摘要：為了配合EtherCAT協議在機器人控制系統上的使用，本文提出了基于COMX和STM32的機器人伺服控制器解決方案。介紹了COMX模塊的功能及結構，設計了基于FSMC的接口電路來控制COMX，并設計了COMX驅動和伺服控制器的應用軟件。最后搭建實驗平臺以測試通信功能和分析轉發(fā)延時，驗證了本方案的可行性。
關鍵詞：機器人；伺服控制器；EtherCAT；STM32；COMX

引言
    目前，機器人控制系統的研究重點在開放式、模塊化控制系統等方面，機器人控制器的標準化和網絡化已成為研究熱點；同時，機器人伺服控制器的研究也具有很大的應用價值。在伺服通信方面，傳統的基于模擬信號傳輸的集散控制系統需采用數／模轉換器，系統構成復雜、分辨率低、可靠性得不到保障且難以擴展。為了解決此問題，本系統采用實時工業(yè)以太網EtherCAT協議作為機器人伺服系統的底層協議，同時構建伺服從站控制器。實時以太網技術簡化了一般總線的互操作性和實時性等方面的問題，能滿足控制網絡傳輸的實時性要求，EtherCAT工業(yè)以太網技術以其網絡實時性高、速度快、拓撲結構靈活等優(yōu)點得到廣泛關注。本控制器采用德國赫優(yōu)訊公司開發(fā)的嵌入式實時以太網模塊COMX來完成EtherCAT通信的功能，采用STM32系列單片機(以下簡稱STM32)為主控制器，由STM32來控制電機和COMX的工作流程。

1 COMX介紹
    嵌入式實時以太網模塊COMX-CA-RE是德國赫優(yōu)訊公司開發(fā)的特殊網卡，支持所有主流的實時工業(yè)以太網協議(EtherCAT、PROFINET IO、Ethernet／IP、Power-Link、Sereos III、Modbus TCP等)。其協議棧設計成可裝載的固件存儲在Flash中；在系統啟動時，COMX模塊會自動裝載保存在Flash中的協議固件。COMX模塊使用netX500網絡控制芯片，主機通過雙端口內存DPM接口來進行數據交互，通過對DPM讀和寫來實現網絡通信及模塊控制。COMX結構框圖如圖1所示。

    COMX模塊與主機交互的接口是雙端口內存DPM，DPM是netX500控制器和主機之間共享的存儲區(qū)，應用程序通過DPM來實現EtherCAT數據通信、netX系統配置和診斷信息的獲取。在使用COMX模塊進行通信時，主要完成主機對DPM操作程序的編寫以及握手標記的設置等。EtherCAT網絡上的數據是實時地映射到DPM的，同時應用程序通過DPM來發(fā)送和接收數據，整個DPM區(qū)域是16 KB的地址空間。

2 硬件設計
    本伺服控制器主要用于機器人伺服節(jié)點通信、關節(jié)電機的控制、I／O控制，以及傳感信息的采集。主要硬件由COMX和STM32來組成。其中COMX負責EtherCAT通信，STM32采用FSMC機制來讀寫COMX。STM32是從站的伺服控制器主控芯片，主要進行電機控制和A／D、D／A轉換模塊的控制，以及負責管理COMX模塊的運行流程。其中，伺服通信功能是基于EtherCAT協議進行組網來達到各模塊互聯和數據交換的目的，這樣便于伺服節(jié)點的擴展和硬件結構的設計；電機控制方面，采用RS485接口控制SR518數字舵機；STM32的I／O口用于基本的輸入／輸出功能；A／D通道可以連接傳感設備用于機器人的感知，D／A通道用于對語音、電流等模擬量的輸出；RS232是開發(fā)過程中的調試接口。其硬件結構框圖如圖2所示。

    STM32采用FSMC機制控制COMX，將COMX映射到STM32的內存空間中，對COMX的讀寫方式與讀寫SRAM相同。嵌入式模塊COMX通過一個50引腳插槽來連接主控芯片，插槽包含了與主機通信必備的控制線總線、16位數據總線和14位地址總線等。COMX與STM32的硬件電路如圖3所示。CO MX內存映射到FSMC的第一個存儲塊的第4個分區(qū)中，起始地址為0x6C000000，并且采用8位數據寬度來讀寫DPM存儲區(qū)。

3 軟件設計
3．1 軟件結構
    基于COMX的伺服控制器的軟件框架如圖4所示。伺服系統的主控芯片是STM32，在軟件上采用了ST公司開發(fā)的底層固件庫來操作硬件接口。在本系統中，主要有RS485通信模塊、COMX驅動模塊、A／D轉換模塊、D／A轉換模塊以及I／O模塊。系統中通過COMX來實現EtherCAT通信，采用RS485來控制SR518舵機，同時采用這些模塊的API來構建伺服驅動的應用程序。

