基于COMX的机器人伺服控制器设计

摘要：为了配合EtherCAT协议在机器人控制系统上的使用，本文提出了基于COMX和STM32的机器人伺服控制器解决方案。介绍了COMX模块的功能及结构，设计了基于FSMC的接口电路来控制COMX，并设计了COMX驱动和伺服控制器的应用软件。最后搭建实验平台以测试通信功能和分析转发延时，验证了本方案的可行性。
关键词：机器人；伺服控制器；EtherCAT；STM32；COMX

引言
    目前，机器人控制系统的研究重点在开放式、模块化控制系统等方面，机器人控制器的标准化和网络化已成为研究热点；同时，机器人伺服控制器的研究也具有很大的应用价值。在伺服通信方面，传统的基于模拟信号传输的集散控制系统需采用数／模转换器，系统构成复杂、分辨率低、可靠性得不到保障且难以扩展。为了解决此问题，本系统采用实时工业以太网EtherCAT协议作为机器人伺服系统的底层协议，同时构建伺服从站控制器。实时以太网技术简化了一般总线的互操作性和实时性等方面的问题，能满足控制网络传输的实时性要求，EtherCAT工业以太网技术以其网络实时性高、速度快、拓扑结构灵活等优点得到广泛关注。本控制器采用德国赫优讯公司开发的嵌入式实时以太网模块COMX来完成EtherCAT通信的功能，采用STM32系列单片机(以下简称STM32)为主控制器，由STM32来控制电机和COMX的工作流程。

1 COMX介绍
    嵌入式实时以太网模块COMX-CA-RE是德国赫优讯公司开发的特殊网卡，支持所有主流的实时工业以太网协议(EtherCAT、PROFINET IO、Ethernet／IP、Power-Link、Sereos III、Modbus TCP等)。其协议栈设计成可装载的固件存储在Flash中；在系统启动时，COMX模块会自动装载保存在Flash中的协议固件。COMX模块使用netX500网络控制芯片，主机通过双端口内存DPM接口来进行数据交互，通过对DPM读和写来实现网络通信及模块控制。COMX结构框图如图1所示。

    COMX模块与主机交互的接口是双端口内存DPM，DPM是netX500控制器和主机之间共享的存储区，应用程序通过DPM来实现EtherCAT数据通信、netX系统配置和诊断信息的获取。在使用COMX模块进行通信时，主要完成主机对DPM操作程序的编写以及握手标记的设置等。EtherCAT网络上的数据是实时地映射到DPM的，同时应用程序通过DPM来发送和接收数据，整个DPM区域是16 KB的地址空间。

2 硬件设计
    本伺服控制器主要用于机器人伺服节点通信、关节电机的控制、I／O控制，以及传感信息的采集。主要硬件由COMX和STM32来组成。其中COMX负责EtherCAT通信，STM32采用FSMC机制来读写COMX。STM32是从站的伺服控制器主控芯片，主要进行电机控制和A／D、D／A转换模块的控制，以及负责管理COMX模块的运行流程。其中，伺服通信功能是基于EtherCAT协议进行组网来达到各模块互联和数据交换的目的，这样便于伺服节点的扩展和硬件结构的设计；电机控制方面，采用RS485接口控制SR518数字舵机；STM32的I／O口用于基本的输入／输出功能；A／D通道可以连接传感设备用于机器人的感知，D／A通道用于对语音、电流等模拟量的输出；RS232是开发过程中的调试接口。其硬件结构框图如图2所示。

    STM32采用FSMC机制控制COMX，将COMX映射到STM32的内存空间中，对COMX的读写方式与读写SRAM相同。嵌入式模块COMX通过一个50引脚插槽来连接主控芯片，插槽包含了与主机通信必备的控制线总线、16位数据总线和14位地址总线等。COMX与STM32的硬件电路如图3所示。CO MX内存映射到FSMC的第一个存储块的第4个分区中，起始地址为0x6C000000，并且采用8位数据宽度来读写DPM存储区。

3 软件设计
3．1 软件结构
    基于COMX的伺服控制器的软件框架如图4所示。伺服系统的主控芯片是STM32，在软件上采用了ST公司开发的底层固件库来操作硬件接口。在本系统中，主要有RS485通信模块、COMX驱动模块、A／D转换模块、D／A转换模块以及I／O模块。系统中通过COMX来实现EtherCAT通信，采用RS485来控制SR518舵机，同时采用这些模块的API来构建伺服驱动的应用程序。

