（机械电子工程专业论文）基片分类机器人控制系统.pdf

太原理5 - 大学硕士研究生毕业论文 论文题目：基片分类机器人控制系统 导师：李元宗 研究生：张晓东 哩37 3 2 2 4 前序 基片分类机器人控制系统是为广东某基片生产厂家研制的。我参加了 该系统的研制和调试工作，现在该系统用于实际生产，具有良好的性能。 文摘 本文介绍了基片分类机器人的机构组成、工作原理，重点讨论了由计 算机作为上位机和由可编程序控制器作为下位机的二级控制系统。经基片 生产厂家试用表明：该控制系统稳定、可靠，完全能够满足生产要求。 关键词：基片分类机器人，控制系统，可编程序控制器，串行通信 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em e c h a n i s ma n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h e r o b o ti n m e a s u r i n g a n dc l a s s i n gc e r a m i cs u b s t r a t e t h ec o n t r o l s y s t e m c o m p o s e do fc o m p u t e ra c t e d a sh o s t c o m p u t e ra n dp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e ra c t e da su n d e r c o m p u t e r i sd i s c u s s e di nd e t a i l s u s e di nt h ef a c t o r y p r o d u c i n gc e r a m i cs u b s t r a t e ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dt ob es t a b l ea n d r e l i a b l ee n o u g ht om e e tt h en e e d sf o r p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：r o b o ti nm e a s u r i n ga n dc l a s s i n gc e r a m i cs u b s t r a t e ，c o n t r o l s y s t e m ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第1 页 第一章前言 一、机器人及机器人学 国际上，关于机器人的定义有多种。美国机器人协会( r i a ) 的定义 被国际标准化组织( i s o ) 所采纳。这一定义是：“机器人是一种用于移动 各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务 的，并具有编程能力的多功能机械装置”。 机器人学是- - f 高度交叉的前沿学科，涉及到机械学、力学、生物学、 计算机科学、电子工程学、控制工程学等多门学科。机器人学在过去4 0 年中取得了迅速发展和可喜成就，它的进步和应用是2 0 世纪自动控制最 有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化，具有广阔的发展前景。我 国机器人学研究起步较晚，但进步较快，在工业机器人、特种机器人和智 能机器人各方面取得了明显成绩。 在过去的几年里，太原理工大学机器人实验室在工业机器人、特种机 器人方面取得了显著成绩。其中，有的获得了中国发明专利，有的已应用 在生产实践中。在2 0 0 0 年中，我室在机器人研究方面又取得了可喜成绩， 成功研制了基片分类机器人的控制系统、c c d 成像系统和计算机图像处理 系统。我有幸参加了控制系统的研制、调试工作。在这篇论文中，我将就 这部分进行阐述。 二、机械设备电器控制的发展 机械设备的动作过程大多数是根据工艺要求，按预先设计的逻辑顺序 或时间顺序而工作。此类机械设备动作过程控制是采用自动程序控制的控 制方式。所谓自动程序控制，就是由开关元件控制的按步控制方式。在现 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第2 页 场丌关信号的作用下，启动机械设备的某个机构动作，该机构动作后发出 另一现场开关信号，继而启动另一机构动作，如此按步进行下去，直至全 部工艺过程结束。 自动程序控制在工业中的控制方法经历了不同阶段：继电器接点控 制，无触点逻辑控制，顺序控制器控制，计算机控制( 单片机、可编程序 控制器( p l c ) ) 。 1 、继电器接点控制 由继电器和接触器组成的开关量逻辑控制装置的控制系统，是以硬接 线的方式保证顺序动作的实现。它的优点是电路图较直观、结构简单、价 格便宜、抗干扰能力强，所以被广泛应用于各类机械设备。它的缺点是： 由于采用固定接线形式而灵活性差；触点打开时经常产生电弧，容易烧损 触点，造成开关动作不可靠。 2 、无触点逻辑控制 利用半导体元件组成无触点逻辑控制系统。和继电器接点控制装置相 比较，具有体积小、可靠性好、反应速度快、寿命长等优点。但这种控制 仍然要采用固定接线方式，所以灵活性差。 