FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. CANOpen komunikace pro mobilního robota

ˇ ESK E´ VYSOK E´ U CEN ˇ Í TECHNICK E´ V P RAZE C FAKULTA ELEKTROTECHNICK A´

´ PRACE ´ DIPLOMOVA CANOpen komunikace pro mobiln´ıho robota

Praha, 2008

Autor: Jan Benda

Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu.

V Praze dne podpis

i

Podˇekován´ı Na tomto m´ıstˇe bych chtˇel zejména podˇekovat vedouc´ımu diplomové práce Ing. Michalu Sojkovi, který mi poskytoval uˇziteˇcné rady k této práci, ale i k jiným projekt˚um, kterých jsem se na Katedˇre ˇr´ıdic´ı techniky bˇehem studia u´ cˇ astnil. M˚uj veliký d´ık patˇr´ı také mé rodinˇe, která mˇe po celou dobu studia trpˇelivˇe podporovala.

ii

Abstrakt Pˇredkládaná práce se zabývá problematikou návrhu pohonu a mechanické konstrukce autonomn´ıho robota pro soutˇezˇ Eurobot 2007. V dalˇs´ı cˇ a´ sti pak popisuje problematiku komunikaˇcn´ıch technologi´ı pro distribuované ˇr´ızen´ı mechanism˚u s vyuˇzit´ım CANOpen. Jsou zde popsány vytvoˇrené knihovny a aplikace, umoˇznˇ uj´ıc´ı ˇr´ızen´ı pohon˚u prostˇrednictv´ım sbˇernice CAN a protokolu CANOpen se standardizovaným profilem pro ˇr´ızen´ı pohon˚u (Motion Control Profile). Práce je navázána na existuj´ıc´ı otevˇrený softwarový projekt CanFestival, implementuj´ıc´ı protokol CANOpen. Pro vlastn´ı ˇr´ızen´ı motor˚u na platformˇe mikrokontroléru H8S/2638 je pouˇzita knihovna PXMC. Nadˇrazená ˇr´ıd´ıc´ı aplikace je vytvoˇrena pro operaˇcn´ı systém GNU/Linux.

iii

Abstract This diploma thesis focuses on drive design and mechanical construction of mobile robot for Eurobot 2007 competition. Another part is devoted to problematics of communication technologies used for distributed control systems. As a part of this thesis, libraries and applications allowing drive control using CAN bus and CANopen protocol were created and described. This work is based on an existing open source project CanFestival, which is an implementation of CANopen protocol. The drive control using an H8S/2638 microcontroller is realized by means of PXMC library. The high level control application was created for GNU/Linux operating system.

iv

České vysoké učení technické v Praze - Fakulta elektrotechnická

Katedra řídicí techniky

Školní rok: 2006/2007

ZADÁNÍ D I P L O M O V É Student:

Jan B e n d a

Obor:

Technická kybernetika

PRÁCE

Název tématu: CANOpen komunikace pro mobilního robota

Zásady pro vypracování:

1. Seznamte se pravidly soutěže Eurobot 2007, sběrnicí CAN a protokolem CANOpen. Dále prostudujte informace o použitých procesorech Renesas H8S/2638 a PPC5200. 2. Společně s ostatními členy týmu navrhněte mechaniku robotu pro soutěž Eurobot 2007. 3. Zvolte některou dostupnou implementaci CANOpen protokolu a použijte ji pro vytvoření CANOpen slave jednotky pro řízení motorů. Pro vlastní řízení motorů bude použita knihovna PXMC. 4. Zprovozněte CANOpen na "master" zařízení, které bude komunikovat s podřízenými jednotkami. 5. Vše otestujte a zdokumentujte.

Seznam odborné literatury: Dodá vedoucí práce. Vedoucí diplomové práce:

Ing. Michal Sojka

Termín zadání diplomové práce:

zimní semestr 2006/2007

Termín odevzdání diplomové práce:

leden 2008

prof. Ing. Michael Šebek, DrSc. vedoucí katedry

prof. Ing. Zbyněk Škvor, CSc. děkan

v V Praze dne 21.02.2007

vi

Obsah Seznam obrázku˚

xi

Seznam tabulek

xiii

Seznam zkratek

xv

´ 1 Uvod

1

2

Mechanika

3

2.1

Návrh pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.2

Kostra robota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.3

Sbˇerac´ı mechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.4

Zásobn´ık . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.5

Lokalizaˇcn´ı maják . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3

Komunikace po sbˇernici CAN

13

3.1

Mikroprocesor H8S/2638 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2

MPC5200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.3

Sbˇernice CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4

3.3.1

Fyzická vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3.2

Linková vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3.3

Datová zpráva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.3.4

Ostatn´ı typy zpráv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

CANOpen standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.4.1

Model CANOpen zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4.2

Slovn´ık zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4.3

Komunikaˇcn´ı objekty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4.4

PDO zprávy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 vii

3.5

4

3.4.5

SDO zprávy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.4.6

NMT zprávy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4.7

Standardizované profily v CANOpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4.8

Komunikaˇcn´ı stavy CANOpen uzlu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Motion Control Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.1

Mapován´ı PDO zpráv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.5.2 3.5.3

Obecné informace o pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 ˇ ızen´ı stavu pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 R´

3.5.4

Pˇrevod fyzikáln´ıch jednotek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5.5

Zpˇetnovazebn´ı smyˇcka ˇr´ızen´ı pozice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5.6

Operaˇcn´ı módy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5.6.1

Mód profilovaného ˇr´ızen´ı pozice . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.5.6.2

Mód hledán´ı referenˇcn´ı pozice . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.5.6.3

Mód interpolovaného ˇr´ızen´ı pozice . . . . . . . . . . . . . . 37

3.5.6.4

Mód profilovaného ˇr´ızen´ı rychlosti . . . . . . . . . . . . . . 38

3.5.6.5

Mód profilovaného ˇr´ızen´ı momentu . . . . . . . . . . . . . . 38

3.5.6.6

Mód ˇr´ızen´ı rychlosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Implementace rˇ´ızen´ı pohonu˚ prostˇrednictv´ım CANOpen

41

4.1

PXMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2

CanFestival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1

Vytvoˇren´ı slovn´ıku zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3

Popis funkce ukázkových aplikac´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.4

Popis zdrojových soubor˚u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4.1

4.4.2

Adresáˇr cf-common . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.4.1.1

Soubor cf mcp common DS3O1.h . . . . . . . . . . . . . 55

4.4.1.2

Soubor cf mcp common DSP402.h . . . . . . . . . . . . 55

4.4.1.3

Soubor cf mcp common def.h . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4.1.4

Soubor cf mcp common fcn.h . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4.1.5

Soubor cf mcp common fcn.c . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4.1.6

Soubor cf mcp common struct.h . . . . . . . . . . . . 56

Adresáˇr cf-master . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.4.2.1

Soubor cf mcp master cmd.c . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4.2.2

Soubor cf mcp master def.h . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4.2.3

Soubor cf mcp master demo.c . . . . . . . . . . . . . 56 viii

4.4.3

5

4.4.2.4

Soubor cf mcp master fcn.c . . . . . . . . . . . . . . 57

4.4.2.5

Soubor cf mcp master fsm.c . . . . . . . . . . . . . . 57

4.4.2.6

Soubor cf mcp master objdict.od . . . . . . . . . . 57

4.4.2.7

Soubor cf mcp master objdict.c . . . . . . . . . . . 57

4.4.2.8

Soubor cf mcp master objdict.h . . . . . . . . . . . 57

Adresáˇr cf-pxmc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4.3.1

Soubor cf mcp pxmc def.h . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.4.3.2

Soubor cf mcp pxmc fcn.c . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.4.3.3

Soubor cf mcp pxmc demo.c . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.4.3.4

Soubor cf mcp pxmc fsm.c . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.4.3.5

Soubor cf mcp pxmc objdict.od . . . . . . . . . . . . 58

4.4.3.6

Soubor cf mcp pxmc objdict.c . . . . . . . . . . . . . 58

4.4.3.7

Soubor cf mcp pxmc objdict.h . . . . . . . . . . . . . 58

4.5

Pˇr´ıkazy terminálu demonstraˇcn´ıho programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.6

Spuˇstˇen´ı testovac´ı aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.6.1

Poloˇzky slovn´ık˚u zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.6.2

Pouˇzit´ı virtuáln´ı sbˇernice CAN na OS Linux . . . . . . . . . . . . . . 62

4.6.3

Pˇreklad zdrojových kód˚u ukázkových aplikac´ı . . . . . . . . . . . . . 62

4.6.4

Spuˇstˇen´ı ukázkových aplikac´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.6.5

Pˇreklad aplikace cf mcp pxmc demo pro H8S/2638 . . . . . . . . . 63

Závˇer

65

Literatura

68

A Protokol o výpoˇctu pohonu

I

B Výkresy nˇekterých mechanických souˇca´ st´ı C Obsah pˇriloˇzeného CD

VII XIX

ix

x

Seznam obrázku˚ 2.1

Motor zabudovaný v robotu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2

Kostra robota s namontovanými motory a cˇ a´ st´ı sbˇeraˇce . . . . . . . . . . . . .

6

2.3

Kompletnˇe sestavený sbˇerac´ı mechanismus na robotu . . . . . . . . . . . . . .

7

2.4

Zásobn´ık pˇripevnˇený ke kostˇre robota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.5

Lokalizaˇcn´ı maják namontovaný v horn´ı cˇ a´ sti robota . . . . . . . . . . . . . . 10

2.6

Násˇ robot v koneˇcné podobˇe na soutˇezˇ i v Petrohradu . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1

Blokové schéma poˇc´ıtaˇce MPC5200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2

Formát datové zprávy sbˇernice CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.3

ISO/OSI model podle CANOpen standardu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4

Blokové schéma CANOpen zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.5

Nepotvrzovaný pˇrenos PDO zprávy (Write PDO protocol) . . . . . . . . . . . 24

3.6

Potvrzovaný pˇrenos PDO zprávy (Read PDO protocol) . . . . . . . . . . . . . 24

3.7

Pˇrenos SDO zprávy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.8

Pˇrenos NMT zprávy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.9

Komunikaˇcn´ı stavový diagram CANOpen zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.10 Blokové schéma se standardizovaným profilem pro ˇr´ızen´ı pohon˚u DS-402 . . . 29 3.11 Stavový diagram pohonu kaˇzdé osy na CANOpen s profilem DSP402. Pˇrechod do stavu Fault Reaction Active (ˇc.13) probˇehne automaticky z libovolného stavu v okamˇziku registrace chybové události. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.12 Pˇrep´ınán´ı operaˇcn´ıch mód˚u pohonu osy podle DS-402 . . . . . . . . . . . . . 34 3.13 Pˇrevod mezi s´ıt’ovými a vnitˇrn´ımi fyzikáln´ımi jednotkami podle DSP402 . . . . 35 3.14 Blok zpˇetnovazebn´ı smyˇcky ˇr´ızen´ı pozice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.15 Blokové schéma módu profilovaného ˇr´ızen´ı pozice . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.16 Rychlostn´ı profil pohybu pˇri zadáván´ı samostatných c´ılových bod˚u . . . . . . . 36 3.17 Rychlostn´ı profil pohybu pˇri zadáván´ı skupiny c´ılových bod˚u . . . . . . . . . . 37 3.18 Prostorová a cˇ asová interpolace pohybu v módu interpolovaného ˇr´ızen´ı pohybu xi

38

3.19 Blokové schéma vyuˇzit´ı módu ˇr´ızen´ı rychlosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1

Grafické znázornˇen´ı modularity PXMC knihovny . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2

Blokové schéma aplikace a jej´ıch programových jednotek CanFestivalu . . . . 45

4.3

Vytvoˇren´ı nového slovn´ıku zaˇr´ızen´ı v programu Objdictedit . . . . . . . . . . . 48

4.4

Nastaven´ı poˇca´ teˇcn´ıch hodnot nového slovn´ıku zaˇr´ızen´ı v programu Objdictedit

4.5

Vygenerován´ı zdrojových soubor˚u nového slovn´ıku zaˇr´ızen´ı v programu Obj-

49

dictedit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.6

Data ˇr´ızených os ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı uzlu Master a v uzlech Slave . . . . . . . 52

4.7

Vázané stavové automaty pohonu os na uzlu Master a Slave . . . . . . . . . . . 53

4.8

Dialogové okno aplikace simulátoru knihovny PXMC . . . . . . . . . . . . . . 61

B.1 Kostra robota s um´ıstˇeným pohonem, sestava . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII B.2 Spodn´ı deska kostry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX B.3 Pˇredn´ı sbˇerac´ı mechanismus, sestava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

X

B.4 Pˇredn´ı sloupek rámu kostry robota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI B.5 Pˇredn´ı výztuˇzný sloupek rámu kostry robota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII B.6 Pˇr´ıcˇ n´ık um´ıstˇený v pˇredn´ı cˇ a´ sti rámu kostry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII B.7 Blok loˇziska pohonného kola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV B.8 Blok pro pˇripevnˇen´ı pohonného motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV B.9 Pohonné koleˇcko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVI B.10 Hˇr´ıdel pohonného koleˇcka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII B.11 Nákres lokalizaˇcn´ıho majáku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVIII

xii

Seznam tabulek 4

2.1

Zvolené parametry pro výpoˇcet pohonu robota . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1

Maximáln´ı délka sbˇernice v závislosti na poˇzadované pˇrenosové rychlosti . . . 18

3.2

Skupiny index˚u ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3

Pˇrechody mezi stavy v komunikaˇcn´ım stavovém diagramu . . . . . . . . . . . 27

3.4

Rozsahy index˚u ve slovn´ıku pro jednotlivé osy . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.5

Mapován´ı pˇrij´ımaných PDO zpráv podle DSP402 . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.6

Mapován´ı odes´ılaných PDO zpráv podle DS-402 . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.7

Významy jednotlivých bit˚u ˇr´ıd´ıc´ıho slova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.8

Významy jednotlivých bit˚u stavového slova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

xiii

xiv

Seznam zkratek ANSI American National Standards Institute ATA Advanced Technology Attachment BLDC Brush-Less DC motor CAN Controller Area Network CiA CAN in Automation CNC Computer Numerical Control CRC Cyclic Redundancy Check DC Direct Current DDR Double Data Rate DMA Direct Memory Access GND electric Ground GPL General Public License HMI Human-Machine Interface HTML HyperText Markup Language I/O Input/Output IIC Inter-Integrated Circuit IDE Integrated Drive Electronics IEC International Engineering Consortium ISO International Organisation for Standartization LAN Local Area Network LLC Logical Link Control xv

MAC Medium Access Control MCL Monte Carlo Localization MIPS Million Instructions Per Second NMT Network Management OMK Ocera Make system OSI Open System Interconnection PDO Process Data Object PCI Peripheral Component Interconnect PID Proportional-Integral-Derivative controller PLC Programmable Logic Controller PXMC Pikron eXtensible Motion Control ROM Read-Only Memory RPDO Receive PDO RTR Remote Transmission Request SDO Service Data Object SDRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory SPI Serial Peripheral Interface SRAM Static Random Access Memory SYNC Synchronisation Object TPDO Transmit PDO USB Universal Serial Bus XML Extensible Markup Language

xvi

Kapitola 1 ´ Uvod V Evropˇe je kaˇzdoroˇcnˇe poˇra´ dána mezinárodn´ı soutˇezˇ autonomn´ıch robot˚u zvaná Euroˇ bot [18]. C´ılem této akce je popularizovat vˇedu a techniku mezi sˇirokou veˇrejnost´ı. Clenov´ e univerzitn´ıch, stˇredoˇskolských i mimoˇskoln´ıch tým˚u si mohou ovˇeˇrit své technické dovednosti pˇri stavbˇe robota a v soutˇezˇ i zmˇeˇrit své s´ıly s ostatn´ımi týmy. Soutˇezˇ má kaˇzdoroˇcnˇe jiné zadán´ı, ´ ale vˇetˇsinou se jedná o sbˇer nejr˚uznˇejˇs´ıch pˇredmˇet˚u na ploˇse hˇriˇstˇe. Ukolem robota je pak sebrané pˇredmˇety roztˇr´ıdit a dovézt do pˇripravených koˇsu˚ . Roboti mus´ı být zcela autonomn´ı, to znamená, zˇ e vˇsechny pohonné, senzorické, napájec´ı a ˇr´ıd´ıc´ı systémy mohou být pouze uvnitˇr robota a nesm´ı komunikovat s okol´ım. V zápasech se po hˇriˇsti pohybuj´ı vˇzdy dva roboti soupeˇr´ıc´ıch tým˚u. Soutˇezˇ Eurobot 2007 nesla název Robot Recycling Rally. Konkrétn´ı u´ kol robota byl sesb´ırat a do pˇripravených koˇsu˚ roztˇr´ıdit plastové láhve 0.5l, plechovky 0.33l a baterie velikosti velkého monoˇclánku. Hˇriˇstˇe má rozmˇery 210 × 300 cm a v jeho roz´ıch jsou um´ıstˇeny koˇse na roztˇr´ıdˇené plechovky a láhve. B´ılá miska na barevnˇe roztˇr´ıdˇené baterie má na hˇriˇsti pohyblivou pozici.