3．2 COMX驅動設計
    COMX驅動的執(zhí)行流程，在硬件電路連接好的前提下，主要任務是寄存器的配置及通信流程的控制。首先，要配置STM32的相關引腳，將與COMX相關的數據線、地址線、片選線和讀寫信號線全部設置成復用推挽輸出模式；然后，設置FSMC的相關寄存器，配置FSMC時鐘、時序邏輯、讀寫模式、數據寬度等；接著，就是COMX啟動檢測階段，由于COMX是獨立網卡，內部有獨立的系統，只有在它內部系統運行就緒后才能正常通信，這就需要檢測COMX提供的一些標志寄存器的相關位，以此來判斷內部系統的狀態(tài)；最后，等COMX一切就緒后就可以正常通信，執(zhí)行讀寫操作。
    COMX是獨立的網卡設備，通過加載不同的固件程序，來實現各種實時以太網通信協議，本系統中使用的是EtherCAT從站協議。在COMX使用之前，要保證固件程序下載到Flash中，同時配置文件也要保存在Flash中。
    COMX上電啟動時，會自動加載運行固件，并讀取配置文件。下載固件時要使用赫優(yōu)訊公司配套的PCI板卡和cifX Test軟件工具，配置文件的下載需要用SYCON．net工具，具體步驟可以查看參考文獻。當固件程序和配置文件下載完畢后，就可以使用COMX網卡了。
3．3 COMX讀寫操作實現
    COMX讀寫模式是基于緩沖的握手方式，在DPM中，主機和netX500系統通過握手標記來劃分DPM的數據讀寫權限，這些握手標記在握手通道中。每個通道都有一對CMD和ACK標記位，當這兩個標記位相同時，主機可以寫相應的DPM區(qū)域；當不同時，主機可以讀相應的DPM區(qū)域。COMX發(fā)送數據的過程如圖5所示。

    根據以上分析過程，可以設計出COMX發(fā)送數據的驅動程序，其執(zhí)行流程如圖6所示。

    COMX接收數據的過程如圖7所示。根據以上分析過程可以設計出COMX接收數據的驅動程序，其執(zhí)行流程如圖8所示。

3．4 伺服控制器軟件流程
    伺服從站控制器在啟動后會初始化COMX模塊，然后等待COMX就緒。在控制過程中首先會通過郵箱數據發(fā)送電機的設置參數，在參數設置完成后就會發(fā)送過程命令來啟動電機控制，然后進入電機控制循環(huán)。在電機控制過程中可以使用郵箱數據發(fā)送命令來停止電機控制，在沒接到停止命令時會循環(huán)接收命令，解析后用于控制電機，直到控制結束。伺服從站控制器的程序流程如圖9所示。

4 實驗測試
    本系統主要進行的實驗如下：其一，對COMX伺服控制器的協議兼容性測試；其二，對COMX伺服控制器轉發(fā)延時的測試。針對以上測試需求，搭建了相應的測試平臺。在PC平臺上安裝netANALYZER應用軟件和Wireshark軟件。其中netANALYZER用于數據抓取和時間分析；Wiresha rk用于數據報分析和時間抖動分析。在主站上使用德國赫優(yōu)訊公司的cifX 50-RE網卡和SYCON．net軟件，在從站上使用STM32和COMX開發(fā)的伺服控制器。采用netANALYZER分析卡抓取數據包，并采用Wireshark軟件分析數據，這樣就可以測試通信的兼容性和功能的實現。同時也可以采用netANALYZER分析卡的時間分析功能去測試控制器的轉發(fā)延時。為了分析總線在不同壓力下的轉發(fā)延時，進行了一組數據的測量，并轉換為曲線。如圖10所示，從站的轉發(fā)延時基本不變。由于總線從站采用了硬件FMMU的映射機制來獲取數據，這一過程延時很短，而且每個從站只處理與自己相關的數據，因此在轉發(fā)過程中數據的增加基本不影響轉發(fā)延時。

結語
    機器人伺服控制器是機器人組成的關鍵部件，在使用EtherCAT作為機器人控制協議時，需要關節(jié)控制器能兼容EtherCAT通信。為了解決這個問題，本文設計了基于COMX和STM32的伺服控制器，從軟件和硬件兩方面進行了設計，同時實現了基于FSMC接口的COMX驅動以及EtherCAT通信過程。最后，采用測試工具分析了伺服控制器在不同BusLoad下的轉發(fā)延時，通過實驗分析驗證了基于COMX模塊的伺服控制器方案的可行性。