳感器的采樣；否則，轉入下一種傳感器的數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)中斷服務程序中沒有相應的傳感器數(shù)據(jù)處理工作，是考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的工作量比較大，而且使用神經(jīng)元網(wǎng)絡算法進行數(shù)據(jù)融合，否則易發(fā)生丟失數(shù)據(jù)。

　　結束語

　　在面向Internet的網(wǎng)絡化智能機器人手爪傳感器系統(tǒng)的設計中，我們采用了IEEE 1451.1標準中的一些先進技術，系統(tǒng)具有如下特點：①電子數(shù)據(jù)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(shù)。比如，傳感器生產(chǎn)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(xié)議，使系統(tǒng)只要在任何一個具有一定IP地址的Internet終端節(jié)點上，做到即插即用。