1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

Na Katedˇre ˇr´ıdic´ı techniky vznikl tým student˚u, jehoˇz jsem cˇ lenem, který se rozhodl autonomn´ıho robota podle pravidel postavit a soutˇezˇ e se zúcˇ astnit. Pˇredkládaná práce se zabývá nˇekolika tématy z oblasti ˇr´ızen´ı, pouˇzitelnými nejen v mobiln´ı robotice. Rozeb´ırá zejména problematiku návrhu pohonu a mechanické konstrukce robota, v dalˇs´ı cˇ a´ sti pak popisuje problematiku komunikaˇcn´ıch technologi´ı pro distribuované ˇr´ızen´ı mechanism˚u. V kapitole 2 je detailnˇe popsán postup návrhu a dimenzován´ı pohonu robota urˇceného pro soutˇezˇ Eurobot. Popisuje a dokumentuje se zde stavba speciáln´ıch mechanism˚u robota, jejichˇz u´ cˇ el vyplývá ze zadán´ı soutˇezˇ e. K této kapitole je také v pˇr´ıloze k dispozici protokol o výpoˇctu pohonu, obsahuj´ıc´ı jmenovité a maximáln´ı parametry vybraného motoru. K cˇ a´ sti kostry robota, u které se pˇredpokládá i jej´ı pouˇzit´ı v dalˇs´ıch roˇcn´ıc´ıch soutˇezˇ e, je také v pˇr´ıloze uvedena výkresová dokumentace. K ostatn´ım souˇca´ stem jsou zde uvedeny pouze situaˇcn´ı nákresy. V kapitole 3 bude cˇ tenáˇr seznámen s vlastnostmi sbˇernice CAN [1] a CANOpen [12] protokolem, definuj´ıc´ım aplikaˇcn´ı vrstvu komunikaˇcn´ıho modelu. Je zde popsán mikrokontrolér H8S/2638 [20], v robotu pouˇzitý pro ˇr´ızen´ı pohonných mechanism˚u a 32 bitový mikrokontrolér MPC5200 s architekturou PowerPCTM [14]. Ten je v robotu pouˇzit pro hlavn´ı ˇr´ıd´ıc´ı aplikaci. Kapitola 3 pak bl´ızˇ e popisuje standardizovaný profil zaˇr´ızen´ı, který specializuje komunikaˇcn´ı protokol CANOpen pro ˇr´ızen´ı pohon˚u a polohovac´ıch mechanism˚u. Jsou zde popsány promˇenné a funkce definované standardem. Kapitola 4 popisuje univerzáln´ı knihovnu PXMC, p˚uvodnˇe vyvinutou firmou PiKRON [5], urˇcenou pro zpˇetnovazebn´ı ˇr´ızen´ı nejr˚uznˇejˇs´ıch typ˚u motor˚u. V dalˇs´ı cˇ a´ sti je popsán otevˇrený softwarový projekt CanFestival [22], který implementuje komunikaˇcn´ı protokol CANOpen a jeho standardizované profily. Je zde uveden struˇcný návod na vytvoˇren´ı aplikace v tomto projektu. Dále jsou zde popsány aplikace, které implementuj´ı výsˇe popsané hardwarové a softwarové prostˇredky komunikace po sbˇernici CAN, protokol CANOpen a profil distribuovaného ˇr´ızen´ı pohon˚u. Je zde popsána vytvoˇrená ukázková hlavn´ı ˇr´ıd´ıc´ı aplikace, která je ovládána operátorem pomoc´ı jednoduchých pˇr´ıkaz˚u. Na podˇr´ızených uzlech komunikaˇcn´ı s´ıtˇe je pak spuˇstˇena aplikace, která komunikuje s nadˇrazeným uzlem a pˇr´ımo provád´ı ˇr´ızen´ı nˇekolika pohonných motor˚u. Je zde naznaˇcena konfigurace takovéto s´ıtˇe a popsány zdrojové kódy. T´ım je dán návod pro ˇreˇsen´ı podobné problematiky v dalˇs´ıch konkrétn´ıch aplikac´ıch nejen z oblasti robotiky. K této práci je pˇriloˇzeno CD se zdrojovými kódy a výkresy, jehoˇz podrobnˇejˇs´ı obsah je uveden v pˇr´ıloze C.

Kapitola 2 Mechanika Jedn´ım z c´ıl˚u mé diplomové práce bylo zkonstruovat a postavit autonomn´ıho mobiln´ıho robota. Poté se s sn´ım spoleˇcnˇe s ostatn´ımi cˇ leny týmu zúcˇ astnit soutˇezˇ e Eurobot 2007. Nejprve bylo nutné prostudovat detailnˇe pravidla soutˇezˇ e [18], kde je specifikován u´ kol robota. Dále bylo nutno pˇrihlédnout k technickým omezen´ım na rozmˇery robota a na pouˇzité technologie. Rozhodován´ı o funkci mechanických souˇca´ st´ı robota, zejména tˇech týkaj´ıc´ıch se hern´ı strategie, bylo diskutováno mezi vˇsemi cˇ leny týmu. Vˇetˇsina d´ıl˚u z hlin´ıkového deskového materiálu byla vyfrézována na CNC stroji. Plastové desky zásobn´ıku a ostatn´ı drobné d´ıly byly vyrobeny na CNC frézce vlastn´ı výroby. Výrobn´ı pˇredpisy byly generovány z elektronických verz´ı výkres˚u uvedených v pˇr´ıloze B.

2.1

Návrh pohonu

Vzhledem k tomu, zˇ e jsme plánovali pouˇz´ıt kostru1 robota i s pohonem v dalˇs´ıch roˇcn´ıc´ıch soutˇezˇ e, rozhodli jsme poloˇzit velký d˚uraz na kvalitu a zˇ ivotnost vybraného pohonu. Jako pohonné motory jsme vybrali bezkomutátorové stejnosmˇerné motory (BLDC – Brush– less DC motor) od firmy MAXONTM . Obecnˇe se stejnosmˇernými motory tohoto výrobce máme na Katedˇre ˇr´ıdic´ı techniky velmi dobré zkuˇsenosti pro jejich vysokou kvalitu, dlouhou zˇ ivotnost a dobrou variabilitu ve výrobn´ıch ˇradách pohon˚u a jejich pˇr´ısluˇsenstv´ı. Výbˇer bezkomutátorových motor˚u byl jakýsi nadstandard, ale rozhodli jsme se pro nˇe pro jejich vyˇssˇ´ı mechanickou odolnost a vyˇssˇ´ı pˇret´ızˇ itelnost. Jedinou nevýhodou je nutnost vytvoˇren´ı tˇr´ıfázového elektrického proudu pro vytvoˇren´ı rotaˇcn´ıho magnetického pole ve statoru motoru. V dneˇsn´ı dobˇe 1

Kostru tvoˇr´ı základna z 3 mm silné hlin´ıkové desky a rám z profil˚u ITEM.

3

4

KAPITOLA 2. MECHANIKA

Tabulka 2.1: Zvolené parametry pro výpoˇcet pohonu robota

poˇcet pohonných motor˚u (diferenˇcn´ı ˇr´ızen´ı) 2 celková hmotnost robota

m = 10kg

maximáln´ı rychlost

v = 1ms−1

maximáln´ı zrychlen´ı

a = 5ms−2

pr˚umˇer pohonného kola

D = 80 mm

je vˇsak dostatek elektronických souˇca´ stek i ˇr´ıd´ıc´ıch obvod˚u pro podobné stˇr´ıdaˇce. Parametry pro dimenzován´ı pohonu jsou uvedeny v tabulce 2.1. Návrh mezn´ıch hodnot jsem volil s ohledem na pˇredpokládanou hmotnost robota, na velikost hrac´ı plochy a rychlost, kterou lze na hˇriˇsti dosáhnout. Volba vhodného pr˚umˇeru a sˇ´ıˇrky pohonného koleˇcka vycházela z dostateˇcné styˇcné plochy s povrchem hrac´ı plochy. Pro parametry zadané v tabulce 2.1 lze spoˇc´ıtat maximáln´ı otácˇ ky kola jako nk =

v.60 = 238.7min−1 . π.D

S´ıla p˚usob´ıc´ı na robota pˇri akceleraci a pˇr´ımé j´ızdˇe je F = m.a = 10kg.5ms−2 = 50N , z cˇ ehoˇz je pro kaˇzdý ze dvou pohonných motor˚u polovina, tedy F1/2 = 25N . Pˇri uvaˇzován´ı polomˇeru kola (ramena s´ıly) je krout´ıc´ı moment na hˇr´ıdeli kola Mk =

F1/2 .D = 1N m. 2

Pro vypoˇctené parametry nk a Mk jsem vyb´ıral vhodný motor s pˇrevodovkou. Ve výrobn´ı ˇradˇe poˇzadovaných výkon˚u maj´ı vˇsechny sestavy motor˚u s planetovými pˇrevodovkami vˇetˇs´ı délku neˇz je polovina sˇ´ırˇky kostry robota. Z d˚uvodu tˇechto rozmˇer˚u sestavy enkodér-motorpˇredovka bylo nutné osu tohoto pohonu um´ıstit mimo osu kola. Zvolil jsem proto ˇreˇsen´ı pouˇz´ıt motor s planetovou pˇrevodovkou a pˇrevodem ozubeným ˇremenem mezi hˇr´ıdel´ı kola a pˇrevodovky. Nespornou výhodou je i moˇznost cˇ a´ steˇcné zmˇeny pˇrevodového pomˇeru volbou r˚uzného pr˚umˇeru ozubených ˇremenic (v pouˇzité sestavˇe nakonec v rozsahu cca 1:1 aˇz 1:4). Pˇrevod ozubeným ˇremenem neproklouzne a dovoluje kompenzovat m´ırnou r˚uznobˇezˇ nost hˇr´ıdel˚u a jiné nepˇresnosti ve výrobˇe. K nalezen´ı vhodné sestavy pohonu mi velice dobˇre poslouˇzil Maxon Selection Program 1.2, který je moˇzno volnˇe stáhnout na internetových stránkách fy. Uzimex [9]. Dokumentace k sestavˇe pohonu vˇcetnˇe pracovn´ıch charakteristik je v pˇr´ıloze A této práce.

´ 2.1. NAVRH POHONU

5

Obrázek 2.1: Motor zabudovaný v robotu

Pˇri volbˇe vhodného výkonu pohonné jednotky jsem vycházel z pˇredpokladu, zˇ e robot se bude v pr˚ubˇehu zápasu neustále rozj´ızˇ dˇet a zastavovat. Návrhový krout´ıc´ı moment na hˇr´ıdeli kola Mk tedy bude vyvozován vˇetˇsinu pracovn´ıho cˇ asu. Nelze poˇc´ıtat s t´ım, zˇ e se motor po rozjet´ı robota na jmenovitou konstantn´ı rychlost odlehˇc´ı a bude pouze pˇrekonávat j´ızdn´ı odpory. Pro vypoˇctené parametry nk a Mk jsem hledal parametry motoru jmenovité, ve kterých se pˇredpokládá nepˇretrˇzitý provoz, nikoliv mezn´ı, kde je nutno uvaˇzovat i dobu pohybu pracovn´ıho bodu v oblasti nad jmenovitými parametry. Jednoduˇse ˇreˇceno, maximáln´ı výkon potˇrebný k rozjezdu robota na navrhovaných parametrech nepˇrekroˇc´ı jmenovitý výkon motoru a nemˇelo by tak pˇri provozu doj´ıt k jeho nadmˇernému tepelnému zatˇezˇ ován´ı. V pˇr´ıloze A je uvedena momentová charakteristika vybraného motoru. Hodnoty nk a Mk jsou poloˇzeny do jmenovitých hodnot sestavy motor-pˇrevodovka-ˇremenový pˇrevod. Výpoˇcet vlastnost´ı ˇremenového pˇrevodu jsem provádˇel pomoc´ı programu, který pracuje pˇr´ımo s jednotlivými výrobn´ımi ˇradami ozubených ˇremen˚u a ˇremenic podle katalogu. Program pro výpoˇcet ˇremenových pˇrevod˚u je zdarma ke staˇzen´ı na internetových stránkách firmy Tyma [7]. Výkres celé sestavy pohonu je v pˇr´ıloze B na obrázku B.1. Malá ˇremenice má 12 zub˚u a nese oznaˇcen´ı 12XL037, velká ˇremenice má 24 zub˚u a je oznaˇcena 24XL037. Pouˇzitý ozubený ˇremen je 76XL037.

6


Obrázek 2.2: Kostra robota s namontovanými motory a cˇ a´ st´ı sbˇeraˇce

2.2

Kostra robota

Soutˇezˇ autonomn´ıch robot˚u Eurobot má dlouholetou tradici. Násˇ tým by se chtˇel této soutˇezˇ e u´ cˇ astnit nejen v roce 2007 ale i v roˇcn´ıc´ıch následuj´ıc´ıch. Vzhledem k tomu, zˇ e pravidla se v omezen´ı na maximáln´ı rozmˇery robota rok od roku témˇeˇr nemˇen´ı, rozhodli jsme se sestrojit kostru univerzáln´ı, pouˇzitelnou i v dalˇs´ıch letech. Pˇrirozenˇe, zˇ e vnitˇrn´ı mechanismy robota se kaˇzdoroˇcnˇe mˇen´ı podle u´ kolu a zadán´ı soutˇezˇ e. Jako základn´ı desku kostry jsem zvolil 3 mm silný plech z hlin´ıkové slitiny. Jej´ı velikost byla odvozena od plánovaného p˚udorysu robota. Na základn´ı desce jsou pˇripevnˇeny oba pohonné motory, domky s loˇzisky pohonných kol a dvˇe odvalovac´ı kovové kuliˇcky nahrazuj´ıc´ı pˇredn´ı kola. Na základnˇe je potom vystavˇen rám ze stavebnicových hlin´ıkových profil˚u ITEM, urˇcených pro stavbu jednoúcˇ elových stroj˚u. Výhodou je nespornˇe jednoduchá montázˇ s pouˇzit´ım dodávaných spojovac´ıch prvk˚u. Nahrazen´ı pˇredn´ıch kol kuliˇckami umoˇznˇ uje otoˇcit robota na m´ıstˇe pˇri diferenˇcn´ım ˇr´ızen´ı pohonu kol. Kuliˇcky se mohou v rovinˇe hrac´ı plochy odvalovat v libovolném smˇeru. Pohonná kola jsou vyrobena z hlin´ıkové slitiny, soustruˇzena a odvrtána pro odlehˇcen´ı. Na jejich obvod je nalepena 6 mm silná mechová guma zajiˇst’uj´ıc´ı pˇrilnavost k povrchu hˇriˇstˇe.