3 、顺序控制器控制 为了达到在工艺要求变化时控制功能可方便改变的目的，出现了一种 二极管式的顺序控制装置。其核心部分是一块二极管矩阵板，利用二极管 “门”电路构成顺序控制逻辑电路。它与计数器集成元件组合而构成矩阵 步进顺序控制器。程序是由二极管插头在适当位置插入矩阵插孔来进行设 定的，更换二极管插头的位置就能改变程序。但这种控制系统的输入输 出端数目往往受到矩阵板本身结构的限制，而且抗干扰性差，目前已较少 应用。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第3 页 4 、计算机控制 微电子技术的发展己渗透到科学技术的各个领域，单片微型计算机已 经被广泛应用于工业控制，它具有很强的运算功能，抗干扰能力强，但要 增设二次开发装置。在此基础上发展起来的可编程控制器本身已经带了二 次开发装置，采用继电器语言编程形象直观，容易掌握，顺序控制程序预 先存储在半导体存储器( r o m 或r a m ) 中。由按钮、开关等发出开关量信 号，通过顺序执行程序对输入信号进行规定的逻辑运算，从而实现对生产 过程的顺序控制。这种控制装置硬件是标准化的，要改变控制功能只需改 变程序即可，故目前已得到广泛应用。 三、基片分类机器人及课题由来 基片是矩形陶瓷薄板，厚度约0 4 m m ，有不同的尺寸规格，用于制造 片状电阻。基片的生产工艺是先冲压后烧结成型。因为冲压时基片材料较 软，冲压带有一定的不确定性，所以成品尺寸不一致，较离散，影响使用。 基片分类机器人就是用于检测基片尺寸的，测量基本尺寸、垂直度、 平行度，然后按尺寸分类，使尺寸相近的归为一类，便于使用。基片分类 机器人应当具有以下功能： ( 1 ) 自动喂料、取料、放料功能： ( 2 ) 尺寸检测功能； ( 3 ) 判断分类功能。 广东某公司需要这样的基片分类机器人。该公司和我机器人实验室达 成协议，由我室进行方案设计，然后由对方进行机械加工，我室进行控制 系统、尺寸检测分类系统的研制，并负责最终整机调试。2 0 0 0 年6 月， 我室完成了基片分类机器人的方案设计。9 月，我室开始系统研制工作， 于n 月中旬开始了现场调试工作，并于1 2 月中旬圆满完成了调试工作。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第4 页 四、方案确定 1 、测量方式的确定 测量依方式不同可分为接触式测量和非接触式测量。据此，基片分类 机器人可有以下三种方案： ( 1 ) 机械式基片分类机器人 采用机械定位，属于接触式测量。 优点：技术成熟； 缺点：基片本身较脆，接触测量中易损坏基片，而且基片是陶瓷材料， 硬度很高，会造成测量触头的磨损，测量精度有限。 ( 2 ) 线阵c c l ) 基片分类机器人 原理同扫描仪相同，将基片的尺寸信息进行扫描，通过计算机图像处 理，获得基片基本尺寸及垂直度、平行度，然后分类。 优点：非接触式测量，对基片损坏小； 缺点：必须使用高精度的移动平台，以获得匀速运动，保证扫描时 能获得准确的信息。这势必提高机械装置的成本：机械运动的匀速性对 检测精度影响很大。 ( 3 ) 面阵c c d 基片分类机器人 采用静态取像技术，通过计算机图形处理，获得所需尺寸，然后分类。 优点：不需扫描工作台，基片传送相对简单，对机械装置精度要求不 高；取像信息量大，经图像处理，可保证测量精度。 综上所述，面阵c c d 基片分类机器人应是首选方案。 2 、控制系统方案确定 采用二级控制系统，上位机采用微型计算机，进行图像处理、尺寸检 测分类、界面显示，下位机采用p l c ，实现对基片分类机器人的自动控制。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第5 页 第二章基片分类机机械结构 见图2 - l ，基片分类机( 以下基片分类机器人简称作基片分类机或分类 机) 可分为三部分：喂料系统、取放料系统、分类系统。 一、喂料系统 喂料系统的功能是将装满基片的料箱推至喂料位置，并使料面升至取 料吸盘可以取料的高度。 在机架上安装有推料箱机构，执行元件是气缸，气缸活塞杆伸出时， 可以将导轨上的料箱推至喂料位置。喂料位置下方有托杆( 齿条) ，调速 电机的转动经减速箱减速，经齿轮、齿条机构传动，可以使托杆上升，托 杆将基片升起，使料面到达确定高度，从而实现喂料动作。 托杆运动上限、下限处各有一行程开关。料面侧面有一光纤传感器， 用于感知料面高度。气缸壁上装有2 个磁性开关，用于感知活塞杆伸出至 前位还是缩回至后位。喂料位置处有一行程开关，当料箱到此位置时，使 行程开关接通，从而向控制系统发信。在料箱导轨最左端还有一接近开关， 用于判断空料箱是否到导轨最左端。 图2 2 为推料箱机构示意图，0 。、0 2 、0 3 为三个杠杆的转轴，料箱放 在杠杆l 的左面，在气缸活塞杆伸出过程中，杠杆1 在a 点受到箱体的支 反力，使其不能顺时针转动，于是将料箱推至虚线所示位置a ，活塞杆 缩回过程中，料箱底部对杠杆2 施加逆时针的转矩，使杠杆2 逆时针转动， 压缩弹簧，当活塞杆完全缩回时，杠杆2 上端离开料箱的底部，在弹簧的 回复力下顺时针转动至平衡位置。当活塞杆第二次伸出时，杠杆2 将料箱 推至a 2 位置，第三次伸出时，杠杆3 将料箱推至a 3 位置，即喂料位置。 查堡墨三查堂堡主竺垄生兰兰丝圭兰! ! 