[发明专利]机械臂系统中的M－LVDS高速串行通信装置及其通信控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是高速串行通信的技术领域。

背景技术

HIT四自由度可折叠机器人系统由机械臂和末端HIT-DLR灵巧手组成，整体重量约为25kg，伸直状态高度约为1.3m。机械臂共有四个旋转关节，每个关节的设计采用大中心孔永磁无刷直流电机进行驱动，通过160∶1的谐波减速器实现大力矩输出。系统内所有走线均从中心孔穿过，结构紧凑，并避免关节内产生绕线现象。通过此机器人，可以代替人在危险、恶劣的环境下完成普通装置所不能完成的复杂操作任务，将在恶劣的空间环境、危险的核工业环境和高级服务机器人等领域发挥重要作用。

在机械手电气设计上采用上下位机结构：下位机由四个关节和灵巧手组成，控制电路集成在关节和灵巧手内部，其微处理器均采用FPGA；上位机电路设计通过PCI总线集成在主计算机中，其微处理器使用DSP/FPGA，其中FPGA主要实现数据的收发功能，是系统总线的重要组成部分。上下位机采用两条高速串行总线，将机械臂和灵巧手分开通信，以实现实时高精度的宏微协调操作，其中灵巧手采用点对点PPSeCo通信(专利号200410013732.0)。另外，上位机DSP与主计算机实时通信，DSP接收主计算机的操作信号，主计算机通过DSP反馈机械手的状态变量。

对于上位机DSP、下位机FPGA只能进行定点运算，运算速度较慢且内部微处理器资源有限，不利于实现系统运动学、动力学、轨迹规划和动态补偿等运算。为了提高机器人系统动态性和稳定性，下位机应以最快的速度从上位机更新关节角度期望值、速度值、加速度值和此时关节所承受的重力。

上海交通大学申请了“基于通用串行总线接口的个人机械臂系统(公开号1434391)的专利，将USB总线应用于固定机械臂同个人计算机相连接，使机械臂具有即插即用功能，但是实际系统仍受USB总线协议中所规定的电缆长度和通信速率的限制。

发明内容

本发明是为了克服现有机械手的上位机与下位机之间通讯总线的通信速率太低，导致存在下位机不能快速的从上位机中更新关节角度期望值、速度值、加速度值和此时关节所承受的重力数据的问题。而提出了一种机械臂系统中的M-LVDS高速串行通信装置及其通信控制方法。

本发明由主节点2、多个分节点3、串行总线4、电阻RT1、电阻RT2组成；

主节点2由主FPGA逻辑器件2-1、主M-LVDS驱动收发器2-2组成；

FPGA逻辑器件2-1的通信数据输入输出总线端连接上位机中的DSP数字信号处理器1的通信数据输入输出总线端，FPGA逻辑器件2-1的M-LVDS数据控制输出输入总线端连接主M-LVDS驱动收发器2-2的数据控制输出输入总线端；

每个分节点3都由M-LVDS驱动收发器3-1、FPGA逻辑器件3-2组成；

M-LVDS驱动收发器3-1的数据控制输出输入总线端连接FPGA逻辑器件3-2的M-LVDS数据控制输出输入总线端，FPGA逻辑器件3-2的通信数据输入输出总线端为外部数据输入输出端；

主节点2中的主M-LVDS驱动收发器2-2的串行通信端、每个分节点3中的M-LVDS驱动收发器3-1的串行通信端都依次连接在串行总线4上，串行总线4两端的两条线之间分别跨接有电阻RT1、电阻RT2。

机械臂系统中的M-LVDS高速串行通信控制方法步骤为：

步骤一、开机，系统自检；

步骤二、每个分节点3中的FPGA逻辑器件3-2都读取自己的地址数据；地址数据包括接收总线地址和发送给主节点2中的主FPGA逻辑器件2-1的地址；

步骤三、设置数据收发过程时间T，分节点数量N，设置每个分节点3发送数据时间T1；

步骤四、主节点2的主FPGA逻辑器件2-1中的接收模块处于待机状态，每个分节点3中的FPGA逻辑器件3-2的收发模块处于待机状态并实时接收串行总线4上传送的数据，主节点2中的主FPGA逻辑器件2-1的发送模块开始开启周期为T的定时中断；

步骤五、主节点2的主FPGA逻辑器件2-1的发送模块判断是否进入T定时中断，判断结果为否，则待机，判断结果为是，则进入T定时中断过程；在T定时中断程序过程中，首先将已经接收到的各分节点3数据按照分节点3顺序合并成包上传发送给上位机中的DSP数字信号处理器1，(第一个周期数据均为0)，然后下传上位机中的DSP数字信号处理器1中发给各分节点3的数据；开启T1单分节点3数据发送定时中断，并打开发送标志位，退出T中断过程进入待机状态；