ˇ 2.3. SBERAC I´ MECHANISMUS

7

Obrázek 2.3: Kompletnˇe sestavený sbˇerac´ı mechanismus na robotu

V m´ıstˇe kontaktu kola s plochou hˇriˇstˇe se guma na kole zmácˇ kne na tlouˇst’ku cca 4 mm. Kaˇzdé z kol má svoji hˇr´ıdel uloˇzenou ve dvou jednoˇradých kuliˇckových loˇziskách s prachovkami proti neˇcistotám. Loˇziskové domky jsou taktézˇ vyrobeny z hlin´ıkové slitiny. Výkresy tˇechto souˇca´ st´ı jsou uvedeny v pˇr´ılohách této práce. Na obrázku B.1 je základn´ı deska s namontovaným rámem, obˇema pohony, koly a odvalovac´ımi kuliˇckami v pˇredn´ı cˇ a´ sti robota.

2.3

Sbˇerac´ı mechanismus

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno v u´ vodu, u´ kolem robota v letoˇsn´ım kole soutˇezˇ e je sesb´ırat láhve, plechovky a baterie a roztˇr´ıdit tyto pˇredmˇety do koˇsu˚ v roz´ıch hˇriˇstˇe. Naˇse hern´ı strategie se op´ırala zejména o sbˇer plechovek a láhv´ı. Sb´ırán´ı a tˇr´ıdˇen´ı bateri´ı podle barvy je sice lépe bodovˇe hodnoceno, ale odpov´ıdá to samozˇrejmˇe vyˇssˇ´ım nárok˚um na technologie spojené s jejich manipulac´ı. Baterie jsme se rozhodli nesb´ırat. Zásadn´ım poznatkem pro sbˇer láhv´ı a plechovek je jejich stejný pr˚umˇer (60 mm). Nˇekolik

8


moˇzných variant sbˇerac´ıch mechanism˚u jsme zkouˇseli na provizornˇe postavených modelech. Jako nejlépe funkˇcn´ı se jevil svislý pásový dopravn´ık s napnutými gumovými oky mezi dvˇema rotuj´ıc´ımi válci. Mým u´ kolem bylo tedy opˇet zvolený mechanismus realizovat, postavit a vyˇreˇsit jeho pˇripevnˇen´ı na kostru robota. Pravidla soutˇezˇ e také hovoˇr´ı o dvoj´ıch maximáln´ıch rozmˇerech robota. Jeden z nich je maximáln´ı obvod robota v dobˇe startu zápasu (max. 120 cm) a druhý je maximáln´ı obvod robota v pr˚ubˇehu zápasu (max. 140 cm). Vyuˇzil jsem této skuteˇcnosti a volil sbˇerac´ı mechanismus jako vyklápˇec´ı. Spodn´ı rotaˇcn´ı válec je pohánˇen stejnosmˇerným modeláˇrským motorem pomoc´ı ozubeného ˇrem´ınku. Pohybem zarázˇ ek je moˇzné volit výsˇku spodn´ıho sbˇerac´ıho válce nad povrchem hˇriˇstˇe. K vyklopen´ı sbˇeraˇce po startu zápasu staˇc´ı gravitaˇcn´ı s´ıla, odjiˇstˇen´ı je ˇreˇseno malým modeláˇrským servomotorem. Automaticky dojde k vyklopen´ı plechových boˇcnic, vymezujc´ıch obdéln´ıkový kanál dopravn´ıkové cˇ a´ sti sbˇeraˇce. Funkce sbˇerac´ıho mechanismu je taková, zˇ e robot popoj´ızˇ d´ı pomalu vpˇred a pomoc´ı senzor˚u hledá sb´ıraný pˇredmˇet. Pokud dojde ke kontaktu láhve nebo plechovky se spodn´ım rotuj´ıc´ım válcem, je tento pˇredmˇet vtaˇzen na jazyk sbˇeraˇce. Ve chv´ıli, kdy senzory nataˇzen´ı pˇredmˇetu rozpoznaj´ı, jazyk sbˇeraˇce se naklon´ı pomoc´ı servomotoru. Jazyk je zhotovený z tenkého plechu a vynese sebraný pˇredmˇet do prostoru, kde jej zachyt´ı pás dopravn´ıku a vyveze jej do horn´ı cˇ a´ sti robota, kde je u´ st´ı zásobn´ıku. Pokud se stane, zˇ e se plechovka, láhev nebo v´ıce ˇ sen´ı této situace je ve zmˇenˇe pˇredmˇet˚u najednou ve sbˇeraˇci vzpˇr´ıcˇ´ı, nelze zvedout jazyk. Reˇ smˇeru rotace sbˇerac´ıch válc˚u. Dojde tak k vyhozen´ı vˇsech pˇredmˇet˚u ze sbˇeraˇce a po pootoˇcen´ı nebo popojet´ı robota do m´ırnˇe odliˇsné pozice se opakuje sbˇerac´ı manévr znovu. Veˇskeré mechanismy jsou ovládány z poˇc´ıtaˇce MPC5200 (popsán v sekci 3.2), kde je spuˇstˇena ˇr´ıd´ıc´ı aplikace. Na obrázku B.3 je nákres sbˇeraˇce v otevˇreném a uzavˇreném stavu, na obrázku 2.3 je fotografie sbˇeraˇce pˇr´ımo na robotu.

2.4

Zásobn´ık

Po u´ spˇesˇném sbˇeru láhve nebo plechovky putuje tento pˇredmˇet do zásobn´ıku. Ten má profil zahnutého kanálu s obdéln´ıkovým pr˚uˇrezem. Z boˇcn´ıho pohledu je zásobn´ık zahnut témˇeˇr do pravého u´ hlu. Umoˇznˇ uje to pˇredmˇetu padaj´ıc´ımu z horn´ı cˇ a´ sti sbˇeraˇce srovnat se tak, aby se v zásobn´ıku nevzpˇr´ıcˇ il. Pˇredmˇety jsou v zásobn´ıku v poˇrad´ı, ve kterém byly sebrány. Zásobn´ık pojme aˇz pˇet pˇredmˇet˚u. Potom je nutné dojet ke koˇsu˚ m a sebrané pˇredmˇety roztˇr´ıdit do koˇsu˚ . Souˇca´ st´ı zásobn´ıku je v zadn´ı cˇ a´ sti robota vyhazovac´ı mechanismus. Vzhledem k tomu,

ˇ I´ MAJAK ´ 2.5. LOKALIZACN

9

Obrázek 2.4: Zásobn´ık pˇripevnˇený ke kostˇre robota

zˇ e koˇse na odpad jsou ve dvou roz´ıch hˇriˇstˇe, zvolili jsme strategii hry tak, zˇ e robot do rohu s koˇsi zajede a bez nutnosti otácˇ en´ı bude moci vyhazovat zároveˇn plechovky dozadu a láhve do obou bok˚u robota. Pro vyhozen´ı plechovky jsou na konci zásobn´ıku ze zadn´ı cˇ a´ sti robota dv´ırˇka. Jejich otevˇren´ım pomoc´ı servomotoru se m˚uzˇ e plechovka volnˇe vykutálet do koˇse. Pro vyhozen´ı láhve do obou stran robota slouˇz´ı gumový pás, pohánˇený pˇres pˇrevodovku stejnosmˇerným motorem a um´ıstˇený na dnˇe zadn´ı cˇ a´ sti zásobn´ıku. Aby pˇri vyhazován´ı láhve nebo plechovky nedoˇslo k vypadnut´ı i vˇsech ostatn´ıch pˇredmˇet˚u uloˇzených v zásobn´ıku, je tento vybaven pˇrepázˇ kou ovládanou servomotorem. Sekvence ovládac´ıch pˇr´ıkaz˚u vˇsech mechanism˚u zásobn´ıku je také ˇr´ızena z hlavn´ı aplikace. Boˇcn´ı pohled na ˇrez zásobn´ıkem je na obrázku B.3.

2.5

Lokalizaˇcn´ı maják

Pravidla soutˇezˇ e Eurobot umoˇznˇ uj´ı um´ıstˇen´ı tˇrech reflexn´ıch odrazových válc˚u po obvodu obdéln´ıkového hˇriˇstˇe. S výhodou je tedy moˇzné pouˇz´ıt nˇejakou z absolutn´ıch optických metod urˇcen´ı polohy. Lokalizace samostatnou odometri´ı vede na cˇ asem se zvˇetˇsuj´ıc´ı neurˇcitost polohy

10


Obrázek 2.5: Lokalizaˇcn´ı maják namontovaný v horn´ı cˇ a´ sti robota

a zcela se ztrác´ı ve chv´ıli prokluzu kola po podloˇzce. Algoritmus MCL (Monte Carlo Lokalization) je pro kombinaci absolutn´ı a relativn´ı metody urˇcen´ı polohy cˇ asto pouˇz´ıvaný. Z d˚uvod˚u velmi specifického zadán´ı, omezen´ı na rozmˇery a kompatibilitu s dalˇs´ımi technologiemi robota, nebylo moˇzné pouˇz´ıt zˇ a´ dné z dostupných zaˇr´ızen´ı na trhu. Technická omezen´ı zaˇr´ızen´ı jsou popsána v pravidlech soutˇezˇ e [18]. Modul majáku je vybaven sbˇernic´ı CAN, kterou je pˇripojen k ˇr´ıd´ıc´ımu poˇc´ıtaˇci MPC5200, kde je provádˇena numerická filtrace a výpoˇcet polohy robota. Vlastn´ı laserový maják se skládá z pevné a otácˇ ej´ıc´ı se cˇ a´ sti. Na pevné cˇ a´ sti je um´ıstˇen pohonný komutátorový motor vybavený inkrementáln´ım senzorem polohy. Dále je zde instalována infraˇcervená optická závora poskytuj´ı synchronizaˇcn´ı impuls jednou za kaˇzdou otácˇ ku destiˇcky s optikou. K pˇrenosu energie a signálu od laserového pˇrij´ımaˇce slouˇz´ı tˇri sbˇerac´ı kartácˇ e ze studiových potenciometr˚u. Základem rotaˇcn´ı cˇ a´ sti je cuprextitová deska s vyfrézovanými sbˇerac´ımi krouˇzky. Na n´ı je um´ıstˇen laserový vys´ılaˇc s fokusaˇcn´ı optikou. V tˇesné bl´ızkosti je rovnobˇezˇ nˇe um´ıstˇen optický pˇrij´ımaˇc s fototranzistorem, taktézˇ s ostˇr´ıc´ı optikou. Rotaˇcn´ı cˇ a´ st je preciznˇe uloˇzena ve dvou kuliˇckových loˇziskách, tedy se zanedbatelnou v˚ul´ı. Nákres je na obrázku B.11, na obrázku 2.5 je fotografie majáku osazeného na robotu. Výrobn´ı výkresy lokalizaˇcn´ıho majáku nejsou v této práci uvedeny, nebot’ jeˇstˇe plánujeme u´ pravy jeho mechaniky pro letoˇsn´ı roˇcn´ık soutˇezˇ e.

ˇ I´ MAJAK ´ 2.5. LOKALIZACN

11

V pr˚ubˇehu testován´ı tohoto laserového majáku se ukázalo jedno u´ skal´ı pouˇzitého technického ˇreˇsen´ı. Mˇedˇené sbˇerac´ı krouˇzky postupem cˇ asu zoxidovaly a na kontaktu uhl´ıku kartácˇ e a mˇedi vznikal nezanedbatelný pˇrechodový odpor. Tento problém byl krátkodobˇe ˇreˇsen oˇciˇstˇen´ım mˇedˇené vrstvy. Pozdˇeji byla pˇridána jeˇstˇe druhá trojice kartácˇ u˚ , která zmenˇsila poˇcet ruˇsivých impulz˚u v pˇrenásˇeném signálu vlivem promˇenného pˇrechodového odporu po obvodu krouˇzk˚u. Pouˇzité ˇreˇsen´ı bylo rychlé (výroba celého majáku trvala ménˇe neˇz dva dny), ale s krátkou zˇ ivotnost´ı. V souˇcasné dobˇe navrhujeme u´ pravu pro pˇrenos signálu z pˇrij´ımaˇce jinou cestou, napˇr. optickou. Uvaˇzovaný je také pˇresun cˇ a´ sti elektroniky z rotaˇcn´ı cˇ a´ sti na pevnou a pouˇzit´ı rotuj´ıc´ıho zrcadla.

Obrázek 2.6: Násˇ robot v koneˇcné podobˇe na soutˇezˇ i v Petrohradu

12


Kapitola 3 Komunikace po sbˇernici CAN V této kapitole budou nejprve ve struˇcnosti pˇribl´ızˇ eny dva typy mikrokontrolér˚u, které jsou v robotu pouˇzité pro ˇr´ızen´ı. Jejich spoleˇcnou vlastnost´ı je jejich výbava rozhran´ım sbˇernice CAN (Controller Area Network), která je v robotu ke komunikaci pouˇzita. Dále je zde popsán protokol CANOpen, definuj´ıc´ı aplikaˇcn´ı vrstvu komunikaˇcn´ıho ISO/OSI modelu sbˇernice CAN. Detailnˇeji je pak pˇribl´ızˇ en specializovaný profil protokolu CANOpen pro ˇr´ızen´ı pohon˚u a polohovac´ıch mechanism˚u.

