1 機器人主控計算機
機器人控制器中最重要的是主控計算機。在激光加工機器人中，主控計算機采用基于PC總線S 104/486DX工業控制級嵌入式單板計算機，其核心是AMD 80486 DX微處理器。主控計算機提供串行接口，可以和它進行串口通信。主控計算機內部的信息處理由機器人控制器操作系統來實現。整個系統采用了實時多任務操作系統VRTXsa來實現，它具有很好的實時性和可靠性，同時具有完善的任務管理機制。
2 激光加工機器人通信系統結構
機器人的運動指令來自通信系統。在我們的通信系統中，主要包括上位機應用程序、串口控件、串口和機器人主控計算機(下稱下位機)。上位機應用程序產生指令，通過控件訪問串行端口，將指令傳給下位機。下位機收到指令后，對指令進行分析處理。對于下位機來說，這些指令分兩種:一種是解釋執行指令，需要進入命令隊列，排隊執行，占用緩存;另一種是立即執行指令，不需要進入隊列，不占用緩存。對于解釋執行指令，下位機收到后，把指令放入隊列后馬上返回應答。對于立即執行指令，先執行該指令，然后才返回應答。查詢指令屬于立即執行指令，下位機除了返回命令在命令字外，還同時返回相應的數值。上位機根據返回的應答判斷通信的狀態，并進行相應的處理。
3 通信協議
我們的激光加工機器人通信系統具有以下特點：
1)機器人只會按指令進行工作，如果指令有問題，將會帶來不可預測的后果。所以對于我們的通信系統來說，可靠性、安全性是首要的。
2)機器人工作環境比較惡劣，各種干擾比較大。通信的抗干擾能力、錯誤處理的能力非常重要。
3)為了提高加工效率，希望機器人能以較快的速度進行工作。
為避免機器人出現“空指令”，通信速度要跟得上?；跈C器人通信系統自身的特點，上位機和它進行通信，必須滿足其特定的要求。我們采用如下的通信方式:
(1)主從方式。上位機為主機，下位機為從機。一般情況下，下位機不能主動給上位機發送信息。只有上位機給下位機發出指令后，下位機才能作出應答。這樣通過上位機，我們就可以很好地控制整個通信過程。
(2)數據幀方式。采用數據幀的方式，有利于保證數據包的完整性，便于進行數據接收和處理。在我們的通信系統中，上位機和下位機均采用相同的協議對通信數據進行打包、解包。我們自己定義幀頭為eb 90 82，幀尾為9082，幀標志為f0。另外規定，有效數據中若出現90，則雙寫90，用以區別幀尾中的900數據幀格式如下所示：
{幀頭一幀標志一通信數據一幀尾一校驗字}
另外，在我們的通信過程中，要處理各種不同類型的數據，包括char’ , short型、float型、byte型等，在有效數據前加入標識符來識別它們。如f0 06表示6個浮點數，f3 05表示5個字符。
(3)校驗和。這是一種簡單而實用的校驗方式。在上位機發送指令前，自動計算數據的和，并將它附在數據幀的末端，一起發送給下位機。下位機在接收到數據幀后，先解包，然后再計算一次數據和，用它與數據幀末端的校驗和進行比較。反之亦然。使用這種方式可以檢驗數據在傳輸的過程中是否發生了變異。
(4)自動重發機制。下位機在接收到錯誤的數據幀時，將會把該數據幀遺棄掉，同時向上位機返回錯誤碼報錯。這時候，該幀數據需要重新發送。如果把重發任務交給應用程序，程序將變得比較復雜。我們把這個任務交給控件，可以很輕松的實現重發功能。在控件內部，當新的數據發送之前，都將數據做一個備份，直到確認接收正確了，才將其消除。如果發現有錯誤，將其再次發出去。
(5)應答方式。在通信過程，下位機對上位機每一幀數據都必須做出的應答。上位機根據返回的應答判斷通信狀態，然后進行下一步動作。為了安全起見，規定只有在確認前一包指令正確應答之后，才可以發下一包指令。對于非查詢指令(包括全部解釋執行指令和部分立即執行指令)，下位機收到后，返回該指令的命令字;對于查詢指令，除了返回命令字之外，同時還返回查詢數據，如機器人的位置、各軸轉角等。如果下位機檢測到數據幀有問題，如無幀頭、校驗和錯等，則返回相應的錯誤碼。上位機在發送指令的時候，同時記錄下了該指令的命令字。在接收到下位機返回的應答后，將其中的命令字與保留的命令字比較，如果一樣，則說明發送正確，可以發送下一條指令;反之，則說明指令發送有問題，根據錯誤碼進行錯誤處理，并重發當前指令包。指令的發送和應答的接收過程如圖1所示。
(6)成組指令發送方式。由于機器人的運行速度很快，為了能保證指令發送速度能跟上運行速度，因此在一個數據報里同時發送了多條指令，而下位機只需應答第一條指令。這樣就減少了應答時間，提高了指令的發送速度。實際應用中，我們采用7條指令一個數據報，結果顯示，速度快了大約37。為了安全和處理方便，控件只允許解釋執行指令成組發送，對于立即指令，只能發送單指令數據報。
4 通信的實現
4.1 下位機通信任務的實現
在實時多任務系統中，一項工作的完成往往需要通過多個任務(中斷)共同完成的。這需要各任務及中斷協調動作，相互配合，甚至進行通信。VRTXsa提供了郵箱(mailbox),隊列(queue)、事件標志(event flag)、信號量(semaphore)互斥體(mutexes) 5種通信機制。在下位機通信系統中，通信工作由串口2中斷、時鐘中斷、監控任務、顯示任務、執行任務等共同協調完成的。如圖2所示。
機器人收到上位機的指令后，串口2中斷發生，它的中斷服務程序啟動。它將設置中斷同步標志，觸發串口2任務程序。串口2任務將處理接收到的上位機數據，將解釋指令放入命令隊列中，并設置相關標志。在一個時鐘周期內(16ms)，所有任務執行一遍，它們根據相關標志，完成相應的工作，如讀取命令隊列，執行命令，給上位機返回應答。
