在許多微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，PC機(jī)的速度和功能往往不能滿足需要,。特別是在多任務(wù)工作環(huán)境下,，各任務(wù)只能分時(shí)工作。因此,，要想在單處理器情況下進(jìn)行多任務(wù)工作,，則在實(shí)時(shí)性上存在問題。由于機(jī)器人特殊的結(jié)構(gòu),，工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)卻需要承擔(dān)規(guī)劃和伺服控制兩套任務(wù),。這兩套任務(wù)又必須保持實(shí)時(shí)高速的通訊，并由一個(gè)主系統(tǒng)支配,。這就決定了其控制器結(jié)構(gòu)必須是緊耦合的多機(jī)系統(tǒng),。
　　精密Ⅰ號是我國1995年自行研制的高精度精密裝配機(jī)器人。原有系統(tǒng)的下位機(jī)為采用MultiBus總線的Intel iSBC386單板機(jī),，采用8038DX芯片,，主頻20MHz。該系統(tǒng)采用iRMX Ⅲ實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),，基本上滿足了精密Ⅰ號機(jī)器人控制的需要,。但是該系統(tǒng)存在以下問題：(1)386的運(yùn)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于當(dāng)前的硬件水平。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué),、動(dòng)力學(xué)運(yùn)算任務(wù)繁重,，原有系統(tǒng)只能勉強(qiáng)作帶動(dòng)力學(xué)前饋的簡單PID控制。否則必須延長伺服中斷時(shí)間,，犧牲控制精度,。(2)原有系統(tǒng)采用iRMX Ⅲ非主流操作系統(tǒng)，不但價(jià)格較貴,，而且可以利用的軟,、硬件資源匱乏,。其下的程序編譯需要有專門的編譯系統(tǒng)，編譯過程復(fù)雜,。這些都不利于高級控制策略的程序?qū)崿F(xiàn)和調(diào)試,，不利于深入研究和實(shí)際推廣。(3)原有系統(tǒng)的控制,、驅(qū)動(dòng),、信號接口等環(huán)節(jié)在可靠性和開放性方面也存在很多問題。由于機(jī)型和操作系統(tǒng)的非主流性,，可利用的代換硬件和程序很難得到,，需要專門人才，致使維修困難,。
　　因此,，我們采用研華雙系統(tǒng)背板奔騰333工控機(jī)重建了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。雙系統(tǒng)背板在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)集成了兩套PC系統(tǒng),，很適合機(jī)器人控制所需的上,、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。雙系統(tǒng)分別進(jìn)行機(jī)器人的規(guī)劃和伺服控制,，通過雙口RAM進(jìn)行通訊,，構(gòu)成一主一從的緊耦合多機(jī)系統(tǒng)。此外,，重新設(shè)計(jì)了基于ISA總線的電機(jī)伺服擴(kuò)展卡等硬件接口,。
　　在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，精密Ⅰ號采用新型變磁阻類步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),。為了提高電機(jī)功率放大器的負(fù)載能力和可靠性,，對原系統(tǒng)部分器件也作了更新。
1 帶Semaphore邏輯單元的雙口RAM的應(yīng)用
　　由于控制系統(tǒng)寬帶及靈活性,，雙口RAM被廣泛用于連接多機(jī)系統(tǒng),。為了避免讀寫沖突，目前的雙口RAM產(chǎn)品集成了以下三種仲裁方法：(1)利用優(yōu)先權(quán)仲裁,，產(chǎn)生Busy信號,，延緩一方的讀寫周期,。(2)采用中斷邏輯構(gòu)成CPU間的信號連接,，協(xié)調(diào)讀寫操作。(3)采用Semaphore邏輯,，將雙口RAM的讀寫權(quán)暫時(shí)交給首先申請的一方,，禁止另一方的操作。本文采用了第三種方法,，選用帶Semaphore邏輯單元的IDT71342雙口RAM芯片,。