3.1

Mikroprocesor H8S/2638

H8S/2638 je 16 bitový mikroprocesor, zamˇeˇrený na pouˇzit´ı v aplikac´ıch vyˇzaduj´ıc´ı sˇirokou výbavu periferiemi. Jeho výrobcem je firma Renesas. Pouˇzit´ı tohoto mikroprocesoru má na katedˇre ˇr´ıdic´ı techniky velkou tradici. Existuje pro nˇej kompilátor jazyka C na platformˇe Linux s licenc´ı GNU a ˇrada jiˇz pˇripravených vývojových nástroj˚u [2]. Na nˇekterých deskách ploˇsných spoj˚u s t´ımto mikroprocesorem je osazena extern´ı pamˇet’ programu typu RAM. Pˇri ladˇen´ı ˇr´ıd´ıc´ıho programu je výhodnˇejˇs´ı nahrávat program do této RAM pamˇeti, nebot’ jednou z mála nevýhod tohoto mikroprocesoru je malý poˇcet garantovaných pˇrepsán´ı pamˇeti FLASH vlivem starˇs´ı pouˇzité technologie cˇ ipu pamˇeti. Ve zkratce uved’me nˇekolik základn´ıch parametr˚u a funkc´ı. • Operaˇcn´ı frekvence do 20MHz • Napájec´ı napˇet´ı v rozmez´ı 4.5V – 5.5V • Velikost pamˇeti 256kB FLASH a 16kB RAM 13

ˇ KAPITOLA 3. KOMUNIKACE PO SBERNICI CAN

14

• Adresn´ı prostor o velikosti do 16MB • Zabudované násoben´ı dvou 16 bitových registr˚u • 2 × ˇradiˇc sbˇernice CAN, splˇnuj´ıc´ı specifikaci CAN 2.0B ˇ 16 bitových cˇ´ıtaˇcu˚ /ˇcasovaˇcu˚ • Sest • 16 kanál˚u s výstupem PWM pro ˇr´ızen´ı motor˚u • Tˇri sériové kanály • 10 bitový A/D pˇrevodn´ık s 12 kanály • Osmi bitový D/A pˇrevodn´ık, 3 kanály • 55 intern´ıch a 7 extern´ıch zdroj˚u pˇreruˇsen´ı ˇ c rychlého pˇrenosu dat (DTC), 85 kanál˚u • Radiˇ • Watchdog cˇ asovaˇc, 2 kanály • Sériové komunikaˇcn´ı rozhran´ı SCI, 3 kanály • I 2 C komunikaˇcn´ı rozhran´ı, 2 kanály • 72 I/O pin˚u, 12 pouze jako vstupn´ıch Vzhledem k tomu, zˇ e jsem na tomto mikroprocesoru vyv´ıjel nadstavbu pro komunikaci CANOpen, pˇribl´ızˇ´ım v´ıce pouze funkci CAN ˇradiˇce. Mikroprocesor je vybaven dvˇema nezávislými ˇradiˇci CAN sbˇernice. Kaˇzdý z nich vyuˇz´ıvá svoj´ı ˇradu konfiguraˇcn´ıch registr˚u a 16 schránek pro pˇr´ıjem cˇ i odeslán´ı zprávy. Oba kanály jsou shodné, liˇs´ı se pouze polohou registr˚u v pamˇeti a výstupn´ımi piny. Kaˇzdý kanál lze oddˇelenˇe zapnout a je moˇzné vyuˇz´ıt i módu sn´ızˇ ené spotˇreby. Jiˇz na hardwarové u´ rovni v ˇradiˇci sbˇernice je moˇzné provádˇet filtrován´ı pˇr´ıchoz´ıch zpráv. Pˇri pˇr´ıjmu zprávy se nejdˇr´ıve vyhodnot´ı jej´ı bezchybný pˇrenos pomoc´ı CRC souˇctu. Poté se ˇradiˇc snaˇz´ı zprávu uloˇzit v nˇekteré ze schránek, které byly pˇri inicializaci nastaveny pro pˇr´ıchoz´ı ˇ c porovnává identifikátor pˇr´ıchoz´ı zprávy s identifikátorem uloˇzeném v registru zprávy. Radiˇ schránky. V pˇr´ıpadˇe shody identifikátor˚u se pˇr´ıchoz´ı zpráva do schránky uloˇz´ı, v opaˇcném pˇr´ıpadˇe se proces porovnán´ı identifikátor˚u provád´ı u dalˇs´ı schránky. Hledán´ı volné schránky prob´ıhá od té s cˇ´ıslem 15 aˇz po schránku s cˇ´ıslem 0, která je nastavena pouze pro pˇr´ıjem.

3.2. MPC5200

15

Pokud je ve schránce nevyzvednutá pˇr´ıchoz´ı zpráva a je pˇrepsána dalˇs´ı pˇr´ıchoz´ı zprávou, inkrementuje je speciáln´ı registr ˇradiˇce znaˇc´ıc´ı poˇcet nepˇreˇctených pˇrepsaných zpráv. Pokud se stane zˇ e zpráva je odm´ıtnuta vˇsemi vstupn´ımi schránkami, dojde se aˇz ke schránce 0. Zde se provád´ı porovnáván´ı identifikátor˚u nikoliv prostou shodou, ale podle bitové masky. Ve speciáln´ım registru lze nastavit libovolnou masku a dovolit tak pˇr´ıjem zpráv s urˇcitým rozsahem identifikátor˚u. Metoda filtrován´ı zpráv bitovou maskou se nazývá Local Acceptance Filtering. Kompletn´ı technická specifikace mikrokontroléru H8S/2638 je k dispozici na internetových stránkách výrobce [20].

3.2

MPC5200

MPC5200 je malý, velice výkonný pr˚umyslový mikrokontrolér zaloˇzený na architektuˇre procesorového jádra PowerPCTM . Na základn´ı desce BOA5200, která tvoˇr´ı konektorové rozhran´ı pro modul MPC5200, jej pouˇz´ıváme jako hlavn´ı ˇr´ıd´ıc´ı poˇc´ıtaˇc v autonomn´ım robotu pro soutˇezˇ Eurobot. Operaˇcn´ım systémem je Linux s jádrem 2.6. Pomoc´ı sbˇernice CAN se cˇ tou senzory, ˇr´ıd´ı pohony a vnitˇrn´ı mechanismy robota. Pomoc´ı rozhran´ı LAN je k poˇc´ıtaˇci pˇripojeno zaˇr´ızen´ı pro bezdrátovou komunikaci pomoc´ı WiFi, kterou je moˇzné pouˇz´ıt pro dálkové ˇr´ızen´ı. Ke komunikaci pomoc´ı sbˇernice CAN je pouˇzito programové rozhran´ı Socket CAN [6]. CanFestival, popsaný v sekci 4.2, um´ı s t´ımto rozhran´ım pracovat. Uved’me zde nˇekteré základn´ı vlastnosti poˇc´ıtaˇce MPC5200. • Jádro MPC603e ze série G2 LE core – výkon 760 MIPS pˇri frekvenci 400MHz • SDRAM / DDR rozhran´ı pamˇet´ı – aˇz do frekvence sbˇernice 133MHz – 256MB adresn´ı prostor – 32 bitová datová sbˇernice • Multifunkˇcn´ı rozhran´ı sbˇernice – podpora ROM/Flash/SRAM pamˇet´ı – 8/16/32 bitový pˇr´ıstup pˇri 26 bitovém adresován´ı


16

• Ovladaˇc sbˇernice PCI (Peripherial Component Interconnect) – 32 bitová adresová a datová sbˇernice – 33MHz a 66MHz frekvence • Ovladaˇc sbˇernice ATA – moˇznost pˇripojen´ı IDE disku • Best Comm DMA subsystém s ovladaˇcem pro pˇr´ımý pˇr´ıstup do pamˇeti • 6 programovatelných sériových rozhran´ı PSC (Programable Serial Controller) • Rozhran´ı ethernetu pro 10/100Mbit/s s´ıt’ • USB1.1 rozhran´ı • I 2 C (Inter-Integrated Circuit Interface), SPI (Serial Peripherial Interface) • Dvˇe rozhran´ı CAN2.0 A/B kompatibiln´ı Podrobný technický popis mikrokontroléru MPC5200 je v [14] odkud je pˇrevzato blokové schéma na obrázku 3.1.

3.3

Sbˇernice CAN

CAN (Controller Area Network) je sériová sbˇernice, vyvinutá firmou BOSCH pro automobilový pr˚umysl na zaˇca´ tku 90. let. V roce 1993 byl vydán standard ISO 11898, který pod oznaˇcen´ım CAN 2.0A popisuje fyzickou a linkovou vrstvu ISO/OSI modelu. Pozdˇeji byla specifikace linkové vrstvy rozˇs´ıˇrena o CAN 2.0B. Od této chv´ıle se rozliˇsuje mezi datovým rámcem se standardn´ım identifikátorem o délce 11 bit˚u a rozˇs´ıˇreným identifikátorem o délce 29 bit˚u. CAN protokol byl navrˇzen tak, aby umoˇznˇ oval distribuované ˇr´ızen´ı systém˚u v reálném cˇ ase, s pˇrenosovou rychlost´ı do 1Mb/s a vysokým stupnˇem zabezpeˇcen´ı. Protokol je typu multimaster, coˇz umoˇznˇ uje iniciovat pˇrenos dat v´ıce uzl˚um. Vzhledem k snadnému nasazen´ı a vysoké spolehlivosti se protokol CAN rozˇs´ıˇril i do jiných pr˚umyslových odvˇetv´ı.

Reset / Clock Generation

JTAG / COP Interface

CommBus

G2_LE Core

603

SDRAM / DDR Memory Controller

SDRAM / DDR

ATA Host Controller

PCI Bus Controller

Local Plus Controller

GPIO/Timers

Interrupt Controller

System Functions

Real-Time Clock

Systems Interface Unit (SIU)

Local Bus

ˇ 3.3. SBERNICE CAN 17

MSCAN 2x

J1850

USB 2x

SPI

I2C 2x

BestComm DMA Ethernet

SRAM 16K PSC 6x

Obrázek 3.1: Blokové schéma poˇc´ıtaˇce MPC5200


18

Tabulka 3.1: Maximáln´ı délka sbˇernice v závislosti na poˇzadované pˇrenosové rychlosti

Pˇrenosová rychlost Délka 1Mbit/s

30 m

800kbit/s

50 m

500kbit/s

100 m

250kbit/s

250 m

125kbit/s

500 m

62.5kbit/s

1000 m

20kbit/s

2500 m

10kbit/s

5000 m (s opakovaˇcem)

3.3.1 Fyzická vrstva Základn´ı vlastnost´ı fyzického pˇrenosového média je realizace logického souˇcinu. Protokol CAN definuje dvˇe odliˇsné u´ rovnˇe na sbˇernici dominant a recessive. Stav na sbˇernici je výsledkem logického souˇcinu u´ rovn´ı vys´ılaných vˇsemi uzly. Vys´ılaj´ı-li vˇsechny uzly u´ roveˇn recessive, je na sbˇernici u´ roveˇn recessive. Vys´ılá-li alespoˇn jeden uzel u´ roveˇn dominant, je na sbˇernici u´ roveˇn dominant. Veden´ı sbˇernice obsahuje vodiˇce s oznaˇcen´ım CAN-H (High), CAN-L (Low), zemn´ı vodiˇc GND, st´ınˇen´ı a volitelnˇe také napájen´ı 5V. Zm´ınˇená recesivn´ı u´ roveˇn je definována tak, zˇ e napˇet´ı na vodiˇci CAN-H nen´ı vyˇssˇ´ı neˇz napˇet´ı na vodiˇci CAN-L + 0.5V. Dominantn´ı u´ roveˇn je pak urˇcena napˇet´ım v rozsahu 3.5V aˇz 5V na vodiˇci CAN-H a zároveˇn napˇet´ım menˇs´ım neˇz 1.5V na vodiˇci CAN-L, oboj´ı proti zemi GND. Veden´ı sbˇernice je na obou stranách zakonˇceno terminátory 120 Ω. Diferenˇcn´ı uspoˇra´ dán´ı sbˇernice zvyˇsuje odolnost proti souhlasnému napˇet’ovému ruˇsen´ı. Maximáln´ı pˇrenosovou rychlost pro r˚uzné délky fyzického veden´ı popisuje tabulka 3.1. Omezen´ım je rychlost sˇ´ıˇren´ı elektrického signálu ve veden´ı dána indukˇcnost´ı a kapacitou mezi vodiˇci. V´ıce v [11].

3.3.2

Linková vrstva

Linkovou vrstvu lze rozdˇelit na dvˇe podvrstvy – MAC a LLC. MAC (Medium Acces Control) vrstva má na starosti kódován´ı dat, vkládán´ı doplˇnkových bit˚u do komunikace (Bit Stuffing), ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu k médiu s uvázˇ en´ım priority zprávy, detekci a hlásˇen´ı chyb a potvrzován´ı

ˇ 3.3. SBERNICE CAN

19

Obrázek 3.2: Formát datové zprávy sbˇernice CAN

správnˇe pˇrijatých zpráv. Vrstva LLC (Logical Link Control) filtruje pˇrijaté zprávy (Acceptance Filtering) a provád´ı hlásˇen´ı o pˇret´ızˇ en´ı s´ıtˇe (Overload Notification).

3.3.3

Datová zpráva

Datová zpráva je základn´ım prvkem komunikace uzl˚u po sbˇernici. Umoˇznˇ uje pˇrenést 0 aˇz 8 byt˚u dat. Protokol CAN definuje dva typy datových zpráv. Prvn´ı z nich je definován specifikac´ı CAN 2.0A a je oznaˇcován jako standardn´ı formát zprávy s délkou identifikátoru 11 bit˚u. Specifikace CAN 2.0B definuje nav´ıc tzv. rozˇs´ıˇrený formát zprávy, liˇs´ıc´ı se od standardn´ıho pouze ˇ c 29 bitovým identifikátorem. Oba typy zpráv mohou být na sbˇernici pouˇz´ıvány souˇcasnˇe. Radiˇ ˇ asti zprávy standardu 2.0A nem˚uzˇ e rozˇs´ıˇrené zprávy pˇrij´ımat, ale neoznaˇcuje je za chybné. C´ s identifikátorem a RTR bitem se ˇr´ıká arbitrázˇ n´ı pole (Arbitration field). Vyslán´ı datové zprávy je moˇzné pouze tehdy, pokud je sbˇernice volná. Pokud je na sbˇernici v´ıce uzl˚u, které chtˇej´ı odeslat datovou zprávu a detekuj´ı volnou sbˇernici ve stejném okamˇziku, prob´ıhá rozhodován´ı podle priority zpráv urˇcené identifikátorem. Hodnota identifikátor˚u zpráv vys´ılaných v´ıce uzly je porovnávána bit po bitu logickým souˇcinem, jenˇz poskytuje pˇr´ımo fyzická vrstva. Vyˇssˇ´ı prioritu na konkrétn´ım bitu tedy má zpráva s dominantn´ı logickou u´ rovn´ı a uzel který detekuje opaˇcnou u´ roveˇn neˇz sám vys´ılá, ukonˇcuje dalˇs´ı vys´ılán´ı zprávy. Nejvyˇssˇ´ı dosaˇzitelnou prioritu udává identifikátor 0h . Na obrázku 3.2 popsán formát datové zprávy.

3.3.4

Ostatn´ı typy zpráv

ˇ adost o data Z´

Prostˇrednictv´ım této zprávy zˇ a´ dá zaˇr´ızen´ı vzdálený uzel o zaslán´ı dat.

Od klasické datové zprávy se liˇs´ı nastaveným bitem RTR na u´ roveˇn recessive a neobsahuje datovou cˇ a´ st. Vzdálený uzel odeˇsle zpˇet datovou zprávu o stejném identifikátoru s jakým zˇ a´ dost o data pˇrijal. Datová zpráva má oproti zˇ a´ dosti o data se stejným identifikátorem vyˇssˇ´ı prioritu z d˚uvodu pˇr´ıtomnosti dominantn´ı u´ rovnˇe na pozici RTR bitu.


