摘 要： 實時數據采集與通信子系統是工業機器人運動控制系統的基本環節，PMAC卡作為底層控制器在工業機器人運動控制中廣泛應用。根據數據采集源、與上位機通信模式，對基于PMAC的數據采集方法進行分析，確定在線指令方式進行數據采集，定制了基于網口的開放通信模塊。在實現過程中采用了軟件模塊化、多線程、定時器、雙緩存等技術實現指令編碼、數據采集與解碼。測試結果證明了通信與采集子系統的穩定性和實時性。
關鍵詞： PMAC；開放控制；數據采集；實時性；機器人
0 引言
在工業控制領域，實時數據采集是一個基本而且重要的環節，如何提高數據采集的實時性一直是工控技術人員所關心的問題[1]。多軸運動控制卡（Programmable Multi-Axis Controller，PMAC）集執行程序（運動程序和PLC程序）、數據采集、伺服環更新、資源管理等多個模塊一起協同工作，在工業機器人的運動控制中得到廣泛應用[2]。
1 基于PMAC的數據采集分析
PMAC通過對機器人關節的4路數字信號解碼得到該關節的位置、速度、加速度等數據源，上位機采集這些數據進行運動學和動力學運算得到機器人實時的位置和運動信息。數據采集涉及數據采集源、通信模式、采集方法、數據解碼、人機交互[3]等。
數據采集源指被采集的數據在卡上存儲的對象，主要有PMAC緩沖區、寄存器、雙端口RAM。
PMAC主卡與上位機之間的通信模式有104總線接口、USB2.0以太網口、RS232串口等。
結合通信模式和數據采集源，基于PMAC數據采集有雙端口RAM、Gather功能寄存器、PLC程序M變量、在線指令等采集方法。基于雙端口的數據采集從雙端口RAM中采集數據，不需要經過通信口發送命令和等待響應時間，實時性較好。基于Gather功能的數據采集從緩沖區采集數據，需要使用PMAC的通信驅動和Gather類函數，適合于大量信息進行數據采集[4]。基于PLC程序和在線指令的數據采集從I/O及運動寄存器獲取數據，需要使用PMAC的通信驅動和軟件定時器。基于在線指令的數據采集可以實時單點采集，也可以循環采集，而且可以基于以太網口定義開放式通信接口，獨立于PMAC驅動程序。
2 基于多線程技術和在線指令的實時數據采集
2.1 多線程技術
多線程編程技術應用于機器人控制，可在收發數據的同時進行數據的處理、狀態切換、屏幕刷新等任務，提高程序的實時性和軟件的整體性能[5]。本控制系統采用多線程技術實現，提高了數據采集的實時性，系統程序結構如圖1所示。
2.2 數據采集的編碼實現
本文基于在線指令進行數據采集，自定義通信接口。
2.2.1 開放式通訊接口
目前所見的基于PMAC的機器人開放式運動控制器都利用了Delta Tau公司提供的PComm32PRO通信驅動程序，限制了控制器的開放性。為了支持嵌入式實時操作系統的應用開發，采用C++設計了PMAC開放式網口通信服務，供上層服務通過socket調用，數據規范如下：
typedef struct tagEthernetCmd
{
BYTE RequestType；
BYTE Request；
WORD wValue；
WORD wIndex；
WORD wLength；
BYTE bData[1492]；
}ETHERNETCMD，*PETHERNETCMD；
PMAC卡IP地址是：192.6.94.5：1025。
2.2.2 數據采集的編碼實現
PMAC指令以及回傳的運動參數都是字符串，需要進行指令編碼和數據譯碼。
struct PMACFPV
//定義循環采集的速度和位置
{
double FP1；
double FP2；
double FV1；
double FV2；
}；
struct PMACFPV PMACPVF（）
//周期采集
{
struct PMACFPV PV；
char AV1[255]，AP1[255]；
long NV1，NP1；
char AV2[255]，AP2[255]；
long NV2，NP2；
NV1=PmacGetResponseA（0，AV1，255，"#1V"）；
PV.FV1=atof（AV1）/20；//速度譯碼
NP1=PmacGetResponseA（0，AP1，255，"#1P"）；
PV.FP1=atof（AP1）/20；//角度譯碼
cout<<NV1<<endl；
cout<<AV1<<endl；
cout<<PV.FV1<<endl；
cout<<NP1<<endl；
cout<<AP1<<endl；
cout<<PV.FP1<<endl；
NV2=PmacGetResponseA（0，AV2，255，"#2V"）；
PV.FV2=atof（AV2）/20；//速度譯碼
NP2=PmacGetResponseA（0，AP2，255，"#2P"）；