3．2 COMX驱动设计
    COMX驱动的执行流程，在硬件电路连接好的前提下，主要任务是寄存器的配置及通信流程的控制。首先，要配置STM32的相关引脚，将与COMX相关的数据线、地址线、片选线和读写信号线全部设置成复用推挽输出模式；然后，设置FSMC的相关寄存器，配置FSMC时钟、时序逻辑、读写模式、数据宽度等；接着，就是COMX启动检测阶段，由于COMX是独立网卡，内部有独立的系统，只有在它内部系统运行就绪后才能正常通信，这就需要检测COMX提供的一些标志寄存器的相关位，以此来判断内部系统的状态；最后，等COMX一切就绪后就可以正常通信，执行读写操作。
    COMX是独立的网卡设备，通过加载不同的固件程序，来实现各种实时以太网通信协议，本系统中使用的是EtherCAT从站协议。在COMX使用之前，要保证固件程序下载到Flash中，同时配置文件也要保存在Flash中。
    COMX上电启动时，会自动加载运行固件，并读取配置文件。下载固件时要使用赫优讯公司配套的PCI板卡和cifX Test软件工具，配置文件的下载需要用SYCON．net工具，具体步骤可以查看参考文献。当固件程序和配置文件下载完毕后，就可以使用COMX网卡了。
3．3 COMX读写操作实现
    COMX读写模式是基于缓冲的握手方式，在DPM中，主机和netX500系统通过握手标记来划分DPM的数据读写权限，这些握手标记在握手通道中。每个通道都有一对CMD和ACK标记位，当这两个标记位相同时，主机可以写相应的DPM区域；当不同时，主机可以读相应的DPM区域。COMX发送数据的过程如图5所示。

    根据以上分析过程，可以设计出COMX发送数据的驱动程序，其执行流程如图6所示。

    COMX接收数据的过程如图7所示。根据以上分析过程可以设计出COMX接收数据的驱动程序，其执行流程如图8所示。

3．4 伺服控制器软件流程
    伺服从站控制器在启动后会初始化COMX模块，然后等待COMX就绪。在控制过程中首先会通过邮箱数据发送电机的设置参数，在参数设置完成后就会发送过程命令来启动电机控制，然后进入电机控制循环。在电机控制过程中可以使用邮箱数据发送命令来停止电机控制，在没接到停止命令时会循环接收命令，解析后用于控制电机，直到控制结束。伺服从站控制器的程序流程如图9所示。

4 实验测试
    本系统主要进行的实验如下：其一，对COMX伺服控制器的协议兼容性测试；其二，对COMX伺服控制器转发延时的测试。针对以上测试需求，搭建了相应的测试平台。在PC平台上安装netANALYZER应用软件和Wireshark软件。其中netANALYZER用于数据抓取和时间分析；Wiresha rk用于数据报分析和时间抖动分析。在主站上使用德国赫优讯公司的cifX 50-RE网卡和SYCON．net软件，在从站上使用STM32和COMX开发的伺服控制器。采用netANALYZER分析卡抓取数据包，并采用Wireshark软件分析数据，这样就可以测试通信的兼容性和功能的实现。同时也可以采用netANALYZER分析卡的时间分析功能去测试控制器的转发延时。为了分析总线在不同压力下的转发延时，进行了一组数据的测量，并转换为曲线。如图10所示，从站的转发延时基本不变。由于总线从站采用了硬件FMMU的映射机制来获取数据，这一过程延时很短，而且每个从站只处理与自己相关的数据，因此在转发过程中数据的增加基本不影响转发延时。

结语
    机器人伺服控制器是机器人组成的关键部件，在使用EtherCAT作为机器人控制协议时，需要关节控制器能兼容EtherCAT通信。为了解决这个问题，本文设计了基于COMX和STM32的伺服控制器，从软件和硬件两方面进行了设计，同时实现了基于FSMC接口的COMX驱动以及EtherCAT通信过程。最后，采用测试工具分析了伺服控制器在不同BusLoad下的转发延时，通过实验分析验证了基于COMX模块的伺服控制器方案的可行性。