20

Chybová zpráva

Tuto zprávu1 generuje kterýkoliv uzel, který detekuje chybu v pˇrená-

sˇené zprávˇe (napˇr. chyba bitu, chyba CRC, chyba vkládán´ı bit˚u, chyba rámce). Na sbˇernici vyˇsle sˇestici recesivn´ıch nebo dominantn´ıch bit˚u. Poruˇs´ı se tak pravidlo o vkládán´ı bit˚u a vyvolá se odeslán´ı chybové zprávy i u ostatn´ıch uzl˚u. Po odeslán´ı sˇestice bit˚u chybové zprávy kaˇzdý uzel vys´ılá sedm recesivn´ıch bit˚u a dává tak prostor k odeznˇen´ı indikace chyby od vˇsech uzl˚u. Poté se nˇekterý z uzl˚u opˇet pokus´ı o standardn´ı vyslán´ı datové zprávy. Zpráva o pˇret´ızˇ en´ı

Zpráva o pˇret´ızˇ en´ı slouˇz´ı k oddálen´ı vys´ılán´ı dalˇs´ı datové zprávy

nebo zˇ a´ dosti o data. Zpravidla tento zp˚usob vyuˇz´ıvaj´ı zaˇr´ızen´ı, která nejsou schopna kv˚uli svému vyt´ızˇ en´ı pˇrij´ımat a zpracovávat dalˇs´ı data. Struktura této zprávy je podobná zprávˇe o chybˇe, ale jej´ı vys´ılán´ı m˚uzˇ e být zahájeno aˇz po konci zprávy (End of Frame), konci oddˇelovaˇce chyb nebo pˇredcházej´ıc´ıho oddˇelovaˇce zpráv pˇret´ızˇ en´ı.

3.4

CANOpen standard

S fyzickou a linkovou vrstvou ISO/OSI s´ıt’ového modelu sbˇernice CAN jsme se seznámili v kapitole 3.3. Aby byla umoˇznˇena interoperabilita v´ıce zaˇr´ızen´ı od r˚uzných výrobc˚u i na programové u´ rovni, byl v devadesátých letech vydán standard CANOpen, definuj´ıc´ı aplikaˇcn´ı vrstvu ISO/OSI modelu. Norma CANOpen je definována mezinárodn´ı organizac´ı CiA (CAN in Automation), která sdruˇzuje výrobce a uˇzivatele p˚usob´ıc´ı v automatizaˇcn´ım pr˚umyslu. Obrázek 3.3 ukazuje spojen´ı dvou CANOpen zaˇr´ızen´ı s naznaˇcen´ım komunikaˇcn´ıch prostˇredk˚u na r˚uzných u´ rovn´ıch zjednoduˇseného ISO/OSI modelu.

3.4.1

Model CANOpen zaˇr´ızen´ı

Základn´ı strukturu CANOpen zaˇr´ızen´ı lze rozdˇelit do tˇr´ı blok˚u, jak je uvedeno na obrázku 3.4. • Komunikace – poskytuje prostˇredky pro pˇrenos dat po s´ıti. Vyuˇz´ıvá k tomu procesn´ı datové objekty (PDO), servisn´ı datové objekty (SDO), servisn´ı objekty správy s´ıtˇe (NMT) a objekty se speciáln´ıch funkc´ı. 1

Nejedná se o zprávu v pravém slova smyslu, jde pouze o sekvenci bit˚u stejné u´ rovnˇe, nepˇrenásˇej´ıc´ı zˇ a´ dná data

ani identifikátor.

3.4. CANOPEN STANDARD

21

›

Prijímající uzel

Vysílající uzel Objekt na indexu

CANopen Aplikacní vrstva

...

CAN Linková vrstva

CAN Linková vrstva

ID + data

CAN Fyzická vrstva

CAN_L

›

›

CANopen Aplikacní vrstva

ID + data

CAN Fyzická vrstva

CAN_L

CAN_H

Obrázek 3.3: ISO/OSI model podle CANOpen standardu

• Slovn´ık zaˇr´ızen´ı – (Object Dictionary) je globáln´ı datová struktura, pˇr´ıstupná prostˇrednictv´ım s´ıtˇe. Jsou zde uloˇzeny definice datových typ˚u a parametry veˇskerých komunikaˇcn´ıch objekt˚u. • Aplikace – implementuje funkce pro práci se slovn´ıkem zaˇr´ızen´ı a komunikaˇcn´ımi objekty, definuje také funkce specifické pro pouˇzitý profil zaˇr´ızen´ı.

›

Slovník zarízení

Aplikace

PDO SDO NMT

Datové typy

Aplikacní program

Indexy, subindexy

Implementace profilu zarízení

›

Komunikace CAN

›

Objekty speciálních funkcí

I/O

Obrázek 3.4: Blokové schéma CANOpen zaˇr´ızen´ı

3.4.2

Slovn´ık zaˇr´ızen´ı

Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı cˇ a´ st´ı kaˇzdého CANOpen zaˇr´ızen´ı je jeho tzv. slovn´ık zaˇr´ızen´ı. Jak jiˇz bylo naznaˇceno výsˇe, sdruˇzuje veˇskeré objekty pˇr´ıstupné pˇres s´ıt’, definuje jejich typ a poˇca´ teˇcn´ı nastaven´ı. Pˇr´ıstup do slovn´ıku je pomoc´ı 16 bitových index˚u a osmibitových subindex˚u. Rozloˇzen´ı


22

Tabulka 3.2: Skupiny index˚u ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı

Indexy

Objekty

0000h

nevyuˇzit

0001h – 001Fh

statické datové typy

0020h – 003Fh

komplexn´ı datové typy

0040h – 005Fh

komplexn´ı datové typy specifikovatelné výrobcem

0060h – 007Fh

statické datové typy specifikovatelné profilem zaˇr´ızen´ı

0080h – 009Fh

komplexn´ı datové typy specifikovatelné profilem zaˇr´ızen´ı

00A0h – 0FFFh

rezervováno pro budouc´ı vyuˇzit´ı

1000h – 1FFFh

parametry komunikaˇcn´ıho profilu

2000h – 5FFFh

parametry komunikaˇcn´ıho profilu specifikovatelné výrobcem

6000h – 9FFFh

parametry standardizovaného profilu zaˇr´ızen´ı

A000h – BFFFh

parametry standardizovaného rozhran´ı

C000h – FFFFh

rezervováno pro budouc´ı vyuˇzit´ı

informac´ı na indexech ukazuje tabulka 3.2. Indexy v rozsahu 0000h aˇz 0FFFh jsou urˇceny pro definice typ˚u a jsou pˇr´ıstupné pouze lokálnˇe.

3.4.3

Komunikaˇcn´ı objekty

CANOpen pouˇz´ıvá pro zprávu s´ıtˇe, zas´ılán´ı dat a ˇr´ızen´ı komunikace následuj´ıc´ı komunikaˇcn´ı objekty. • Procesn´ı datové objekty (PDO) – slouˇz´ı pro pˇrenos procesn´ıch dat v reálném cˇ ase • Servisn´ı datové objekty (SDO) – umoˇznˇ uj´ı zápis a cˇ ten´ı poloˇzek slovn´ıku zaˇr´ızen´ı • Objekty pro zprávu s´ıtˇe (NMT) – NMT Message Object – slouˇz´ı k ovládán´ı komunikaˇcn´ıch stav˚u zaˇr´ızen´ı – Boot-up Object – zas´ılá zprávu o zapnut´ı zaˇr´ızen´ı – Error Control Object – pos´ılán´ı chybových zpráv • Objekty speciáln´ıch funkc´ı – Synchronization (SYNC) – zajiˇst’uj´ı synchronizaci zaˇr´ızen´ı na s´ıti


23

– Time Stamp – umoˇznˇ uje zas´ılán´ı cˇ asových znaˇcek – Emergency (EMCY) – pos´ılán´ı nouzových zpráv

3.4.4

PDO zprávy

Pˇrenos procesn´ıch dat v reálném cˇ ase je uskuteˇcnˇ ován prostˇrednictv´ım PDO zpráv. Tento zp˚usob komunikace je popisován modelem producent/konzument. Jedna PDO zpráva m˚uzˇ e nést maximálnˇe 8 byt˚u dat a jej´ı formát je shodný s datovou zprávou sbˇernice CAN. Z tohoto d˚uvodu zde nejsou zˇ a´ dné nároky na dalˇs´ı reˇzii pˇrenosu a tak je pˇrenos dat touto metodou velice efektivn´ı. Ke kaˇzdé PDO zprávˇe je ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı uloˇzeno nˇekolik parametr˚u. V prvn´ı ˇradˇe je to tzv. mapován´ı, urˇcuj´ıc´ı které poloˇzky slovn´ıku zaˇr´ızen´ı budou touto zprávou pˇrenásˇeny. Dalˇs´ımi parametry jsou identifikátory zprávy, registrace události iniciuj´ıc´ı jej´ı vyslán´ı, doba platnosti a dalˇs´ı. PDO zpráva jedn´ım uzlem vys´ılaná (TPDO) mus´ı být nastavena jako pˇrij´ımaná (RPDO) na jednom nebo v´ıce ostatn´ıch uzlech. I mapován´ı je zpravidla nastaveno tak, zˇ e poloˇzka slovn´ıku zaˇr´ızen´ı na jednom uzlu je po pˇrenesen´ı s´ıt´ı uloˇzena na stejnou poloˇzku uzlu jiného. Nen´ı to ale nutnou podm´ınkou. Odeslán´ı PDO zprávy m˚uzˇ e být zp˚usobeno synchronn´ı nebo asynchronn´ı událost´ı. Synchronn´ı a zpravidla periodické odes´ılán´ı PDO zpráv prob´ıhá v závislosti na pˇrijet´ı synchronizaˇcn´ıho objektu (SYNC), který m˚uzˇ e vys´ılat bud’to uzel sám nebo jej pˇrij´ımá od vzdáleného uzlu pomoc´ı s´ıtˇe. Asynchronn´ı odeslán´ı PDO zprávy m˚uzˇ e být zp˚usobeno vnitˇrn´ı událost´ı z programu pˇr´ısluˇsného uzlu, jako je pˇreruˇsen´ı nebo zapsán´ı aktuáln´ı hodnoty do mapované promˇenné. Moˇzné je také odeslán´ı PDO zprávy po vzdáleném poˇzadavku na data (RTR – Remote Transmittion Request). Pˇredáván´ı PDO zpráv je na u´ rovni aplikaˇcn´ı vrstvy povaˇzováno za nepotvrzovaný zp˚usob komunikace. M˚uzˇ e se stát, zˇ e zˇ a´ dný vzdálený uzel vyslanou zprávu nepˇrijme, protoˇze nemá nastaveno mapován´ı a komunikaˇcn´ı parametry stejnˇe jako u odes´ılaj´ıc´ıho uzlu. Na u´ rovni linkové vrstvy komunikaˇcn´ıho modelu samozˇrejmˇe k potvrzen´ı pˇr´ıjmu vzdálenými uzly dojde po vyhodnocen´ı CRC kódu zprávy. Aplikaˇcn´ı vrstva se toto dov´ıdá pouze v pˇr´ıpadˇe chyby prostˇrednictv´ım chybového hlásˇen´ı. Pˇrijet´ı PDO zprávy je indikováno pouze na stranˇe pˇr´ıjemce. Odes´ılán´ı PDO zprávy je ve specifikaci DS-301 [12] oznaˇcováno jako Write PDO Protocol a situaci znázorˇnuje obrázek 3.5. Druhý zp˚usob pˇrenosu PDO zprávy je na vzdálenou zˇ a´ dost (RTR – Remote Transmittion Request), oznaˇcovaný ve specifikaci jako Read PDO Protocol. V tomto pˇr´ıpadˇe jeden nebo v´ıce


24 Producent

Konzumenti indikace

›

indikace

pozadavek

data

indikace

Obrázek 3.5: Nepotvrzovaný pˇrenos PDO zprávy (Write PDO protocol)

Producent

Konzumenti ›

indikace

pozadavek ›

objekt Remote Transmit Request

pozadavek ›

pozadavek odpoved'

data

potvrzeni´ indikace indikace

Obrázek 3.6: Potvrzovaný pˇrenos PDO zprávy (Read PDO protocol)

pˇr´ıjemc˚u PDO zpráv odeˇsle do celé s´ıtˇe poˇzadavek na data. RTR objektem adresovaný uzel na zˇ a´ dost odpov´ı odeslán´ım PDO zprávy. Na stranˇe zˇ adatele o data je pˇrijet´ı zprávy indikováno a tak je tento zp˚usob povaˇzován za potvrzovaný pˇrijet´ım zˇ a´ daných dat. Pr˚ubˇeh pˇrenosu PDO zprávy t´ımto zp˚usobem znázorˇnuje obrázek 3.6

3.4.5

SDO zprávy

Pomoc´ı SDO zpráv je umoˇznˇen pˇr´ıstup k libovolné poloˇzce slovn´ıku zaˇr´ızen´ı, která je pˇres s´ıt’ dostupná. SDO zprávy se vyuˇz´ıvaj´ı hlavnˇe ke konfiguraci vzdálených uzl˚u. Komunikaˇcn´ı model pˇrenosu tˇechto zpráv je klient/server, kde klient iniciuje pˇrenos a server je uzel vlastn´ıc´ı slovn´ık zaˇr´ızen´ı na který se pˇristupuje. SDO klientem je zpravidla ten uzel, který konfiguruje jiné uzly a cˇ te nebo nahrává do jejich slovn´ık˚u zaˇr´ızen´ı konfiguraˇcn´ı parametry. SDO serverem je pak uzel konfigurovaný. Jeden uzel m˚uzˇ e být zároveˇn klientem i serverem pro r˚uzné SDO zprávy. D˚uleˇzitou vlastnost´ı tohoto typu zpráv je moˇznost pˇrenosu vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı dat v bloc´ıch, skládaj´ıc´ıch se z nˇekolika segment˚u. Z toho d˚uvodu pˇrenos vyˇzaduje velkou reˇzii, kdy se oba zúcˇ astnˇené uzly navzájem pˇredem informuj´ı o poˇctu, délce a formátu pˇrenásˇených dat. Obrázek 3.7 naznaˇcuje pˇrenos SDO zprávy.


25

Klient

Server

›

indikace

pozadavek

data

potvrzeni´

data

odpoved'

Obrázek 3.7: Pˇrenos SDO zprávy

Pro pˇrenos jednoho bloku dat je situace o nˇeco jednoduˇssˇ´ı a sluˇzby nutné pro jeho uskuteˇcnˇen´ı lze rozdˇelit na následuj´ıc´ı. • SDO Download – zahájen´ı SDO downloadu – download SDO segmentu • SDO Upload – zahájen´ı SDO uploadu – upload SDO segmentu • Ukonˇcen´ı SDO pˇrenosu Pro vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı dat je nutné pouˇz´ıt pˇrenos bloku po v´ıce segmentech. Sluˇzby pˇrenosu lze rozdˇelit na n´ızˇ e uvedené. • SDO blokový download – zahájen´ı downloadu bloku – download bloku – ukonˇcen´ı downloadu bloku • SDO blokový upload – zahájen´ı uploadu bloku – upload bloku


26 – konec uploadu bloku

Pˇrenos SDO zpráv je dosti komplikovaný a jeho dalˇs´ı popis je nad rámec této kapitoly. Plnohodnotnou specifikaci lze nalézt napˇr´ıklad v [12].