旦 罐虫iq止醐in稚长蜊i水螺越口8li 匝镀嚣螺寒粼娘止睾一匾 螺 童糕末 螺生集搓，臣 。、，j 螺、盍禁掣 l，j 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第7 页 图2 - 2 推料箱机构示意图 a 一料箱b 一气缸c 一箱体d i 一杠杆1d 2 一杠杆2 d 3 一杠杆3 所以，若料箱放在杠杆1 的左面，气缸活塞杆须连续伸出3 次才能将 料箱推至喂料处；若料箱放在杠杆3 的左面，活塞杆只须伸出1 次，即可 将其推至喂料处。 二、取、放料系统 取料部件和放料部件结构 相同，以取料部件为例进行说 明。 如图2 - 3 所示，取料部件 上有4 个滚轮，可在导轨上滚 动。取料步进电机转动，经皮 带传动，可以带动取料部件在 导轨上滚动。导轨上装有3 个 光电开关，图中所示光电开关 对应取料部件的左位，当取料 部件运动到左位，部件上的金 属片挡住光电开关的光线时， 图2 3 取料部件结构简图 1 一步进电机2 一光电开关3 一部件机架 4 一滚轮5 一导轨6 一皮带轮7 一齿形带 8 气缸9 一管接头l o 一吸盘 产生信号，可知部件到左位。另外2 个光电开关，1 个用于发送摄像信号 太原理工大学硕士研究生毕业论文第8 页 1 个用于判断放料部件右位。取料部件安装有气缸，气缸活塞杆端部装有 吸盘，管接头接压力开关和软管，当和软管相连的真空发生器工作时，吸 盘吸气，可吸取基片，当软管通以压缩空气时，吸盘吹气。 气缸壁上装有2 个磁性开关，用于判断活塞杆是伸出至下位，还是缩 回至上位。 三、分类系统 图2 4 分类系统结构简图( 俯视) l 一机架2 一电磁制动电机3 - - - 气缸部件4 一传送带 5 一杠杆6 一分类槽皮带7 一隔板8 一光电开关 如图2 - 4 所示，分类系统共有1 1 个分类槽，每槽结构相同，1 1 条皮 带分别由1 l 台低速同步电机驱动。槽问有隔板，各槽中放置不同类别的 基片。在分类槽尽头有一个对射式光电开关，c 、c 分别为发射器和接收 器，用于感知基片是否到了槽的尽头。 分类系统有带孔的传送带，孔距等于分类槽的槽宽，传送带由电磁制 动电机驱动，采取步进运动方式，每步移动一个槽宽的距离。在传送带右 端下方有一反射式光电开关，传送带停止时，带上的孔正对光电开关，此 太原理工大学硕士研究生毕业论文第9 页 时光电开关为o n ，在传送带移动过程中，皮带非孑l 处正对光电开关时， 其为o f f ，由此可以控制传送带每步移动距离为一个槽宽。图中a 位置为 放料部件的放料位置，b 为放料处和第l 槽之问的空位，所以当放料部件 将1 片属于第1 槽的基片放到传送带上后，传送带须移动2 步，才能使该 片移至第l 槽处。 分类系统有1 1 套 气缸部件，用于将属于 本槽的基片放入槽中， 部件结构如图2 5 中 所示，吸盘、杠杆、滑 块、气缸组成气缸部 件，阴影表示机架。气 图2 - 5 气缸部件结构示意图 l 杠杆2 一滑块3 一气缸4 一基片5 一传送带 6 分类槽皮带7 一吸盘 缸活塞杆缩回时，带动滑块向后滑动，滑块上的杠杆后端撞击机架上的固 定块a ，受到逆时针方向的转矩，逆时针转动，压缩弹簧，杠杆的前端向 下压，使吸盘压住传送带上的基片，然后吸盘吸气，即可吸取基片。当气 缸活塞杆伸出后，杠杆在弹簧回复力作用下恢复到平衡位置，吸盘吹气， 基片即放入分类槽中。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第10 页 第三章基片分类机控制系统 第一节气动系统 基片呈薄片状，具有光洁而不透气的表面，它的抓取最适宜使用真空 吸附方法。基片分类机动作较复杂，若使用电控气动系统可以完成大部分 的分类机动作，而且可以使分类机结构简单、紧凑，所以分类机使用了气 动系统。 一、主要气动元件介绍 1 、可调单向节流阀的作用 气动原理图( 图3 - 6 ) 中的可调单向节流阀用 于两处，一处置于气缸气路中，用于控制气缸的 运动速度，也可称作速度控制阀；另一处接在需 要调节流量的地方，例如在向料问吹气的气路中 用到了节流阀。 p鱼0( ) 厂、 a 图3 1 可调单向节流阀 可调单向节流阀符号如图3 - i 所示。正向流动时( p a ) ，单向阀关 闭，节流阀进行节流；反向流动时( a o ) ，单向阀开启，不节流。 2 、真空发生器的应用 ( 1 ) 引射原理 从喷管内喷射出来的一股流体的流动称为 射流。射流能卷吸周围的静止流体和它一起向 前流动，称为射流的卷吸作用。产生卷吸的原 因是：如图3 2 所示：射流射出的空气团撞击图3 2 射流卷吸现象 射流两侧的静止气体。由于气体具有粘性，带动射流两侧的气体一起向前 太原理工大学硕士研究生毕业论文第1l 页 运动，故沿流动方向，射流质量不断增加，主射流将部分动量传给卷入的 静止气体，则射流宽度逐渐加大，速度逐渐减小。 若在喷管外套一比喷管尺寸大的管 道( 如图3 3 ) ，便限制了射流和外界接 触。但从喷管出来的主射流还是要卷吸 一部分周围的流体向前运动，于是在射 流周围形成一低压区。套管中流体便被 吸进来，和主射流混合后，经套管另一 端流出。这种现象称作引射现象。 ( 2 ) 真空发生器工作原理 真空发生器就 是运用引射原理进 行工作的。如图3 4 所示，它由先收缩后 扩张的喷管和接受 管组成。两者之间形 成扩散腔。在喷管两 侧压差高于一定值 图3 - 3 引射现象 接收管 一黻母 图3 4 真空发生器结构原理及符号 后，喷管射出超声速射流或近声速射流。