西门子6ES7511-1UK01-0AB0安装调试

公路划线机是用来在高等级公路及城市道路上划各种路面标线的专用机械。在道路的养护过程中也用于在旧标线上划新标线[1]。目前划线机种类很多，它们分别应用于不同的场合，但其共同的特点都是先通过人工标线，然后进行机械喷涂。人工标线工作量大，且工作进度较慢，精度较差。针对这种现象本文介绍了公路划线机划线导向机器人，专门用于提供划线机较准确的路线，减轻了人工标线的工作量，提高了划线的准确度。

2 划线导向机器人概述

　　划线导向机器人的系统基本组成：导向控制系统、电机驱动履带行走系统和涂料喷涂系统。本文划线导向机器人主要用于公路中线的划线导向，机器人两端安装有超声波测距模块，分别测量公路两边的公路沿到机器人的距离，通过西门子S7-200PLC软件程序的处理后得出的信号来驱动直流电机的运动，使机器人快速地往中线上靠近，进而在中线上行进。当行进稳定后，涂料喷涂系统中的喷枪开始对地面喷洒涂料，给划线机提供较准确的标线。机器人控制示意图如图1所示。

图1 机器人控制示意图
Fig.1 The diagram of control

3 导向控制系统

　　导向控制系统基本组成：超声波测距模块和PLC控制单元。

　　超声波测距模块一般包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括控制单元、超声波传感器、发射和接收电路等;软件部分即是固定在控制单元中的程序。目前市场上出现的超声波测距仪，可以稍加以改进，也可以满足本文要求。目前的超声波测距仪检测距离可达到10m左右，远远满足本文的要求。

　　本机器人左右两端分别对称安装一个超声波测距模块，左右两个传感器同时向两边发射超声波，通过比较左右传感器发射接收的时间差值来判断机器人是右偏还是左偏，进而控制驱动轮直流电机的运动，从而是机器人在公路的中线上行进。PLC控制单元在接收到两边超声波测距模块传送的数据后，将两组数据进行比较。如果右边的数据较小，发出的超声波在右边返回的用时较短，则机器人偏向中线的右边，那么右驱动轮比左驱动轮转速快，如此不断的调整，后机器人位于公路中线上。稳定后，控制单元将此时的超声波传回的数据储存在存储区中，以后机器人的驱动轮速度就以此时的速度匀速行进，靠传感器实时传回的数据进行调整。调整范围限制在一定的值域内，超过该值域时，电机才转动开始调整机器人与中线的距离，使其尽快在中线上行进。

　　PLC控制单元软件包括：主程序、读超声波测距模块数据子程序和电机调整子程序。其程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图
Fig.2 The chart of program flow

4 电机驱动履带行走系统

　　机器人的移动方式有轮式、步行式和履带式。步行式结构设计复杂且移动缓慢，但步行机器人可以适应条件较差的路面。轮式结构机动性强，但却只适用于平坦的地形。而履带式结构具有运动平稳、爬坡能力强、不易倾倒等特点;克服了轮式移动机构越障能力、跨沟能力差及打滑等缺点[2-3]。

　　本文提出的划线导向机器人应用于路况较好的公路，但考虑到本机器人是找寻公路的中线行走，轮式结构虽然机动性较好，但其在路面适应能力上远不如履带式移动方式。结合各种情况本机器人采用两节并行履带连接方式，其移动方式类似坦克的行走机构。两边的履带安装在前后轮上，后轮由直流电机驱动，通过履带带动前轮一起转动。其结构示意图如图3所示。用履带式结构机器人不仅可以直行，而且可以利用履带的差动实现原地转向。该结构简单，不需要差动器，转向机构等。控制方便，转弯半径小，电机既可以提供前进动力，也可以提供转向动力[3]。

　　驱动轮直流电机选择带减速器的直流电机，电压为24V。蓄电池的电压为24V，包括工作蓄电池和备用蓄电池。工作蓄电池不仅给直流电机供电，还给控制单元供电。备用电池用于工作蓄电池损坏或突然无电的情况下。