3.4.6

NMT zprávy

NMT zprávy slouˇz´ı k ˇr´ızen´ı komunikaˇcn´ıch stav˚u podˇr´ızených uzl˚u. Model komunikace je zde master/slave a podobnˇe jako samotná sbˇernice CAN je typu multimaster, tak i CANOpen umoˇznˇ uje pˇr´ıtomnost v´ıce master˚u v s´ıti. NMT zprávy maj´ı nulovou délku datové cˇ a´ sti a jejich význam je urˇcen pouze identifikátorem. Pˇrenos libovolné NMT zprávy je naznaˇcen na obrázku 3.8. Uzel NMT master má k dispozici následuj´ıc´ı sluˇzby. • Start Remote Node Protocol – uzel NMT master uvede vybrané uzly NMT slave do komunikaˇcn´ıho stavu OPERATIONAL. • Stop Remote Node Protocol – uzel NMT master uvede vybrané uzly NMT slave do komunikaˇcn´ıho stavu STOPPED. • Enter Pre-Operational Protocol – uzel NMT master uvede vybrané uzly NMT slave do komunikaˇcn´ıho stavu PRE-OPERATIONAL. • Reset Node Protocol – NMT master resetuje aplikaci uzlu NMT slave. • Reset Communication Protocol – NMT master resetuje komunikaci uzlu NMT slave.

NMT Master ›

pozadavek

NMT uzly Slave 0 CS=X

1 2 Node-ID

COB-ID = 0

´ X .. podle vyznamu objektu NMT

Obrázek 3.8: Pˇrenos NMT zprávy

indikace indikace indikace


3.4.7

27

Standardizované profily v CANOpen

CANOpen poskytuje mnoho standardizovaných profil˚u a profil˚u rozhran´ı zvaných aplikaˇcn´ı profily zaˇr´ızen´ı. Jejich specifikace jsou znaˇceny DS-4XX. Standardy pro specificky zamˇeˇrená zaˇr´ızen´ı umoˇznˇ uj´ı r˚uzným výrobc˚um pouˇz´ıt jednotné metody komunikace a dovolit tak vzájemnou kompatibilitu svých výrobk˚u. Ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı je standardizovaným profil˚um vyhrazen rozsah index˚u 6000h – 9FFFh , standardizovaným rozhran´ım A000h – BFFFh . Pˇribliˇzme ve struˇcnosti nˇekteré profily: • DS-401 – pro obecné vstupnˇe/výstupn´ı moduly napˇr. vzdálené I/O moduly PLC, • DS-402 – pro pohony a polohovac´ı mechanismy, popsán v kapitole 3.5, • DS-403 – pro HMI (Human-Machine Interface) moduly, • DS-408 – pro ˇr´ızen´ı pneumatických a hydraulických systém˚u, • DS-412 – pro zdravotnická zaˇr´ızen´ı, a dalˇs´ı.

3.4.8

Komunikaˇcn´ı stavy CANOpen uzlu

Komunikaˇcn´ı stavy uzlu ukazuje obrázek 3.9. Vlastnosti stav˚u a podm´ınky jejich pˇrechod˚u Tabulka 3.3: Pˇrechody mezi stavy v komunikaˇcn´ım stavovém diagramu

ˇ ıslo pˇrechodu Význam C´ (1)

Automaticky po zapnut´ı napájen´ı

(2)

Automaticky po ukonˇcen´ı inicializace

(3),(6)

Pˇrijata NMT zpráva Start Remote Node

(4),(7)

Pˇrijata NMT zpráva Enter Pre-Operational

(5),(8)

Pˇrijata NMT zpráva Stop Remote Node

(9),(10),(11)

Pˇrijata NMT zpráva Reset Node

(12),(13),(14)

Pˇrijata NMT zpráva Reset Communication

definuje DS-301 [12]. Pˇrechody mezi stavy popisuje tabulka 3.3 a vˇetˇsina z nich je ˇr´ızena z uzlu Master pomoc´ı NMT zpráv. D˚uleˇzité je to, zˇ e pouze ve stavu OPERATIONAL je moˇzné komunikovat pomoc´ı PDO zpráv. Stav PRE-OPERATIONAL slouˇz´ı ke vzdálené konfiguraci


28

jiným uzlem pomoc´ı zpráv SDO, které lze v tomto stavu vys´ılat i pˇrij´ımat. Ve stavu STOPPED je zaˇr´ızen´ı doˇcasnˇe pozastavena komunikace na s´ıti. Zapnuti nebo HW reset (1) Initialisation (2) (14)

(11) Pre-Operational (7) (4)

(13) (3)

Stopped

(6) (8)

(12)

(10)

(5)

(9)

Operational

Obrázek 3.9: Komunikaˇcn´ı stavový diagram CANOpen zaˇr´ızen´ı

3.5

Motion Control Profile

V této sekci je popsán standardizovaný profil protokolu CANOpen, urˇcený pro ˇr´ızen´ı pohon˚u a polohovac´ıch mechanism˚u (MCP – Motion Control Profile). Jedná se o specializuj´ıc´ı se nadstavbu obecného komunikaˇcn´ıho standardu CANOpen, popsaného v normˇe DS-301 [12]. Pˇri studiu specifikace jsem vycházel z dokumentu DSP-402 [10], který je ale pouze návrhem standardu DS-402. Aktuáln´ı norma je dostupná pouze za poplatek cca 250 euro a tu jsem k dispozici nemˇel. Moˇzné odchylky mezi návrhem a aktuáln´ım standardem jsem porovnával pomoc´ı aktuáln´ı dokumentace k vyrábˇeným modul˚um pro ˇr´ızen´ı pohon˚u od firmy ELMO [13]. Ve slovn´ıku je standardizovaným profil˚um vyhrazen rozsah index˚u od 6000h do 9FFFh . Kaˇzdý CANOpen uzel vyuˇz´ıvaj´ıc´ı MCP m˚uzˇ e obsahovat aˇz 8 nezávisle ˇr´ızených os pohybu. Veˇskerá konfiguraˇcn´ı i procesn´ı data vˇsech os jsou v oblasti vyhrazené profilu. Vˇetˇsina pˇredávaných parametr˚u má znaménkový nebo neznaménkový celoˇc´ıselný formát. Tabulka 3.4 ukazuje cˇ lenˇen´ı index˚u slovn´ıku pro jednotlivé osy.

3.5. MOTION CONTROL PROFILE

29

›

CAN sbernice CAN uzel

›

Komunikacní profil DS-301

Osa 7

Osa 1

Osa 0

Standardizovaný profil zarízení DSP-402

Profile Torque Mode

Velocity Mode

Motor

Homing Mode

Profile Position Mode

Interpolated Position Mode

Profile Velocity Mode

Profile Torque Mode

Velocity Mode

›

›


°

›

›

.....

´ Operacní mody

›


Stavový automat, prepínání modu ´


´ Operacní mody



°

°

›


Homing Mode

›

›

›


´ Operacní mody

Homing Mode




Profile Torque Mode

Velocity Mode

Motor

Motor

Obrázek 3.10: Blokové schéma se standardizovaným profilem pro ˇr´ızen´ı pohon˚u DS-402

V dalˇs´ım popisu jsou promˇenné a parametry uvádˇeny s indexy v rozsahu 6000h do 67F Fh , tedy pro osu 0. Indexy stejných parametr˚u dalˇs´ıch os lze jednoduˇse z´ıskat podle vztahu idxn = idx0 + n · 800h , kde idxn je index n-té osy, idx0 je index osy 0, jak je uveden ve specifikaci a n je poˇradové cˇ´ıslo osy od 0 do 7.

Tabulka 3.4: Rozsahy index˚u ve slovn´ıku pro jednotlivé osy

indexy

osa

6000h – 67FFh

osa 0

6800h – 6FFFh

osa 1

7000h – 77FFh

osa 2

7800h – 7FFFh

osa 3

8000h – 87FFh

osa 4

8800h – 8FFFh

osa 5

9000h – 97FFh

osa 6

9800h – 9FFFh

osa 7

Na obrázku 3.10 je blokové schéma uzlu CANOpen s profilem pro ˇr´ızen´ı pohon˚u. Je zde


30

Tabulka 3.5: Mapován´ı pˇrij´ımaných PDO zpráv podle DSP402 ›

›

M/O Komentár: M (mandatory) povinný O (optional) volitelný

1

6040h

controlword

M

2

6040h 6060h

controlword modes_of_operation

O

3

6040h 607Ah

controlword target_position

O

4

6040h 60FFh

controlword target_velocity

O

5

6040h 6071h

controlword target_torque

O

6

6040h 6042h

controlword vl_target_velocity

O

7

6040 h 60FE h

controlword digital_outputs

O

8

6040 h 6060 h

controlword modes_of_operation

O

PDO

›

Mapování Jméno mapovaného na objektu indexu

Císlo

Rídící slovo stavu °

›

Prepínání módu ›

Mód profilovaného rízení pozice (pp) ›

Mód profilovaného rízení rychlosti (pv) ›

Mód profilovaného rízení momentu (tq) ›

Mód rízení rychlosti (vl) Digitální výstupy °

›

Prepínání módu (Broadcast PDO)

9 - 20

O

Rezervováno

21 - 64

O

Specifikovatelné výrobcem

naznaˇcena vazba mezi spoleˇcnými objekty slovn´ıku zaˇr´ızen´ı a samostatnými objekty kaˇzdého ˇr´ızeného motoru.

3.5.1

Mapován´ı PDO zpráv

Pro kaˇzdou z osmi os je definováno um´ıstˇen´ı objekt˚u pro nastaven´ı mapován´ı nˇekolika základn´ıch odes´ılaných a pˇrij´ımaných PDO zpráv. Podobnˇe jako je interval index˚u 6000h aˇz 9F F Fh rozdˇelen na osm stejných u´ sek˚u po 800h pro jednotlivé osy, jsou i intervaly parametr˚u a mapován´ı TPDO a RPDO zpráv rozdˇeleny na osm u´ sek˚u s offsetem2 40h . Napˇr´ıklad mapován´ı prvn´ı RPDO (pˇrij´ımané) zprávy pro osu 0 je ve slovn´ıku na indexu 1400h , mapován´ı prvn´ı RPDO zprávy osy 1 je na indexu 1440h , osy 2 na indexu 1480h atd. Mapován´ı prvn´ıch osmi PDO zpráv kaˇzdé osy je ve specifikaci urˇceno. Pouˇzit´ı zprávy s cˇ´ıslem 1 je povinné, pouˇzit´ı zpráv s cˇ´ısly 2 aˇz 7 je volitelné podle podporovaných mód˚u ˇr´ızen´ı kaˇzdé osy. Tabulky 3.5 a 3.6 ukazuj´ı urˇcené mapován´ı RPDO a TPDO zpráv.

2

Softwarový projekt CanFestival, implementuj´ıc´ı protokol CANOpen, zde popsaný zp˚usob mapován´ı PDO

zpráv neumoˇznˇ uje. Odchylka od standardu je popsána v sekci 4.2


31

Tabulka 3.6: Mapován´ı odes´ılaných PDO zpráv podle DS-402

PDO

Jméno mapovaného objektu

M/O Komentár: M (mandatory) povinný O (optional) volitelný ›

6041h

statusword

M

Rídící slovo stavu

2

6041h 6061h

statusword modes_of_operation_display

O

Aktuální mód

3

6041h 6064h

statusword position_actual_value

O

Mód profilovaného rízení pozice (pp)

4

6041h 606Ch

statusword velocity_actual_value

O

Mód profilovaného rízení rychlosti (pv)

5

6041h 6077h

statusword torque_actual_value

O

Mód profilovaného rízení

6

6041h 6044h

statusword vl_control_effort

O

7

6041h 60FDh

statusword digital_inputs

O

›

1

›

›

momentu (tq) ›

3.5.2

Mapování na indexu

›

›

Císlo

Mód rízení rychlosti (vl) Digitální výstupy

8 – 20

O

Rezervováno

21 - 64

O

Specifikovatelné výrobcem

Obecné informace o pohonu

Obecné informace o vlastnostech pohonného motoru jsou uvedeny na indexech 6402h aˇz 64FFh . Je zde napˇr´ıklad katalogové cˇ´ıslo motoru, adresa internetové stránky s katalogovým listem, perioda doporuˇcených servisn´ıch prohl´ıdek a základn´ı technické u´ daje, jako jmenovité a mezn´ı parametry. Podobnˇe jsou na indexech mezi 6500h a 65FFh uvedeny parametry celého pohonu, obsahuje-li napˇr´ıklad pˇrevodovku. Celá tato cˇ a´ st obecných informac´ı nen´ı pro výrobce povinná, pouze doporuˇcená.

3.5.3

ˇ ızen´ı stavu pohonu R´

Pohon se m˚uzˇ e nacházet v r˚uzných stavech. Pro pˇrechody mezi stavy je zde pro kaˇzdou z os 0 aˇz 7 implementován stavový automat s dev´ıti stavy a sˇestnácti pˇrechody 3.5.3. Pˇresná definice stav˚u a jejich pˇrechod˚u je pomˇernˇe rozsáhlá. Uvedena je v [10]. Pˇribl´ızˇ´ım pouze, zˇ e pro skupinu stav˚u je vypnuto napájen´ı výkonové cˇ a´ sti elektroniky pohonu (Power Disabled). V urˇcitých stavech je napájec´ı napˇet´ı výkonové elektroniky pˇrivedeno (Power Enabled). Pˇrechody mezi stavy jsou ˇr´ızeny bud’to vnitˇrn´ımi událostmi pohonu, nebo ˇr´ıd´ıc´ım slovem (controlword). Vnitˇrn´ı událost je napˇr´ıklad vznik chyby nebo zmˇena parametr˚u pomoc´ı panelu lokáln´ıho ovládán´ı, je-li j´ım pohon vybaven. Daleko cˇ astˇeji vˇsak docház´ı k pˇrechodu stav˚u ˇr´ıd´ıc´ım slovem (controlword), které je na indexu 6040h a je mapováno z pˇr´ıchoz´ı PDO zprávy s cˇ´ıslem 1. Podobnˇe zde existuje stavové slovo automatu (statusword) na indexu 6041h . Je


32

Tabulka 3.7: Významy jednotlivých bit˚u ˇr´ıd´ıc´ıho slova

Bit Význam

Bit Význam

0

Switch On

8

Halt

1

Disable Voltage

9

rezervován

2

Quick Stop

10

rezervován

3

Enable Operation

11

specifikovatelný výrobcem

4

specifikován op. módem

12


5


13


6


14


7

Reset Fault

15


Tabulka 3.8: Významy jednotlivých bit˚u stavového slova

Bit Význam

Bit Význam

0

Ready to Switch On

8


1

Switched On

9

Remote

2

Operation Enabled

10

Target Reached

3

Fault

11

Internal Limit Active

4

Voltage Disabled

12


5

Quick Stop

13


6

Switch On Disabled

14


7

Warning

15


mapováno do odchoz´ı PDO zprávy s cˇ´ıslem 1. Stavové slovo dále obsahuje bity informuj´ıc´ı napˇr´ıklad o dosaˇzen´ı zadané c´ılové polohy pohonu. Významy bit˚u ˇr´ıd´ıc´ıho slova popisuje tabulka 3.7 a významy bit˚u stavového slova popisuje tabulka 3.8. Stavový diagram struktury shodné pro kaˇzdou osu pohonu je na obrázku 3.11. Pˇrechod do stavu Fault Reaction Active (ˇc.13) probˇehne automaticky z libovolného stavu v okamˇziku, kdy je registrována chybová událost. Dalˇs´ı pˇrechod (ˇc.14) do stavu Fault je uskuteˇcnˇen automaticky po proveden´ı nezbytných bezpeˇcnostn´ıch opatˇren´ı. M˚uzˇ e to být napˇr. okamˇzité zastaven´ı pohonu, nebo odpojen´ı napájec´ıho napˇet´ı silové cˇ a´ sti. Pˇrechody cˇ . 0 a 1 se provádˇej´ı automaticky v pr˚ubˇehu inicializace pohonu. Ostatn´ı pˇrechody jsou ˇr´ızeny ˇr´ıd´ıc´ım slovem. Poloˇzkou slovn´ıku modes of operation jsou ˇr´ızeny operaˇcn´ı módy. Pohon nem˚uzˇ e pracovat souˇcasnˇe ve v´ıce módech a moˇznost pˇrep´ınán´ı nen´ı striktnˇe urˇcena. Je tedy na uˇzivateli,


33

›

›

Vnitrní chyba

Výkonová cást vypnuta

13

Fault Reaction Active

Start 0

14

Not Ready to Switch On

Fault

1

15

Switch On Disabled 2

7

Ready to Switch On

›

3

6

10

12

Výkonová cást zapnuta

Switched On 9

8 4

5

Operation Enable

11 16

Quick Stop Active

Poznámka: stavy jsou pojmenovány podle specifikace DSP402.

