基于COMX的机器人伺服控制器设计

摘要：为了配合EtherCAT协议在机器人控制系统上的使用，本文提出了基于COMX和STM32的机器人伺服控制器解决方案。介绍了COMX模块的功能及结构，设计了基于FSMC的接口电路来控制COMX，并设计了COMX驱动和伺服控制器的应用软件。最后搭建实验平台以测试通信功能和分析转发延时，验证了本方案的可行性。
关键词：机器人；伺服控制器；EtherCAT；STM32；COMX

引言
目前，机器人控制系统的研究重点在开放式、模块化控制系统等方面，机器人控制器的标准化和网络化已成为研究热点；同时，机器人伺服控制器的研究也具有很大的应用价值。在伺服通信方面，传统的基于模拟信号传输的集散控制系统需采用数／模转换器，系统构成复杂、分辨率低、可靠性得不到保障且难以扩展。为了解决此问题，本系统采用实时工业以太网EtherCAT协议作为机器人伺服系统的底层协议，同时构建伺服从站控制器。实时以太网技术简化了一般总线的互操作性和实时性等方面的问题，能满足控制网络传输的实时性要求，EtherCAT工业以太网技术以其网络实时性高、速度快、拓扑结构灵活等优点得到广泛关注。本控制器采用德国赫优讯公司开发的嵌入式实时以太网模块COMX来完成EtherCAT通信的功能，采用STM32系列单片机(以下简称STM32)为主控制器，由STM32来控制电机和COMX的工作流程。

1 COMX介绍
嵌入式实时以太网模块COMX-CA-RE是德国赫优讯公司开发的特殊网卡，支持所有主流的实时工业以太网协议(EtherCAT、PROFINET IO、Ethernet／IP、Power-Link、Sereos III、Modbus TCP等)。其协议栈设计成可装载的固件存储在Flash中；在系统启动时，COMX模块会自动装载保存在Flash中的协议固件。COMX模块使用netX500网络控制芯片，主机通过双端口内存DPM接口来进行数据交互，通过对DPM读和写来实现网络通信及模块控制。COMX结构框图如图1所示。

COMX模块与主机交互的接口是双端口内存DPM，DPM是netX500控制器和主机之间共享的存储区，应用程序通过DPM来实现EtherCAT数据通信、netX系统配置和诊断信息的获取。在使用COMX模块进行通信时，主要完成主机对DPM操作程序的编写以及握手标记的设置等。EtherCAT网络上的数据是实时地映射到DPM的，同时应用程序通过DPM来发送和接收数据，整个DPM区域是16 KB的地址空间。

2 硬件设计
本伺服控制器主要用于机器人伺服节点通信、关节电机的控制、I／O控制，以及传感信息的采集。主要硬件由COMX和STM32来组成。其中COMX负责EtherCAT通信，STM32采用FSMC机制来读写COMX。STM32是从站的伺服控制器主控芯片，主要进行电机控制和A／D、D／A转换模块的控制，以及负责管理COMX模块的运行流程。其中，伺服通信功能是基于EtherCAT协议进行组网来达到各模块互联和数据交换的目的，这样便于伺服节点的扩展和硬件结构的设计；电机控制方面，采用RS485接口控制SR518数字舵机；STM32的I／O口用于基本的输入／输出功能；A／D通道可以连接传感设备用于机器人的感知，D／A通道用于对语音、电流等模拟量的输出；RS232是开发过程中的调试接口。其硬件结构框图如图2所示。

STM32采用FSMC机制控制COMX，将COMX映射到STM32的内存空间中，对COMX的读写方式与读写SRAM相同。嵌入式模块COMX通过一个50引脚插槽来连接主控芯片，插槽包含了与主机通信必备的控制线总线、16位数据总线和14位地址总线等。COMX与STM32的硬件电路如图3所示。CO MX内存映射到FSMC的第一个存储块的第4个分区中，起始地址为0x6C000000，并且采用8位数据宽度来读写DPM存储区。