由于射流卷吸作用，扩散腔气体 被抽走，使该腔形成很高真空度。在吸附口接吸盘，便可吸取表面平滑的 物体。 整个系统使用了两个真空发生器，避免了取放料动作和分类动作的干 涉。 太原理工大学硕士研究生毕业论文第l2 页 3 、带磁性开关的气缸 推料箱气缸、取料气缸和放料 气缸都带有磁性开关，选用的是s m c 的dc 7 3 l 。气缸活塞上安装有一个 永久磁铁的磁环，随活塞运动。磁 性开关又名舌簧开关，采取环带安 稳压= 极曹 图3 - 5d c 7 3 l 型磁性开关线路图 装，即安装在气缸壁上。当装有永久磁铁的活塞运动到磁性开关附近时， 两个簧片被吸引，使开关接通。当永久磁铁随活塞离开时，磁力减弱，两 簧片弹开，使开关断开。使用磁性开关可以判断活塞位置，作为控制的输 入信号。d - c 7 3 l 磁性开关的线路如图3 5 示。 二、气动系统原理 1 、元件说明 气动系统原理如图3 6 所示。图中元件均由两个字符表示，第个字 符为字母，表示元件的种类，第二个字符用于同一种元件之间的区分。字 母含义为： g 一气缸； k 一真空发生器； f 一用于控制吸盘动作的电磁阀； f 一用于控制气缸动作的电磁阀。 g a ，g b 分别为取、放料气缸；g c 是推料箱气缸；g 1 g 】1 为分类系统 的1 1 个气缸；k 1 ，k 2 是真空发生器，k l 为取、放料系统提供真空，k 2 为 分类系统提供真空；f a ，f b 两个电磁阀分别用于控制取、放料吸盘的动作， f 1 f 1 1 分别用于控制分类系统的1 1 个吸盘的动作：f a ，f b 分别用于控 制取、放料气缸的动作，f l f 1 1 分别用于控制分类系统的1 1 个气缸的动 太原理工大学硕士研究生毕业论文第13 页 作。 2 、控制元件和执行元件的关系 见图3 - 6 ，当电磁阀f a 得电时，取料气缸g a 的活塞杆伸出，失电时 缩回。同理，f b 得电时，放料气缸g b 的活塞杆伸出，断电时缩回。 当电磁阀f l 得电时，分类槽l 的气缸g l 活塞杆缩回，失电时伸出。 f 2 f l1 控制下的气缸动作和f l 的相同。 当电磁阀f d 得电，f a 、f b 失电时，取、放料吸盘吹气。当f c 得电时， 真空发生器k 1 工作，此时如果f a 、f b 得电，则取、放料吸盘吸气。分类 系统1 1 个吸盘动作的控制和取、放料吸盘动作的控制完全相同，f e 、f f 分别相当于f c 、f d ，f 1 f 1 1 相当于f a 和f b 。 电磁阀f c 得电时，推料箱气缸g c 的活塞杆伸出，失电时缩回。 电磁阀f d 得电时，喷嘴向料箱中的基片间吹气，使最上面一片浮起。 失电时，停止吹气。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第14 页 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第15 页 圈 恻 隧 暴 鞘 扩 脚 b 一 占 圃 太原理工大学硕士研究生毕业论文 表3 - 1 基片分类机电气元件表 符号名称用途 q s断路器 s b l 急停按扭 s b 2 电源按钮 k m o 交流接触器 k m l继电器 控制m 1 的起动( 得电起动) k m 2 继电器控制m l 的转向( 得电反转) k m 3继电器 控制m 2 的起动( 得电起动) k m 4 k m l 4 继电器控制m 3 m 1 3 的起动( 得电起动) k m l 5 继电器得电时使h l 报警 f u l 熔断器( 1 h ) f u 2 熔断器( t a ) f u 3熔断器( 1 a ) f u 4熔断器( 1 0 a ) f u 5熔断器( 2 a ) f u 6熔断器( 2 a ) c 1 电容 c 2电容 c 3 c 1 3 电容 m 1 调速电机托杆的升降 m 2 电磁控制电机皮带传动 m 3 m 1 3低速同步电机 1 1 1 道槽的皮带传动 m 1 4 步进电机驱动取料部件 m 1 5 步进电机驱动放料部件 e l c c d 光源 为摄像提供均匀光场 i - i l 报警器出现故障时报警 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第17 页 第二节电气系统 电气系统是实现控制的硬件保障。其中可编程序控制器是自动控制的 核心。电气控制原理如图3 7 所示，图中的元件均列在表3 - 1 中。 一、步进电机的选择 本系统使用了两个步进电机，用于取、放料部件的驱动。步进电机有 配套的驱动器。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。 由于步进电机的位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时问内输入 的脉冲数( 即脉冲频率) 成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕 组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量，频率及电机绕组通电的相 序，便可控制取、放料部件的位移量、速度和移动方向。步进电机具有较 好的控制性能，其起动、停车、反转及其它任何运行方式的改变，都在少 数脉冲内完成，且可以便控制系统简化，获得较高的控制精度。 