Obrázek 3.11: Stavový diagram pohonu kaˇzdé osy na CANOpen s profilem DSP402. Pˇrechod do stavu Fault Reaction Active (ˇc.13) probˇehne automaticky z libovolného stavu v okamˇziku registrace chybové události.


34 zadaný mód modes_of_operation (6060h)

›

Funkce prepínající operacní mód

Velocity Mode

›

Profile Velocity Mode ......

callback na index 6060h

Profile Torque Mode

modes_of_operation_display (6061h) aktuální mód

Obrázek 3.12: Pˇrep´ınán´ı operaˇcn´ıch mód˚u pohonu osy podle DS-402

pokud povol´ı pˇrepnut´ı mezi módy napˇr´ıklad pouze pˇri stoj´ıc´ım pohonu nebo pouze pˇri inicializaci. Operaˇcn´ı mód je moˇzno vzdálenˇe ovládat pomoc´ı poloˇzky slovn´ıku na indexu 6060h (modes of operation) a cˇ´ıst na indexu 6061h (modes of operation display). Situaci blokovˇe zobrazuje obrázek 3.12.

3.5.4

Pˇrevod fyzikáln´ıch jednotek

C´ılovou polohu, rychlost, moment a jejich omezuj´ıc´ı parametry lze zadávat ve velkém ˇ ıd´ıc´ı funkce pohonu zpravidla pracuj´ı v nˇejakých intern´ıch mnoˇzstv´ı fyzikáln´ıch jednotek. R´ celoˇc´ıselných jednotkách, jako jsou napˇr´ıklad inkrementy sn´ımaˇce polohy. Mezi tˇemito dvˇema skupinami veliˇcin je pro kaˇzdou osu pohonu moˇzno definovat pˇrepoˇc´ıtávac´ı faktory. Na indexech v rozsahu 607Eh aˇz 6097h je moˇzné definovat rozliˇsen´ı sn´ımaˇce polohy a rychlosti, pˇrevodový pomˇer, konstantu pˇrevodu rotaˇcn´ıho pohybu na posuvný, znaménko smˇeru a dalˇs´ı. Pro veliˇciny polohy, rychlosti a zrychlen´ı jsou definovány tzv. indexy veliˇciny (notation index) a indexy rozmˇeru této veliˇciny (dimension index). Pozici je tak moˇzno zadávat napˇr´ıklad v délkových nebo u´ hlových jednotkách (volbou indexu veliˇciny) a v rozsaz´ıch napˇr. pro délku od mikrometru aˇz po kilometr (volbou indexu rozmˇeru). Podrobnými definicemi se zabývá specifikace profilu [10]. Obrázek 3.13 ukazuje zp˚usob pˇrevodu fyzikáln´ıch veliˇcin.


35

›

zádaná hodnota

›

›

›

°

›

výber parametru pro prepocítávací konstantu podle fyzikální veliciny fyzikální jednotka

feed constant (6092h) gear ratio (6091h)

hodnota*konstanta

normalizovaný vstup*

›

velocity_enocder_resolution (6090h) position_encoder_resolution (608F)

prevodní konstanta

zpracování

normalizovaný výstup*

position notation_index velocity dimension_index acceleration

}

hodnota/konstanta fyzikální jednotka ›

›

›

›

* nekteré indexy obsahují promenné ve vnitrních jednotkách (oznaceny *)

aktuální hodnota

Obrázek 3.13: Pˇrevod mezi s´ıt’ovými a vnitˇrn´ımi fyzikáln´ımi jednotkami podle DSP402

position_demand_value* (60FCh) [inc] ›

Zpetnovazební smycka rízení pozice ›

›

position_actual_value* (6063h) [inc]

control_effort (60FAh)

position_control_parameter_set (60FCh)

Obrázek 3.14: Blok zpˇetnovazebn´ı smyˇcky ˇr´ızen´ı pozice

3.5.5

Zpˇetnovazebn´ı smyˇcka rˇ´ızen´ı pozice

K ˇr´ızen´ı pozice polohovac´ıho pohonu je v této sekci slovn´ıku zaˇr´ızen´ı k dispozici nˇekolik parametr˚u definuj´ıc´ıch funkci zpˇetnovazebn´ıho regulátoru (Motion Control Function). Vstupy jsou poˇzadovaná pozice a aktuáln´ı pozice, obˇe v intern´ıch jednotkách. Výstupem je pak akˇcn´ı zásah, neboli výkon vstupuj´ıc´ı do pohonného motoru. Jediným povinným parametrem je promˇenná nesouc´ı hodnotu aktuáln´ı pozice. Ostatn´ı parametry jsou volitelné. Tato regulaˇcn´ı smyˇcka je spoleˇcná pro vˇsechny operaˇcn´ı módy, vyjma módu ˇr´ızen´ı rychlosti (Velocity mode), kde je aplikováno pˇr´ımovazebn´ı . Obrázek 3.14 ukazuje vstupn´ı a výstupn´ı promˇenné bloku pro zpˇetnovazebn´ı ˇr´ızen´ı pozice.


36

Parametry regulátoru

Generátor trajektorie

Zpetnovazební smycka rízení pozice

›

Parametry generátoru trajektorie

›

position_actual_value (6063h)

zádaná cílová pozice

›

position_demand_value (60F2h)

›

target_position (607Ah)

control_effort (60FAh)

energie vstupující do motoru

Obrázek 3.15: Blokové schéma módu profilovaného ˇr´ızen´ı pozice

3.5.6

Operaˇcn´ı módy

3.5.6.1

Mód profilovaného rˇ´ızen´ı pozice

V tomto módu se pˇredpokládá naj´ızˇ dˇen´ı pohonu na c´ılovou pozici. Profil rychlosti je pˇritom dán poˇca´ teˇcn´ım pr˚ubˇehem zrychlován´ı, poté j´ızdou konstantn´ı rychlost´ı a podobným zp˚usobem zpomalován´ı k c´ılové pozici. Povinnˇe mus´ı být uvedeny pro tento mód c´ılová pozice (target position), pˇrejezdová rychlost (profile velocity), zrychlen´ı na zaˇca´ tku a zpomalen´ı na konci pohybu (profile acceleration, profile deceleration) a profil zrychlen´ı (motion profile type). Obrázek 3.15 ukazuje, jak zˇ a´ daná poloha p˚usob´ı na energii vstupuj´ıc´ı do motoru. Mód profilovaného ˇr´ızen´ı pozice umoˇznˇ uje bud’to zadávat c´ılové body jednotlivˇe aˇz po dosaˇzen´ı pˇredchoz´ıho c´ılového bodu (single setpoint), nebo zadávat skupinu c´ılových bod˚u (set of setpoints). V druhém pˇr´ıpadˇe se pohon okamˇzitˇe po dosaˇzen´ı jednoho bodu rozj´ızˇ d´ı ˇ k novému c´ılovému bodu aniˇz by zastavoval. Casov´ e pr˚ubˇehy rychlosti pro oba zm´ınˇené pˇr´ıpady jsou na obrázc´ıch 3.16 a 3.17.

Samostatné cílové body (Single setpoints)

rychlost ›

Dosazen druhý cílový bod

..........................

..........................

›

v2

Dosazen první cílový bod

v1

t1

t2

t3

›

t0

cas

Obrázek 3.16: Rychlostn´ı profil pohybu pˇri zadáván´ı samostatných c´ılových bod˚u

3.5. MOTION CONTROL PROFILE °

rychlost

37

Skupina cílových bodu (Set of setpoints) ›

t1

t2

Dosazen první cílový bod

v1

t0

›

..........................

›

..........................

Dosazen druhý cílový bod

v2

cas

Obrázek 3.17: Rychlostn´ı profil pohybu pˇri zadáván´ı skupiny c´ılových bod˚u

3.5.6.2

Mód hledán´ı referenˇcn´ı pozice

V tomto módu polohovac´ı zaˇr´ızen´ı hledá svoji referenˇcn´ı pozici (home position). Existuje zde mnoho funkc´ı pro hledán´ı referenˇcn´ıho sp´ınaˇce v pracovn´ı dráze pohonu nebo na jej´ıch kraj´ıch. K hledán´ı referenˇcn´ı pozice je také moˇzno vyuˇz´ıt koncové sp´ınaˇce dráhy, pokud jsou pˇr´ıtomny, a definovat referenci kdekoliv mezi nimi. Pˇreddefinovaných metod hledán´ı referenˇcn´ıho bodu je 35, ale uˇzivatel nebo výrobce má sˇirokou moˇznost definovat si dalˇs´ı metody sám. Povinnými vstupn´ımi parametry tohoto módu je volba metody pomoc´ı jej´ıho kódu (homing method) a skupina pˇredepsaných rychlost´ı pro hledán´ı referenˇcn´ı pozice (homing speeds).

3.5.6.3

Mód interpolovaného rˇ´ızen´ı pozice

Tento mód je urˇcen pro ˇr´ızen´ı v´ıce koordinovaných os nebo pro osy s potˇrebou cˇ asové interpolace mezi skupinou bod˚u. Pro v´ıce os je zde nutnost jejich cˇ asové synchronizace, napˇr´ıklad pomoc´ı synchronizaˇcn´ıch objekt˚u (SYNC). Pro pouˇzit´ı interpolované pozice nen´ı povinnˇe definován zˇ a´ dný parametr. Volitelnˇe lze zadat napˇr´ıklad volbu v´ıce implementovaných interpolaˇcn´ıch algoritm˚u (interpolation submode select) a k tˇemto algoritm˚um potˇrebná vstupn´ı data, jako napˇr´ıklad koeficienty interpolaˇcn´ıho polynomu. Tento strukturovaný parametr se nazývá interpolation data record. Dále je moˇzno definovat periodu a vlastnosti synchronizace v´ıce os (interpolation time period). Prostorovou a cˇ asovou interpolaci popisuje obrázek 3.18. ˇ Vstupn´ımi daty pro interpolátor jsou zadané interpolaˇcn´ı body. Casov´ e rozmez´ı, ve kterém jsou tyto body k dispozici je dáno periodou synchronizace os. Pro kaˇzdý okamˇzik vzorkován´ı regulaˇcn´ı smyˇcky se s vyuˇzit´ım parametr˚u interpolátoru internˇe vypoˇc´ıtaj´ı pomocné záchytné ´ cel interpolace je je tedy zajistit dostateˇcnˇe plynulý pohyb pˇri pˇrejezdech pohonu mezi body. Uˇ interpolaˇcn´ımi body. V pˇr´ıpadˇe prostorové interpolace v´ıce os je cˇ asová interpolace provádˇena


38

›

›

›

Interpolace v rovine (dve navzájem kolmé osy X a Y)

Casová interpolace jedné osy

›

›

Y

tecná rychlost

Zadané interpolacní body

Pi = (xi, yi,ti) Pi+1 = (xi+1, yi+1,ti+1)

›

Pozice ›

Vypocítané pomocné body

Zadané interpolacní body

°

›

›

s(x,y)

›

Vzorkovací perioda regulacní smycky pozice

Vzdálenost interpolacních bodu

Pi+2

Pi+3

Pi+1 Pi Pi-1 Perioda synchronizace os tsync

›

X

ti-1

ti

ti+1

ti+2

ti+3

cas

Obrázek 3.18: Prostorová a cˇ asová interpolace pohybu v módu interpolovaného ˇr´ızen´ı pohybu

na kaˇzdé této ose. 3.5.6.4

Mód profilovaného rˇ´ızen´ı rychlosti

Zde je podobnˇe jako u profilovaného ˇr´ızen´ı pozice ˇr´ızena rychlost na poˇzadovanou zadanou hodnotu. Vstupn´ı hodnotu rychlosti je c´ılová rychlost (target velocity). Aktuáln´ı hodnota rychlosti je k dispozici v promˇenné (velocity actual value) a m˚uzˇ e být z´ıskána ze senzoru aktuáln´ı rychlosti nebo derivac´ı aktuáln´ı polohy ze senzoru polohy. Do ˇr´ızen´ı rychlosti zasahuj´ı omezen´ı jako maximáln´ı zrychlen´ı nebo maximáln´ı dosaˇzitelná rychlost. S podobným významem jako maximáln´ı sledovac´ı chyba pˇri ˇr´ızen´ı pozice zde figuruje parametr udávaj´ıc´ı maximáln´ı rychlostn´ı skluz (max slippage), tedy dovolený rozd´ıl aktuáln´ı a zˇ a´ dané rychlosti. 3.5.6.5

Mód profilovaného rˇ´ızen´ı momentu

Interpolované ˇr´ızen´ı momentu je svoj´ı podstatou podobné interpolovanému ˇr´ızen´ı pozice nebo rychlosti. I zde je vstupn´ı promˇennou zˇ a´ daný krout´ıc´ı moment (target torque) a aktuáln´ı hodnota momentu je uloˇzena v promˇenné (torque actual value). Názvy vˇsech promˇenných vycházej´ı z toho, zˇ e pohonnou jednotkou je rotaˇcn´ı motor. Napˇr´ıklad u lineárn´ıch motor˚u je krout´ıc´ımu momentu ekvivalentn´ı p˚usob´ıc´ı s´ıla, která je ovˇsem ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı uloˇzena stále pod názvem krout´ıc´ıho momentu. Dalˇs´ımi zadanými parametry je napˇr´ıklad profil zmˇeny momentu (torque profile type), maximáln´ı moment (max torque) nebo jemu odpov´ıdaj´ıc´ı maximáln´ı proud motorem (max current).