PV.FP2=atof（AP2）/20；//角度譯碼
cout<<<<NV2<<endl；
cout<<AV2<<endl；
cout<<PV.FV2<<endl；
cout<<NP2<<endl；
cout<<AP2<<endl；
cout<<PV.FP2<<endl；
return PV；
}
char*PMACITOAP（double P1，double P2）
//關節位置譯碼
{
double IP1=0，IP2=0；
IP1=P1*20；
IP2=P2*20；
char*AP1=（char*）malloc（30*sizeof（char））；
char*AP2=（char*）malloc（30*sizeof（char））；
gcvt（IP1，15，AP1）；
gcvt（IP2，15，AP2）；
char*PAP1=（char*）malloc（sizeof（char）*100）；
char*PAP2=（char*）malloc（sizeof（char）*50）；
strcpy（PAP1，"X"）；
strcat_s（PAP1，100，AP1）；
strcpy（PAP2，"Y"）；
strcat_s（PAP2，50，AP2）；
strcat_s（PAP1，100，PAP2）；
printf（"關節的位置譯碼結果是%s\n"，PAP1）；
//輸出拼接結果
return PAP1；
free（AP1）；//
free（AP2）；//
free（PAP1）；//
free（PAP2）；//
}
在嵌入式應用環境中進行數據循環采集需要預防產生內存泄露的情況發生，優化內存資源。
2.3 控制系統平臺構建與軌跡跟隨測試
2.3.1 控制系統平臺構建
MOTOMAN、SEIKO等均把基于PC的機器人控制器作為發展方向[6]，主要形式有：
工控機+接口卡。接口卡不帶處理器，將各關節運動數據送入工控機，經伺服程序計算得到伺服電機的控制量[7]，這種方式構建的系統具有很高的靈活性和擴展性，但開發難度比較大。
工控機+運動控制卡。以DSP為核心的運動控制卡可以集多軸實時伺服運動控制于一卡，并有函數庫供用戶在工控機上構建所需的控制系統，工控機主要完成系統管理、狀態監控、運動規劃等上層任務[8]。
本文采用工控機+多軸運動控制卡（PMAC）作為機器人控制器，硬件原型如圖2所示。
為了滿足機器人控制實時性要求，工控機需要運行實時操作系統，如Windows CE等，或采用通用Windows操作系統+實時擴展環境RTX，可以利用Windows操作系統完備的軟件開發環境和豐富的軟件資源[6]。本控制器硬件采用研祥EC3-1711CLDNA工控機，其CPU是Genuine Intel（R）processor 600 MHz，內存為480 MB，存取速率為599 MHz，硬盤為80 GB，操作系統采用Windows XP+RTX。
2.3.2 系統測試
為驗證控制平臺和數據采集的有效性，采用兩關節模擬工業機器人和靜態PID進行測試。軌跡跟隨測試的軟件流程和測試結果如圖3和圖4所示，關節實時跟隨位置如表1和2所示。
3 結論
本文從數據采集源、通信模式、采集方法等對基于PMAC的開放式數據采集系統進行對比分析，完成通信接口、指令編碼數據解碼等的模塊化設計和封裝，采用多線程技術優化性能。硬件平臺的兩關節機器人軌跡跟隨測試的關節空間和笛卡爾運動空間的試驗數據驗證了控制系統及數據采集子系統的有效性。
參考文獻
[1] 林延昌，魚洋，沈躍.基于PMAC控制卡的機器人控制軟件設計[J].計算機測量與控制，2005，13（8）：854-857.
[2] 張東衡，徐秀林，張佳鳴.人工心臟瓣膜體外檢測裝置軟件開發[J].計算機測量與控制，2008，16（8）：1197-1198.
[3] 王進華，曾凌峰，張勤利.數字電視機頂盒人機交互組件的設計與實現[J].微型機與應用，2011，30（20）：96-98.
[4] 鄭存紅，胡榮強，趙瑞峰，等.用Visual C++實現實時數據采集[J].計算機應用研究，2002，19（4）：103-108.
[5] 曾欣.多線程機器人控制軟件的設計[J].科技廣場，2011（11）：100-103.
[6] DELTA TAU Data Systems， Inc. PComm32PRO installation and troubleshooting procedures， Versions 10.45（PRO Suite 2.0）and later[S].
[7] 張廣立，付瑩，楊汝清，等.基于Windows NT的開放式機器人實時控制系統[J].上海交通大學學報，2003，37（5）：724-728.
[8] 馬瓊雄，吳向磊，李琳，等.基于IPC的開放式工業機器人控制系統研究[J].機電產品開發與創新，2008，21（1）：15-17.