1 、转矩计算 取、放料部件传动机构 相同，都是两极皮带传动。 i 以取料部件传动机构为研究 对象，进行步进电机的选择 计算。 如图3 - 8 所示，步进电 机驱动第一级皮带传动的主 动轮，两极皮带传动后，皮 图3 - 8 取料部件传动机构( 俯视) 带带动和其固连的取料部件在导轨上移动。 取料部件有4 个滚轮，2 个在导轨上滚动，2 个起导向作用，以取料 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第18 页 取料部件 图3 - 9 取料部件受力分析 部件整体为研究对象，受力分析见图3 - 9 ，其中各力含义如下所示。 q 一取料部件重量，2 0 n ； f 一皮带对取料部件的牵引力； n l ，n 2 一轮1 ，轮2 所受支反力； f l ，f 2 一轮1 ，轮2 所受摩擦力； m l ，m 2 一轮l ，轮2 所受滚动摩阻力偶矩： z y = 0 ，n 1 + n 2 - - q = 0 根据滚动摩阻定律得： m l = 6 n i m 2 = 6n 2 式中：5 一滚动摩阻系数，0 4 m m ； a ，b 分别为滚轮的瞬心，所以f l ，f 2 ，n l ，n 2 不作功。 m l ，m 2 消耗的功率为：p i = m 1 。o = m l v ，p 2 = m 2 ( ) o = m 2 一v rr 式中：。o 一滚轮转速： v 一取料部件移动速度； r 一滚轮半径，1 3 m m 。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第19 页 步进电机输出功率为：p = 里二兰一m j + m 2 一v 1 1 1 q2 _ n3n l n 2 1 1 3 r 将，式和p = m u ，v = u r ，代入上式得： m ：! 坠 l h r l2 r h r 式中：1 7 】，叮广第一、二级皮带传动的机械效率，叮l = , 7 2 = 0 5 叮3 一滚轮的机械效率，, 7 3 = 0 9 5 ： r 一皮带轮半径，1 8 5 m m ； u 一主动轮转速； m 一电机匀速转动时输出转矩。 将数据带入上式得： m ：! g 垦：0 0 5 n 。 r h r l 2 r h r 考虑到电机启动时，有加速度力矩，得电机启动时输出转矩为： m 。盖= 等= o 1 2 5 n m 2 、步距角的确定 脉冲当量6 p 。蠡2 兀r 式中：a 一步距角。 c c d 摄像精度对基片摆放位置提出的要求是l m m ，所以得 6 p 对应僧t 的吸盘 器数计的槽第直对 、li，j 、110iii， 查墨翌兰垄兰婴主竺墨兰兰些堡圭箜! ! 旦 图4 - 1 1 分类系统梯形图( 部分) 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第4 9 页 第五章计算机与p l c 通信 第一节通信简介 所谓通信是指计算机和外部设备之间或计算机和计算机之间的信息 交换或数据传输。计算机的通信有两种基本形式：并行通信和串行通信。 一、并行通信 并行通信是指将一个字节或一个字的各位同时进行传输的一种通信 方式。并行通信强调的是欲传输的各位同时输入或输出。因此，如果一次 传输n 位的个数据，对于并行通信而言，至少需要n + i 条信号线，其 中包括n 条数据线和l 条公共地线。 并行通信传输速度快，传输的信息率高，比串行通信需要更多的通信 信号线。并行通信常用于传输距离短，数据传输速度要求高的场合。 二、串行通信与串行接口 1 、串行通信 串行通信是把传输的数据一位一位的顺序传输的一种通信方式。 由于串行通信在某一时刻只传送一位信息，因此这种通信方式的最大 优点是通信线少，成本低，因此适用于长距离数据传输。 但由于是按位传输，假设传送一位信息所需要的时间是t ，那么对于 1 1 位的数据，则至少需要n t 的传输时间。而对于并行通信来说只需要t 的时间。由此可见串行通信的最大不足是通信速度慢。 2 、串行接口 完成串行通信任务的接口称为串行通信接口，简称串行接口。 在串行通信方式下，由于计算机内部处理信息的方式为并行数据处 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第5 0 页 理，而串行外部设备接受或发送的信息格式是串行的。因此，对于输入来 说，串行接口必须完成由外设到主机的串行信号到并行信号的格式转换； 对于输出来说，又必须进行并行到串行的格式转换。 3 、串行通信的数据传输方式 串行通信的数据传输方式有：单工方式、半双工方式、全双工和多工 方式。 单工方式只允许数据按一个固定的方向传送。采用这种方式时，就已 经确定了通信双方中的一方为收端，另一方为发送端。 半双工方式下，通信双方都具有接受和发送能力。但通信线只有一条， 因此在任何时刻双方只能有一个发送而另一个接收。决不允许双方同时接 收或同时发送。 全双工方式具有两条独立的通信线，一条专门用作发送，另一条为接 收。双方的串行接口都具有一套完全独立的发送器和接收器。因此全双工 方式下通信双方可以同时即发送又接收。 三、串行通信方式及异步通信协议 l 、串行异步通信 串行通信有两种基本的类型，一种是串行异步通信，另一种是串行同 步通信。 所谓异步通信主要指字符和字符之间的传送是完全异步的，而一个字 符的位与位之间是同步的。