IEEE1451.1的网络化智能传感器设计与应用

　　摘要：IEEE 1451是一种从传感器或执行器到微处理器及网络之间的硬件和软件接口标准。本文根据1451.1标准，研制面向Internet的网络化智能机器人手爪传感器系统，并给出硬件设计框图和软件流程。

　　引言

　　传感器与网络相连，是信息技术发展的一种必然趋势。然而控制总线网络多种多样，千差万别，内部结构、通信接口、通信协议各不相同，以此来连接各种变送器，则要求这些传感器或执行器必须符合这些标准总线的有关规定。由于技术上、成本上的原因，传感器的制造商无法使自己的产品同时满足各种各样的现场总线要求，而这些现场总线本身有各自的优点，针对不同的应用对象，有自身的优势；但它们之间的不兼容性、不可互操作性和各自为战的弊端，给广大用户带来了很大的不便。一个通用的、普遍接受的传感器接口标准将使制造商、系统集成者和终用户受益，这就是IEEE 1451标准产生直接的原因[1~8].在各方努力下，IEEE和NIST在1997年和1999年颁布了IEEE 1451.2和IEEE 1451.1标准，同时成立了2个新的工作组对标准进行进一步的扩展，即IEEE P1451.3和IEEEP1451.4.

　　IEEE 1451.2标准定义了一个连接传感器到微处理器数字接口（STIM），并通过网络适配器（NCAP）把传感器和执行器连接到网络；IEEE 1451.1标准定义了网络独立的信息模型，使传感器接口与NCAP相连，它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件。根据IEEE 1451.2标准，要研制一个网络化智能传感器系统需要2个微处理器，分别承担STIM模块和NCAP模块的内核作用，这给系统的研制带来了很大的难度和复杂性。据IEEE和NIST资料，1451.X标准之间可以一起使用，也可以单独使用。我们采用NetBox网络模块作为开发平台[9],设计了基于IEEE1451.1网络化智能机器人手爪传感器系统，实现了对机器人手爪状态的网络监控，为整个机器人的网络控制打下了基础。

　　1 硬件设计

　　1.1 系统总体框图

　　基于IEEE 1451.1标准的网络化智能机器人手爪传感器系统如图1所示。它由传感器、数据采集电路和NetBox网络模块组成。

　　1.2 传感器简介

　　机器人手爪是机器人执行精巧和复杂任务的重要部件[10].为了机器人能在存在不确定性因素的环境中进行灵巧操作，其手爪必须具有很强的感知能力。即在机器人手爪上配置多种传感器。手爪通过传感器获得外部环境的信息，以实现快速、准确、柔顺地触摸、抓取、操作工作等。

　　传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。

　　EMR机器人手爪的感觉系统由具有适当空间分布的10个力觉、6个接近觉、1个距离觉以及1个温度传感器构成。它们被一体化地设计和集成到手爪中，对多传感器的数据进行融合，可得到手爪的握力大小，判断手爪是否与工件安全连接（即可靠抓取）以用机器人手腕部所受的多维力大小和方向.

　　1.3 数据采集电路

　　数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于PC的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件

　　数据采集电路如图1所示。它主要由4部分组成：位移传感器脉冲信号接收电路、8253计数器电路、A/D转换电路和地址译码电路。比如通过地址设译码电路可选通多路模拟开关，从而进行机器手爪的力觉、接近觉和温度传感器的三个通道选择，从而采集相应的传感器信号；也可通过地址译码电路选中A/D转换器，通过NetBox系统的XCLK时钟分频输出控制A/D转换，而A/D转换结束后信号通过状态线返回到NetBox的XIRQ,从而触发中断，读取A/D转换的结果。

　　1.4 NCAP

　　针对网络化智能传感器的特点，我们选用了嵌入式网络模块NetBox作为NCAP的研制平台。它的微处理器是Intel的高性能、32bit嵌入式微处理器386EX.NetBox模块上设置了多种通信接口，包括可直接连接的以及网10Base-T接口、标准的RS232C接口、可扩展的RS422/RS485接口以及完善灵活的精简总线接口，可与大多数的A/D、D/A、DIO、定时器、双口RAM等器件直接相连，而不需要任何接口逻辑电路等。图2所示为NetBox模块的功能框图。

　　2 软件设计

　　2.1 软件框图

　　系统软件框图如图3所示。系统软件采用模块化设计，按功能分为：监控程序、外部中断服务程序、定时器中断服务程序、初始化模块、LCD显示模块、网络通信模块、客户端服务程序和数据处理模块。

　　2.2 系统工作流程

　　根据IEEE 1451标准的要求，我们利用CGI（通用网关接口）原理，把NetBox作为NCAP（网络适配器），建立了嵌入式WEB服务器，网络协议是TCP/IP.图4是系统的工作流程图。系统启动初始化以后，判断客户端网络可有服务请求。有请求则转向相应的处理，没有请求则判断数据处理定时到否。到则进行多传感器数据融合，得出机器人手爪当前的相应工作状态，为机器人的控制、安全操作和行走提供决策的依据。

　　2.3 中断服务程序

　　在本系统中，我们利用NetBox的中断功能来采集传感器数据和利用对外的输出时钟信号来控制A/D转换。图5是中断服务程序流程图。因为机器人手爪具有4种不同的传感器，具各种传感器具有不同的数量。没有结束时，继续当前传感器的采样；否则，转入下一种传感器的数据采集。在系统中断服务程序中没有相应的传感器数据处理工作，是考虑到系统数据处理的工作量比较大，而且使用神经元网络算法进行数据融合，否则易发生丢失数据。

　　结束语

　　在面向Internet的网络化智能机器人手爪传感器系统的设计中，我们采用了IEEE 1451.1标准中的一些先进技术，系统具有如下特点：①电子数据表格TEDS技术，它可以充分描述传感器的类型、行为、性能属性和相关的参数。比如，传感器生产商的名称、传感器的类型和序列号等等，从而使传感器具有了自我描述能力和自我识别能力；②校正引擎技术，使传感器内部具有自动修正误差和自我补偿能力；③支持TCP/IP协议，使系统只要在任何一个具有一定IP地址的Internet终端节点上，做到即插即用。