图3 履带式移动方式结构示意图
Fig.3 The structure of moving way

5 涂料喷涂系统

　　划线机按标线所使用的材料分为：冷漆划线机和热塑划线机。冷漆划线机即在常温下进行喷漆，它有两种类型，即气喷涂式和无气喷涂式。气喷涂是靠压缩空气将漆雾化，然后通过喷枪嘴喷涂于地面。无气喷式划线机是利用专用高压泵对漆施加10～15Mpa的压力，然后通过喷枪喷涂于地面。热塑划线机是将热熔油漆或热熔塑料（有颗粒状和块状两种）在热熔罐中加热至使用温度后，再通过划线装置划于地面的。其划线装置的划线方式分为：刮涂式、挤压式和喷涂式[4]。结合本文划线机划线导向机器人的应用重点是导向机器人给划线机提供标线，所以导向机器人的涂料喷涂系统不会像划线机上的喷涂系统那么复杂，只需要满足能够给划线机提供可以识别的标线即可。

　　本文涂料喷涂系统采用冷塑无气喷式，即在常温下利用专用高压泵和喷枪进行喷漆的方法。其基本组成有：高压泵、涂料箱、喷枪及其控制喷枪的电机。涂料喷涂工作过程：高压泵向涂料箱中进行加压，当控制喷枪的电机得到控制单元的指令时，电机开始工作并使喷枪喷出涂料。本系统安装在履带式底盘后部，喷枪安在中线上，机器人行走时，喷枪对准地面进行喷漆。

6 总结

　　与目前传统的公路划线机划线过程相比，本机器人有以下几个特点：，本机器人实行自主寻找中线方向，不需要人为操作。第二，本机器人给公路划线机提供较**的中线标线，不需要人工标线，大大地减轻了工人的工作量。第三，本机器人结构简单，PLC控制系统稳定性较强，能适应于恶劣的野外环境。

　　本文创新点：将PLC用于控制系统，适用于环境恶劣的野外作业，稳定性强。应用了履带式的移动结构，可应用于复杂的路况，机器人移动性能稳定。

随着测试技术的不断发展进步，低功耗、高性能的DSP可取代通用单片机，用在数据采集处理系统中;以太网技术也正在数据采集、测试测量技术中发挥越来越大的作用。本文主要从软件、硬件出发，介绍一种基于DSP和以太网的数据采集处理系统的设计思路及实现。

1 基于以太网的数据采集处理系统

　　由于生产和科研领域对测试的要求越来越高，所需测试和处理的数据量也越来越大，可能需要多个测试仪器同时进行处理，也可能需要在各测试仪器之间进行数据交换;而且，有些时候不适合工作人员亲临现场，这时就需要进行网络控制。以太网技术在数据采集处理系统中的应用如图1所示。

　　和现在使用于工业现场比较多的现场总线比较，以太网大的特点是开发性好、成本低。通过把复杂的TCP/IP协议封装而提供的各种网络测试技术，使得网络测试的开发变得不再复杂;同时，网络测试带来的巨大效益，使得网络测试在测试自动化领域能够得到广泛的应用。以太网作为分布式测试的一个网络方案，其潜力无疑是巨大的。

　　以太网接口控制器和DSP微处理器的价格不断下降，使得以太网直接集成到基于DSP等嵌入式系统的测试、采集和工业I/O设备中成为一个越来越明显的趋势。基于以太网的I/O设备是将以太网接口直接嵌入到设备内部。所以一般来说，在网络进行数据采集时，可以有更小的设备体积，安装也更灵活。和一些现在使用于工业的其它通信方案比较，以太网方式通常需要更强大的微处理器和内存。而现在网络和计算机技术的发展，特别是DSP技术的应用，可以大大地降低这方面的成本。

2 数据采集处理系统的硬件设计

　　该系统以TI公司的TMS320C6000（以下简称C6000）系列DSP中的TMS320C6211和10/100M自适应以太网控制芯片MX98728EC为核心，主要包括ADC数据采集、DSP数据处理和以太网接口三个部分。图2为数据采集处理系统框图。

　　（1）C6000系列DSP

　　C6000是1997年美国TI公司推出的新一代高性能DSP芯片。这种芯片是属于定点、浮点兼容的D S P系列。其中定点系列是TMS320C62XX，浮点系列是TMS320C67XX。C6000片内有8个并行的处理单元，分为相同的两组。芯片的高时钟频率可以达到300MHz，当芯片内部8个处理单元同时运行时，其大处理能力可以达到2400MIPS。本数据采集处理系统采用TMS320C6211。

　　（2）以太网控制器MX98728EC

　　MX98728EC是一个通用的单片10/100M快速以太网控制器。通过它的主机总线接口，可以实现各种各样的应用，而不需要或者只需极少的外部控制逻辑。单片的解决方案可以减小电路板的尺寸和板上芯片的数量，以降低系统的成本。MX98728EC的特点如下：