换句话说，两个字符之间的时间间隔是不固定 的，而在同一字符中相邻位代码的时间间隔是固定的。 2 、串行异步通信协议 通信协议是对数据传送方式的规定或规范，其中包括数据格式的定义 和数据位的定义等。 太原理工大学硕士研究生毕业论文第5 1 页 异步通信协议包括两个方面的内容：是字符的传送格式的规定；二 是数据传送速率的要求。 一一 d o d 1d 2 d m l 100 o 】0 ，1o ，10 1 l 】0 空起 闲始 位位 n 位数据 f n = 5 8 1 霜壁蒲 棱位 位 验 位 起 始 位 图5 - t 异步通信的字符格式 串行异步通信的字符格式如图5 1 所示，它包括四个部分：起始位、 数据位、校验位和停止位。 起始位在一个字符中占1 位，该位必须为o ，表示一个字符的开始。 起始位之后为数据位，至少5 位，最多8 位。数据排列方式是低位在 前，高位在后。 校验位排在有效数据位的后面，占1 位，根据需要可选，可不选。奇 偶校验用于有限差错检测。如果选择奇校验，则组成数据位和校验位的逻 辑1 的个数必须是奇数，否则传送出错( 奇校验错) ；选择偶校验，则组 成数据位和校验位的逻辑1 的个数必须是偶数，否则传送出错( 偶校验 错) 。 在没有校验位的情况下，一个字符的最后是停止位，如果有校验位， 在校验位后面是停止位。停止位表示一个字符的结束，可以为l 位、l 位 半或2 位。 异步通信的这种由起始位开始，停止位结束所构成的一串二进制数称 为帧( 一个完整的字符) 。帧数据中的相邻位之间的时间间隔是相同的， 太原理工大学硕士研究生毕业论文第5 2 页 而帧之间的时间间隔又是随机的，即帧之间可以有若干个空闲位。 异步通信的数据传送速率是用波特率衡量的。波特率是指单位时间传 送二进制数的位数，微机中常见的有1l o 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、 9 6 0 0 、1 9 2 0 0 。 四、r s - 2 3 2 c 接口 串行异步通信应用最广的是r s 一2 3 2 c 标准接口。r s 2 3 2 c 是e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 推荐的国际通用的一种串行通 信接口标准。 一个完全的r s 一2 3 2 c 接口有2 2 根信号线，采用标准的2 5 针d 型插座 ( d b 一2 5 ) 。但是在计算机的实际应用中，大都使用9 个通信信号( 不包括 保护地) ，采用9 针d 型插座。计算机和p l c 的9 针插座的信号引脚含义 略有不同，分别见表5 - 1 和表5 - 2 。 表5 - 1 计算机r s 一2 3 2 c 端口的插脚含义 插脚号缩写名称方向 l不用 2r d 接收数据输入 3s d 发送数据输出 4d t r 数据终端准备好输出 5s g信号地 6d s r 数据通信设备准备好输入 7r s 请求发送输出 8c s 清除发送输入 9 不用 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第53 页 表5 2p l c 的r s 一2 3 2 c 端口的插脚含义 插脚号缩写名称方向 lf g接地 2s d ( t x d )发送数据 输出 3r d ( r x d )接收数据输入 4r s ( r t s ) 请求发送输出 5c s ( c t s ) 清除发送输入 6不用 7不用 8 不用 9s g信号地 第二节p l c 和计算机的串行通信 一、p l c 与上位计算机问的端口连线 c q m l h 型p l c 是o m r o n 公司推出的一种小型的、模块化p l c ，它的c p u 单元本身带有r s 一2 3 2 c 接口，不需要配备专用通信模块，用r s 一2 3 2 c 电缆 直接和计算机连接。图5 - 2 是c q m l h 和计算机之间通信端口的接线图。 二、上位机链接通信 1 、通信步骤 通过c q m l h 的r s 一2 3 2 c 端1 ：3 能执行下列类型的通信。 与上位机进行上位机链接通信； 与其它设备进行r s - 2 3 2 c 通信； 与其它c q m l h 进行l 对1 链接通信。 太原理工大学硕士研究生毕业论文第5 4 页 c q m l h计算机 信号插脚号插脚号 信号 f g11 、 厂 s d22r d r d33s d r s4 4d t r c s5 又 5s g 6 l 6d s r 7 7r s l 8c s8 s g9 、 9 图5 - 2c q m l h 和计算机间的端i ；3 连线 显然，这里所执行的是上位机链接通信。这种通信又有两种方式可以 使用，一种是上位机具有优先权，由上位机向p l c 发出命令，p l c 自动返 回响应；另一种是p l c 具有优先权，启动通信。在该控制系统中，这两种 通信方式都得到了应用。在取、放料吸盘从右向左运动的过程中，当c c d 视场中只有基片的时候，光电开关0 0 0 0 8 发信，p l c 启动通信，使用t x d 指令传送数据，计算机收到后启动c c d 摄像，进行图像处理、分类，然后 向p l c 发出分类命令，p l c 在收到后自动向计算机回送一个响应命令。 