　　帶Semaphore邏輯單元的雙口RAM使得讀寫操作不依賴其它仲裁邏輯,，Semaphore邏輯單元和雙口RAM單元在結(jié)構(gòu)上是完全獨(dú)立的。Semaphore邏輯單元用八個(gè)鎖存器傳遞信號,，和RAM一樣是雙口,。它經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，不會(huì)同時(shí)響應(yīng)兩個(gè)設(shè)置,，只有置位的一端可以釋放它,，因此提供了一個(gè)傳遞分配標(biāo)記的硬件方法?？梢詮膬啥藢︽i存器設(shè)置標(biāo)記,，表示對雙口RAM某部分的使用權(quán)。所表示的占用RAM區(qū)的位置,、大小均由軟件決定,。Semaphore單元的簡化原理如圖1。

　　和其它兩種雙口RAM相比,，本文的精密Ⅰ號控制器上采用Semaphore邏輯有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以對一個(gè)大型數(shù)據(jù)表作刷新,，而不用考慮被另一端干擾。(2)在進(jìn)行數(shù)據(jù)塊讀寫時(shí)避免了Busy邏輯不斷引起的wait周期,，提高了快速性,；讀寫長整數(shù)時(shí)不會(huì)被誤讀。(3)可以利用Semaphor e信號表示其它意義的接口信號,。
2 讀碼和伺服電路設(shè)計(jì)
　　從機(jī)器人本體來的信號主要有四個(gè)關(guān)節(jié)的增量碼盤信號,，一、二關(guān)節(jié)的絕對碼盤信號,、手爪氣閥反饋信號,、力傳感器反饋信號等。所需的控制信號是四個(gè)電機(jī)的三相PWM輸入,。機(jī)器人一,、二關(guān)節(jié)采用雙定子變磁阻類步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；三,、四關(guān)節(jié)則用一種較特殊的三相直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),，其本身不帶自動(dòng)換向電路，需由計(jì)算機(jī)根據(jù)碼盤反饋改變電流,，目的是減少力矩波動(dòng),。此外還有關(guān)節(jié)抱剎開合、手爪開合等驅(qū)動(dòng)信號,。
　　根據(jù)上述信號制成兩塊ISA總線擴(kuò)展卡,，主要功能是完成碼盤信號(增量碼盤信號和絕對碼盤信號)輸入/輸出，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流輸出給電機(jī),，以及完成電路自身的故障診斷和自我保護(hù),。
　　每塊卡產(chǎn)生兩個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器三相PWM信號的輸出信號和驅(qū)動(dòng)器上電,、復(fù)位、故障檢測等I/O動(dòng)作信號,。增量碼盤脈沖的A,，B，Z信號經(jīng)D觸發(fā)器整形后作四倍頻處理,，以提高精度,。16位計(jì)數(shù)器根據(jù)A、B的相位作正負(fù)雙向計(jì)數(shù),，計(jì)數(shù)值可由Z脈沖及電路板時(shí)鐘脈沖鎖存,。絕對碼盤共32個(gè)區(qū)，每區(qū)為周向七位編碼,，最后一位是奇偶校驗(yàn),，需要讓各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能讀出。其輸出為開關(guān)信號,，由一路I/O口接入,。電機(jī)MOSFET驅(qū)動(dòng)器所需的三相PWM信號由四片8254產(chǎn)生，并經(jīng)OC門電路輸出,。在原有驅(qū)動(dòng)器上,，我們用IRF250替換IRF640，并用2110替換MOSFET主回路H橋部分原有分離器件,，提高了MOSFET的充,、放電速度和驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力。電路框圖如圖2,。PWM信號傳送到H橋MOSFET IRF250構(gòu)成的功率驅(qū)動(dòng)器,，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件研制
　　PC機(jī)是在MS－DOS或Windows操作系統(tǒng)下工作的,。MS－DOS是一個(gè)單任務(wù)操作系統(tǒng),，Windows則是分時(shí)多任務(wù),，均不能滿足機(jī)器人規(guī)劃,、伺服同時(shí)進(jìn)行的要求,。為此,，必須開發(fā)一個(gè)協(xié)調(diào)上、下位機(jī)各任務(wù)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控程序,，它作為DOS或Windows下的一個(gè)應(yīng)用程序分別在兩個(gè)系統(tǒng)上運(yùn)行,。
　　本系統(tǒng)的軟件主要由機(jī)器人語言編譯模塊,、多任務(wù)監(jiān)控模塊,、雙系統(tǒng)握手通訊模塊,、伺服控制模塊四部分構(gòu)成，如圖3,。