　　◇ 32位通用异步总线结构，支持频率高到33MHz;

　　◇ 单片解决方案，集成了10/100M TP收发器;

　　◇ 可选的外部收发器MII接口;

　　◇ 完全兼容IEEE 802.3u协议;

　　◇ 支持16/8位打包缓冲数据宽度和32/16位主机总线数据宽度;

　　◇ 分离的TX和RX FIFO，支持全双工模式，独立的TX和RX通道;

　　◇ 丰富的片上寄存器，以支持各种各样的网络管理功能;

　　◇ 支持16/8位的用于打包缓冲器的SRAM接口，支持片上FIFO的突发DMA模式;

　　◇ 自动设置网络速度和协议的NWAY功能;

　　◇ 可选的EEPROM 配置，支持1Kb和4Kb的EEPROM 接口;

　　◇ 支持软件EEPROM 接口，方便升级EEPROM的内容。

　　（3） 系统结构

　　①ADC数据采集部分。CPLDl由DSP提供时钟信号，主要作用是提供扫描表SRAM的地址。扫描表SRAM的数据由DSP写入。扫描表的数据输出对拟进行A/D转换的模拟通道进行选择和对仪表放大器进行增益选择。ADC采用14位的LTCl416。32路模拟信号通过多路复用器，选择其中1路信号，进入仪表放大器放大之后，进入ADC。ADC的转换时钟由DSP的定时器提供。

　　②DSP数据处理部分。ADC转换后的14位数据通过FIPO进入DSP进行处理。FIFO采用4片CY7C425形成乒乓结构，以实现模拟信号的不间断采样。DSP扩展一片Flash存储器，作为DSP的程序存储器。另外，还扩展了一片SRAM，作为程序缓存，脱机运行时，DSP将Flash中的程序写入SRAM，再写入DSP内部RAM。CPLD2主要是用于控制FIFO的读写，并且提供以太网接口部分的控制信号。DSP系统中的数字信号处理算法重点实现滤波、采样率变换、非线性修正和温漂修正等。

　　③以太网接口部分。以太网主控芯片MX98728EC通过RJ45接口连接以太网，扩展一片SRAM作为以太网数据收发数据存储器。EEPROM存储以太网卡的MAC地址、I/O基地址、中断线选择等配置寄存器初始化数据。CPLD3通过DSP高位地址线的译码，控制以太网芯片的片选和提供以太网接口部分的复位信号等。DSP和以太网的接口部分硬件设计如图3所示。
　　

3 数据采集处理系统的软件设计

　　C6000系列DSP芯片的硬件资源为高性能提供了必要条件，应该充分利用这些硬件资源及开发工具，使代码达到所期望的性能。在DSP嵌入式系统的基础上，集成已经封装的TCP/IP协议栈，增加网络连接代码，这是软件编程时应该着重考虑的问题。因为DSP系统硬件及以太网协议的复杂性，本系统中的软件编程是一个关键的难点。

　　本系统的软件设计过程中，采用了TI基于C6000系列DSP的实时操作系统DSP/BIOS和DSP/BIOS提供的实时数据交换功能RTDX（Real-Time-Data-eXchange）。DSP/BIOS针对DSP的应用环境，通过一系列的对象模块，向开发者提供了一个实用的实时操作系统。它可以帮助用户提高软件的模块化、并行性和维护性等，有利于降低系统成本和缩短开发周期。运行于该操作系统之上的应用程序，在开发时间、软件维护和升级等方面都有了极大的提高。实时数据交换RTDX是DSP/BIOS提供的一个全新功能。在很多应用中，要求DSP从主机中实时地读取数据或者向主机实时地输出数据，而不能够停下来。

　　因为本系统的软件结构较为复杂，涉及的算法较多，故应采用模块化、由顶向下、逐步细化的结构化程序设计方法。这一方法可节省软件工作量、提高工作效率。图4为简化的数据采集处理主程序流程图。

结 语

　　实践证明，根据以上方案设计的基于DSP和以太网的数据采集处理系统，可以很好地实现对模拟信号进行采集和处理的功能。在此基础上，也可以作为基于DSP嵌入式系统和以太网的网络测试平台开发过程中重要的调试工具，从而加速把以太网集成到测试、采集和工业I/O仪器中的开发进程。