2 、上位计算机的命令 ( 1 ) 命令格式 回习卫 二二二 圈 、r 一、- r l 、一l r 一l v _ 一 起始符节点号标题码正文f c s 结束符 图5 - 3 上位机命令格式 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第55 页 当从上位计算机发送一个命令时，用图5 3 所示格式准备命令数据。 起始符：必须使用“ ”符号。 节点号：标识和上位计算机通信的p l c 。当只有一个p l c 时，设定节 点号为o o 。 标题码：设置2 字符的命令代码。可使用的命令代码有3 5 种。 正文：设置命令参数。 f c s ：设置2 字符的帧检查代码。所谓“帧”，是在一单个发送中传送 的数据块。 结束符：设置2 个字符，“ ”和“r ”( 回车) 以表示命令的结束。 ( 2 ) w r 命令和r r 命令 在该控制系统的通信中，上位计算机使用了w r 命令，它将数据写到 i r 区。利用该命令可以使某一中间继电器i r 置位，例如 “ 0 0 w r 0 1 9 3 0 0 0 1 4 附r ”，可以使i r l 9 3 0 0 置位。 r r 命令用于读i r 字中指定数目的内容，例如“ 0 0 r r 0 0 8 0 0 0 0 1 4 9 丰r ” 表示读i r 0 8 0 0 0 的状态。 ( 3 ) 从p l c 返回的响应格式 当上位机向p l c 发送一个命令后，p l c 自动返回一个响应，响应格式 如图5 - 4 所示。 叵匝匝 二固互二工工 、，l 、r l 、r 、一l 、j l r j 起始符节点号标题码结束代码正文 f c s 结束符 图5 - 4 从p l c 返回的响应令格式 结束代码：返回命令的完成状态( 例如：是否发生错误) 。 正文：当有数据时( 如读数据) 才返回正文，否则无。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第5 6 页 其余字符含义和图5 3 中的相同。 在p l c 中，我们用中间继电器i r 0 8 0 0 0 的状态表示分类机的工作状态， 置位表示手动，复位表示自动。当上位机发出命令“ 0 0 r r 0 0 8 0 0 0 0 1 4 9 木r ” 后，如果p l c 返回响应“ o o r r o o o 0 0 1 4 i * r ”则表明i r 0 8 0 0 0 为置位，相 应的，分类机处于手动状态；如果p l c 返回响应“ 0 0 r r 0 0 0 0 0 0 4 0 r ”， 则表明f r 0 8 0 0 0 为复位，相应的，分类机处于自动状态。 ( 4 ) f c s ( 帧检查顺序) 帧发送时，f c s 置于结束符前以检查是否发生任何数据错误。f c s 是 转换成2 个& s c i i 字符的8 位数据。这个8 位数据是对帧开始数据直到此 帧正文结束( f c s 前) 的数据进行“异或”运算的结果。每次接收一帧时 计算f c s ，并将结果与包含在帧中的f c s 比较，检查帧中数据是否出错。 例如，计算机发送一个命令帧“ o o r r 0 0 8 0 0 0 0 1 4 9 r ”，帧中4 9 为 f c s 的值，它是这样计算得来的：将命令帧中 、0 、0 、r 、r 、0 、 1 分别转化为a s c i i 码，再化为八位二进制数进行“异或”运算，然后再 将运算结果转化为十六进制，作为两个a s c i i 码字符处理。 3 、p l c 的命令 在上位机链接通信中，p l c 也可以向上位计算机发出命令。使用 t r a n s m i t 指令( t x d ) 可以从指定端口输出数据。 梯形图符号如图5 - 5 所示。 图5 - 5t x d 指令梯形图 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第5 7 页 s ：首源字，s 和s + ( n - - 2 ) 1 必须在同一数据区。 c ：控制字，决定了输出数据的端口，当值为0 0 0 0 时指定了r s 2 3 2 c 端口。 n ：字节数。 当执行条件为o f f 时，似d 不执行；当执行条件为洲时，t x o 从字s 至s + ( n 2 ) 一l 中读n 个字节数据，将其转换为a s c i i 码，然后输出到 指定端口。一个字节的数据( 2 个十六进制字符) 转换成两个a s c i i 字符 用于传送。p l c 在发送发出时自动加入起始符 、节点号、标题码e x ( 必 须是e x ) 、f c s 和结束符。 在该控制系统中，p l c 通过t x o 指令向上位计算机发送摄像信号，如 图5 - 6 所示。 当取放料吸盘从右往左运动时，吸 盘没有吸料，因而放料吸盘压力开关 0 0 0 1 2 为o f f 。并且，当光电开关0 0 0 0 8 被放料部件上的金属片遮挡住的时候，图5 - 6 p l c 向上位机发送摄像信号 光电开关0 0 0 0 8 为0 n 。此时，t x d 执行条件为o n ，将d m l 0 0 0 中存储的2 个字节的数据1 0 1 4 转换成4 个a s c i i 码字符，传输到r s 一2 3 2 c 端口。 p l c 发出的命令帧为“ 0 0 e x l 0 1 4 5 9 r ”，当上位机接收到后启动c c d 摄像。 三、p l c 的参数设置 p l c 和上位机进行通信时，必须在d m 区设定通信参数。 