串口2任務程序如下:
void far com2_ task(void)
{刀初始化
刀裝載串口2中斷
sys_ load vrtx_ isr(Ox34,com- isr);
刀允許串口2中斷
n8259_ inerrupt enable(4);
while(true)
刀等待串口2中斷
ev_group=sc_ fpend(group_ id,0,4,0,&erro);
刀中斷到來，清中斷同步標志
ev_group=sc_ fclear(gruop_ id,4,&err);
read_ CommData();//處理并讀取數據
刀處理各種指令，并設置各相關標志
process_ Comm (BYTE *Buff,BYTE *cPtr);
4.2 上位機通信控件的實現
為了便于用戶使用，把上位機的通信功能封裝到ActiveX控件中。選擇VC++6進行通信控件的開發，串口操作使用API函數來實現?？丶胁捎昧硕嗑€程技術。為監控串口任務創建了一個工作線程，以免它堵塞主線程，提高了系統的響應性。通信控件采用了異步v0方式，以提高發送、接收和處理數據的效率。異步v0操作建立后會立即返回，即使操作還未完成。這樣把費時的v0操作放在后臺進行，線程就可以干別的事情，極大地提高了程序的運行效率。在串口通信中，有
幾種讀取串口數據的方式，其中事件驅動是最有效率的方式。在監視串口的輔助線程中，當有數據到達時串口是，串口事件觸發，控件開始讀取串口輸入緩沖區的數據。如果沒有數據到達，那么使用WaitForMultipleObjects 0’數堵塞監測線程，把資源讓給其它線程。在使用線程堵塞技術之后，監視串口線程占用的系統資源大大減少，同時提高了指令的發送效率。串口讀寫和監控是通信的最主要部分，采用了異步v0操作，使得程序復雜化。異步v0操作分兩部分:一是創建該v0操作，然后返回;二是探測操作的完成。下面是讀串口的部分程序清單:
void CCommCtrl::ReadChar(COMSTAT comstat)
{
while (comstat.cbInQue>0)f
C1earCommERROR(mJWomm,&dwError,&comstat);
if(!ReadFile(hcomm,&RXBuf,l,&dwRead,&m_ ov))
f //ReadFile返回FALSE,判斷是出錯還是沒完成
if(GetLastError()==ERROR IO_PENDING) f
//沒完成，需要等待
if(!GetOverlappedResult(hComm,&m- ov,
&dwRead,TRUE)) //等待讀操作完成
{…}刀完成讀操作，但出錯
else //正確完成讀操作
{…}//處理接收的字符
else(…}/贖操作出錯
else //讀操作在函數返回前已經完成
{…}刀處理接收的字符
}
return; //沒有字符了，返回
}
寫串口程序和讀串口類似。監視線程的部分代碼如下:
DINT CommWatch(LPVOID pParam)
{刀清緩存
PurgeComm(hcom,PURGE_ RXCLEAR I PURGE一XCLEAR I
PURGE_ RXABORTIPURGE一XABORT);
for(;;) f
bResult2=WaitCommEvent(hcom,&dwEvtMask,&m一 ov);
刀等待串口事件的發生
if(!bResult2)[//事件WaitCommEvent返回假
switch (dw=GetLastError(川
case ERROR-10-PENDING://異步I/O操作(WaitCommEvent)/
/進行中，正常情況
{break;}
default:[ // I/O操作出現錯誤
ProcESSErrorMessage("WaitCommEvent()");
break;}}}
else{//事件WaitCommEven嶇回真，操作完成
bResult2=C1earCommError(hcom,&dw, &commstat);
if (commstat.cbInQue==0)
continue;}
刀堵塞線程，等待事件組發生。事件組包括:關閉線程事件、
刀讀事件、寫事件
Event=WaitForMultipleObjects(3, m- hEventArray, FALSE,
INFINITE);
switch (Event){//判斷是哪個事件發生
case 0:f//關閉事件
mJbThreadAlive= FALSE;
AfxEndThread(100);//關閉線程
break;)
case 1:f//字符到達，讀字符
bRead=TRUE;
bResult=TRUE;
GetCommMask(hcom, &CommEvent);
if(CommEvent&EV_ RXCHAR)(
刀通知控件句柄讀取字符
::SendMessage(CommWnd,WM_ COMM_ READ,0,0);)
break;)
case 2:{//寫事件
//通知控件句柄寫串口
::SendMessage(CommWnd,WM_ COMM_ WRITE,0,0);)}}
刀主循環結束
return 0;}
5 結束語
我們根據激光加工機器人通信的特點，制定了相應的通信協議，同時采用了多種有效的編程方法，以達到安全、高效、實用的目的。經過大量的測試以及I年多工業運用表明，該通信協議及通信系統取得了很好的效果，完全達到了工業機器人通信的要求。