1 、通信模式( d m 6 6 4 5 ) d m 6 6 4 5 中的值设置为0 0 0 1 ，表示采用上位机链接通信模式，通信参 数在d m 6 6 4 6 中设置。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第5 8 页 2 、上位机链接节点号( d m 6 6 4 8 ) d m 6 6 4 8 中的值设置为0 0 0 0 ，表示节点号为0 0 ，只有1 台p l c 和上位 机连接。 3 、上位机链接通信参数( d m 6 6 4 6 ) d m 6 6 4 6 用于设置上位机链接通信参数，其值设为0 3 0 3 ，表示c q m l h 和上位机通信采用标准通信参数：起始位为1 位、数据长度为7 位、停止 位为2 位、偶校验、波特率为9 6 0 0 b p s 。 第三节通信程序的设计 上位机所采用的操作系统是w i n d o w sn t 4 0 ，上位机软件丌发使用的 是m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 。在w i n d o w s 环境下利用v i s u a lc + + 6 0 实现 串行通信主要有两种方法：( 1 ) 调用w i n d o w sa p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ) ；( 2 ) 使用w i n d o w sv i s u a lc + + 6 0 a c t i v ex 控件。第一种方法 需要声明及调用许多a p l 函数，较繁琐。第二种方法实现简便。我们使 用了第二种方法，利用a c t i v ex 控件编写通信程序，成功实现了上位计 算机和p l c 的串行通信。 一、w i n d o w s 串行通信基本机制 在w i n d o w s 系统中提供了一个串行通信驱动程序c o m m d r v ，通信 程序无需直接对串行端口进行 操作，而是通过驱动程序这一 编程接口进行间接操作，如图 5 7 所示。w i n d o w sn t 4 0 下， 操作系统己将通信设备封装起 来了，系统为每个通信设备定 用户 接收缓冲区发送缓冲区 w i n d o w s 通信驱动模块( c o m m d r v ) 串行口 图5 7w i n d o w s 串行通信 义了可定义大小的读写缓冲区，应用程序只对读写缓冲区操作，而不用和 太原理工大学硕士研究生毕业论文第59 页 通信驱动程序直接打交道。 w i n d o w s 串行通信基本机制是：先进行串行口初始化，然后进行串 口消息处理。 二、串行通信a c t i v e x 控件 要使用m s c o m m 通信控件，首先在v i s u a lc + + 6 0 开发环境下选择 p r o j e c t 一 a d d t o p r o j e c t 一 c o m p o n e n t s a n dc o n t r o l s 子菜单，然后将 m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o lv e r s i o n6 0 加入到项目中。 m s c o m m 控件有许多属性，重要的属性如下所示： c o m m p o r t ：设置或返回串口号。 s e t t i n g s ：设置或返回波特率、校验位、数据位、停止位等参数。 p o r t o p e n ：设置或返回串口的状态。 i n b u f f e r s i z e ：接收缓冲区的大小。 i n b u f f e r c o u n t ：接收缓冲区中接收字节数。 i n p u t ：从接收缓冲区读取数据。 o u t b u f f e r s i z e ：发送缓冲区的大小。 o u t b u f f e r c o u n t ：发送缓冲区中待发送字节数。 o u t p u t ：向发送缓冲区写入数据。 i n p u t l e n ：设置或返回i n p u t 每次读取的字节数。 r t h r e s h o l d ：在m s c o m m 控件设置c o m m e v e n t 属性为c o m e v r e c e i v e 并产生o n c o m m 事件之前，设置并返回的要接收的字符数。 s t h r e s h o m ：在m s c o m m 控件设置c o m m e v e n t 属性为c o m e v s e n d 并 发生o n c o m m 事件之前，设置并返回传输缓冲区中允许的最小字符数。 c o m m e v e n t ：串口事件或错误。用一些符号常量表示，最常用的有： c o m e v s e n d ( 在传输缓冲区中有比s t h r e s h o l d 数少的字符) ，c o m e v r e c e i v e 太原理工大学硕士研究生毕业论文 ( 收到r t h r e s h o l d 个字符) 。该事件将持续发生直到用i n p m 属性从接收缓 冲区中删除数据。 三、串口通信计算机程序设计 1 、串行口初始化 在分类机自动工作开始之前，必须使上位机图像处理软件运行起来。 分类机工作时，主窗体会实时显示当前基片的各个尺寸、分类结果。 m s c o m m 控件就在主窗体内，软件运行时，该控件是不可