3.5. MOTION CONTROL PROFILE 3.5.6.6

39

Mód rˇ´ızen´ı rychlosti

Tento mód je urˇcen pˇredevˇs´ım pro ˇr´ızen´ı rychlosti pohon˚u s elektronickým stˇr´ıdaˇcem. Pouze právˇe zde se nepˇredpokládá zˇ a´ dná polohová ani rychlostn´ı zpˇetná vazba. Informaci o aktuáln´ı rychlosti m˚uzˇ e poskytovat napˇr´ıklad frekvenˇcn´ı mˇeniˇc, ale nejedná se o mˇeˇren´ı pˇr´ımo na hˇr´ıdeli motoru. Blokové schéma jakési minimáln´ı konfigurace je na obrázku 3.19. Pˇredpokládá se, zˇ e eventuáln´ı regulaˇcn´ı smyˇcka je vedena a poˇc´ıtána pˇr´ımo v mˇeniˇci motoru. ›

Menic (Strídac) ›

vl_velocity_min_max_amount (6046) velocity_min_amount rpm, 4 bytes, rw velocity_max_amount rpm, 4 bytes, rw

Rampy vl_velocity_acceleration (6048) delta_speed -, 4 bytes, rw delta_time sec, 2 bytes, rw

›

vl_target_velocity (6042) rpm, 2 bytes, rw

Omezení

›

Reference

Motor

vl_velocity_demand (6043) rpm, 2 bytes, r

3

›

›

vl_velocity_deceleration (6049) delta_speed -, 4 bytes, rw delta_time sec, 2 bytes, rw

Menic vl_control_effort (6044) rpm, 2 bytes, r

Obrázek 3.19: Blokové schéma vyuˇzit´ı módu ˇr´ızen´ı rychlosti

M 3~

40


Kapitola 4 Implementace rˇ´ızen´ı pohonu˚ prostˇrednictv´ım CANOpen V této kapitole jsou popsány existuj´ıc´ı softwarové projekty a nástroje, pouˇzité dále pˇri implementaci profilu pro ˇr´ızen´ı pohon˚u protokolu CANOpen. V dalˇs´ıch sekc´ıch jsou pˇredstaveny ukázkové aplikace vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Motion Control Profile. Je zde popsán zp˚usob ovládán´ı a uveden´ı do provozu.

4.1

PXMC

PXMC (Pikron eXtensible Motion Control) je univerzáln´ı softwarová knihovna pro ˇr´ızen´ı motor˚u. Je vyvinutá firmou PiKRON spol. s r.o. [5] a hlavn´ı zásluhu na ni nese Ing. Pavel P´ısˇa, který také p˚usob´ı na Katedˇre ˇr´ıdic´ı techniky. Tato knihovna umoˇznˇ uje velice propracovaným zp˚usobem ˇr´ızen´ı mnoha r˚uzných typ˚u motor˚u, pomoc´ı r˚uzných typ˚u ˇr´ıd´ıc´ıch desek osazených r˚uznými mikrokontroléry. Hlavn´ı pˇrednost je v rozdˇelen´ı zdrojových kód˚u na cˇ a´ st závislou na pouˇzité architektuˇre kontroléru, na cˇ a´ st závislou na typu ˇr´ıd´ıc´ı desky a na cˇ a´ st hardwarovˇe i platformˇe nezávislou, viz obrázek 4.1. Podle pouˇzité architektury lze definovat napˇr´ıklad makra pro jednotlivé registry, vyuˇz´ıt specifika pˇreruˇsovac´ıho systému, nebo definovat speciáln´ı funkce ovladaˇcu˚ pro libovolné I/O rozhran´ı apd. Na OS Linux lze knihovnu PXMC v souˇcasné dobˇe provozovat pouze jako simulátor. Platformˇe nezávislým kódem je pak napˇr´ıklad implementace datových struktur a parametr˚u. Nepochybnˇe sem patˇr´ı i funkce implementovaného PID regulátoru, generátoru trajektorie a ostatn´ıch logických funkc´ı. 41

´ ˇ ´ CANOPEN 42KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM

Obrázek 4.1: Grafické znázornˇen´ı modularity PXMC knihovny

Znaˇcná modularita a univerzálnost je jeˇstˇe pos´ılena pouˇzitým kroskompilaˇcn´ım systémem OMK (Ocera Make System) [4], který je produktem Katedry ˇr´ıdic´ı techniky. Pˇreklad zdrojových kód˚u pro c´ılovou desku a procesor je pak moˇzné nastavovat pouze zmˇenou nˇekolika globáln´ıch promˇenných make-systému a vytvoˇren´ım r˚uzných kompilaˇcn´ıch strom˚u. Tyto kompilaˇcn´ı stromy jsou vytvoˇreny pomoc´ı symbolických odkaz˚u na adresáˇre se zdrojovými kódy projektu. Pomˇernˇe rozsáhlý popis funkce knihovny PXMC je v [21]. Já se zde omez´ım pouze na pˇribl´ızˇ en´ı obsahu globáln´ı datové struktury pxmc main list, ve které jsou uloˇzena stavová slova a veˇskeré procesn´ı parametry vˇsech os ˇr´ızených z jednoho programu. Pˇr´ıklad zdrojového kódu datové struktury definované pro tˇri osy mcs axle0 aˇz mcs axle2. pxmc_state_t *pxmc_main_arr[] = {&mcs_axle0, &mcs_axle1, &mcs_axle2}; pxmc_state_list_t pxmc_main_list = { pxml_arr:pxmc_main_arr, pxml_cnt:sizeof(pxmc_main_arr) / sizeof(pxmc_main_arr[0]) };

Pole pxmc main arr[] obsahuje tolik instanc´ı datové struktury pxmc state t, kolik os je ˇr´ızeno. Kaˇzdá z os, zde oznaˇcených jako mcs axleX, nese vlastn´ı stavové, konfiguraˇcn´ı a chybové slovo. Samostatné jsou i promˇenné jako aktuáln´ı pozice, aktuáln´ı rychlost, konstanty PID regulátoru, promˇenné tˇr´ıfázového generátoru pro BLDC motory, ukazatele na nˇekteré funkce knihovny PXMC a mnoho dalˇs´ıch. Promˇenná pxmc main list pak obsahuje ukazatel na pole dat vˇsech os pxml arr a poˇcet tˇechto os pxml cnt.

4.2. CANFESTIVAL

43

Vlastn´ı ˇr´ızen´ı pohybu motoru se provád´ı pomoc´ı volán´ı funkc´ı knihovny. Napˇr´ıklad pohyb na zadanou c´ılovou pozici se provád´ı funkc´ı pxmc go, jej´ızˇ parametry jsou c´ılová pozice ve vnitˇrn´ıch jednotkách, osa na které se má pohyb provést a výbˇer zadán´ı v relativn´ıch nebo absolutn´ıch parametrech c´ılové pozice. Funkce pˇri rozjezdu motoru nastav´ı pˇr´ısluˇsné bity stavového slova informuj´ıc´ı o provádˇeném pohybu. Po dosaˇzen´ı c´ıle tyto stavové bity vrac´ı do p˚uvodn´ıch hodnot. Podobnými funkcemi lze ˇr´ıdit rychlost a moment motoru. Uved’me zde nˇekteré promˇenné ze struktury pxmc state t, napˇr. ke kterým se v implementaci pˇristupuje pˇri cˇ ten´ı nebo zápisu slovn´ıku zaˇr´ızen´ı. Uvedené parametry jsou vstupn´ımi veliˇcinami zpˇetnovazebn´ıho PID regulátoru. pxms flg – stavové slovo pohonu. pxms ap – aktuáln´ı pozice ve vnitˇrn´ıch jednotkách. pxms as – aktuáln´ı rychlost ve vnitˇrn´ıch jednotkách za vzorkovac´ı periodu sn´ımaˇce polohy. pxms rp – zˇ a´ daná c´ılová pozice ve vnitˇrn´ıch jednotkách. pxms rs – zˇ a´ daná rychlost pohybu. pxms md – maximáln´ı dovolená sledovac´ı odchylka. pxms ms – maximáln´ı dovolená rychlost, parametr regulátoru. pxms ma – maximáln´ı dovolené zrychlen´ı, parametr regulátoru. pxms p – proporcionáln´ı konstanta PID regulátoru. pxms i – integraˇcn´ı konstanta PID regulátoru. pxms d – derivaˇcn´ı konstanta PID regulátoru.

4.2

CanFestival

CanFestival je otevˇrený softwarový projekt, který implementuje specifikaci CANOpen. Pod licenc´ı GPL dává k dispozici programový bal´ık pro komunikaci v´ıce aplikac´ı prostˇrednictv´ım standardu DS-301 i mnoha rozˇsiˇruj´ıc´ıch profil˚u DS-4XX. CanFestival je psán v jazyce ANSI C a podobnˇe jako PXMC je rozdˇelen na cˇ a´ st závislou na pouˇzitém rozhran´ı CAN sbˇernice, závislou na c´ılové platformˇe a na nezávislou cˇ a´ st.

´ ˇ ´ CANOPEN 44KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM Zdrojové kódy projektu, tak jak je lze stáhnout z repositáˇre projektu, jsou rozdˇeleny do následuj´ıc´ıch adresáˇru˚ podle významu. • ./doc – dokumentace k projektu ve formátu *.pdf vˇcetnˇe zdrojových kód˚u programu LaTeX, dokumentace formátu HTML generovaná programem Doxygen. • ./drivers – zdrojové kódy ovladaˇcu˚ pro platformy unix, unix real-time (Xenomai), win32, mikrokontrolér HCS12. Dále jsou zde ovladaˇce r˚uzných CAN rozhran´ı jako LinCan, SocketCan, Peak Can (I/O karta) nebo virtuáln´ı rozhran´ı pomoc´ı soket˚u. • ./examples – pˇr´ıklady nˇekolika CANOpen aplikac´ı. • ./include – hlaviˇckové soubory ovladaˇcu˚ . • ./objdictgen – grafická aplikace pro interaktivn´ı generován´ı a editován´ı slovn´ıku zaˇr´ızen´ı. Jsou zde definovány konfiguraˇcn´ı soubory pro r˚uzné profily zaˇr´ızen´ı podle norem DS-4XX. • ./src – zdrojové kódy implementuj´ıc´ı funkcionalitu podle DS-301, jako manipulaci s objekty PDO, SDO, SYNC, NMT, EMCY atd. Poznámka: Bˇehem práce s CanFestivalem jsem rozˇs´ıˇril adresáˇre ./drivers a ./include o podadresáˇr ./h8s s podporou pro mikrokontrolér H8S a adresáˇr ./objdictgen/config o soubor konfiguruj´ıc´ı editor slovn´ıku zaˇr´ızen´ı podle návrhu normy DSP-402 (Motion Control Profile). Ovladaˇc pro mikroprocesor H8S/2638 a CanFestival je prac´ı Stanislava Marka, kterou zdokumentoval ve své diplomové práci [17]. S m´ırnými u´ pravami jsem tento ovladaˇc pˇrenesl do aktuáln´ı verze CanFestivalu a pouˇzil ve své práci.

2

Blokovou strukturu aplikace naznaˇcuje obrázek 4.2, který jsem pˇrevzal z dokumentace ke CanFestivalu [22]. Blok CAN Interface pˇredstavuje rozhran´ı sbˇernice CAN a je dáno pouˇzitým hardwarem (ovladaˇce jsou v adresáˇri ./drivers). V pˇr´ıpadˇe nasazen´ı na mikrokontroléru tento blok pˇredstavuje pˇr´ımo registry. Blok Target interface obsahuje funkce pro pˇr´ıstup k cˇ asovaˇcu˚ m operaˇcn´ıho systému a dalˇs´ım funkc´ım jádra OS. Knihovna CanFestival library obsahuje funkce pro práci s objekty CANOpen jako jsou PDO, SDO a NMT zprávy. V bloku Aplication uˇzivatel specifikuje vlastn´ı aplikaci a definuje callback funkce pro pˇr´ıstup ke slovn´ıku zaˇr´ızen´ı vygenerovaném aplikac´ı Objdictedit.

4.2. CANFESTIVAL

45

Obrázek 4.2: Blokové schéma aplikace a jej´ıch programových jednotek CanFestivalu

4.2.1

Vytvoˇren´ı slovn´ıku zaˇr´ızen´ı

Jak je ukázáno na obrázku 4.2, k sestaven´ı uˇzivatelské aplikace je nutné vytvoˇrit slovn´ık zaˇr´ızen´ı. Ten má kaˇzdá aplikace vlastn´ı a jeho obsah je specifický podle u´ kolu a budouc´ı funkce aplikace. K vytvoˇren´ı slovn´ıku je v projektu k dispozici grafická aplikace Objdictedit, napsaná v jazyce Python. Pomoc´ı n´ı lze interaktivnˇe sestavovat promˇenné slovn´ıku a definovat jejich poˇca´ teˇcn´ı hodnoty. Výstupem jsou vygenerovaný zdrojový soubor .c a hlaviˇckový soubor .h, které deklaruj´ı a definuj´ı poloˇzky slovn´ıku zaˇr´ızen´ı jako promˇenné v prostˇred´ı jazyka C a které se pˇrekládaj´ı spolu s výslednou aplikac´ı. Konfigurace programu Objdictedit pro r˚uzné profily zaˇr´ızen´ı se provád´ı pomoc´ı souboru *.prf v adresáˇri ./objdictgen/config. Pro profil ˇr´ızen´ı pohon˚u zde konfiguraˇcn´ı soubor nebyl, musel jsem ho vytvoˇrit. Struktura tˇechto konfiguraˇcn´ıch soubor˚u ovˇsem v dovolovala vytvoˇren´ı konfigurace pouze pro ˇr´ızen´ı jedné osy. Studiem zdrojového kódu jsem naˇsel definované, ale témˇeˇr nikde nepouˇzité promˇenné plurivar, plurirec a pluriarray, které pouˇzit´ı v´ıce os s urˇcitým omezen´ım dovol´ı. Bez dokumentace jsem musel zdlouhavˇe testovat, zda je pouˇzit´ı zm´ınˇených promˇenných moˇzné v zamýsˇleném rozsahu. V konfiguraˇcn´ım souboru je popsána kaˇzdá poloˇzka (index a subindexy) pomoc´ı skupiny parametr˚u. Jejich význam nen´ı popsán v zˇ a´ dné dokumentaci, proto se ho pokus´ım nast´ınit. Na poloˇzku se pak v programu odkazuje pomoc´ı jej´ıho indexu. Strukturu jedné poloˇzky v souboru

´ ˇ ´ CANOPEN 46KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM *.prf ukazuje následuj´ıc´ı pˇr´ıklad: 0x6000 : {"poloˇ zka1" : "parametr1", "poloˇ zka2" : "parametr2", "values" : [{"poloˇ zka01" : "parametr01", "poloˇ zka02" : "parametr02"}, {"poloˇ zka11" : "parametr11", "poloˇ zka12" : "parametr12"}]},

Tento pˇr´ıklad ukazuje konfiguraci pro index 6000h . V uvozovkách jsou uvedena jména poloˇzek popisuj´ıc´ı pˇr´ısluˇsný index poloˇ zka1, poloˇ zka2, atd. a jejich parametry parametr1, parametr2, atd. Subindex s cˇ´ıslem 0 je pak popsán na dalˇs´ım ˇra´ dku pomoc´ı poloˇ zka01, poloˇ zka02, atd. a k nim pˇr´ısluˇsných parametr˚u parametr01, parametr02, atd. Podobnˇe je popsán subindex 1 poloˇzkami a parametry oznaˇcenými ”11, 12, atd.”. Význam nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch parametr˚u je shrnut v následuj´ıc´ım seznamu. "name" – jméno poloˇzky indexu nebo subindexu, parametrem je ˇretˇezec znak˚u. "struct" – znaˇc´ı typ promˇenné na indexu, parametry jsou: • var – promˇenná jednoduchého typu, obsahuje pouze subindex 0, na kterém je uloˇzena vlastn´ı hodnota, • rec – strukturovaný typ s dynamickým poˇctem poloˇzek stejného typu1 , na subindexu 0 je poˇcet poloˇzek a na dalˇs´ıch subindexech jsou jednotlivé promˇenné, • array – strukturovaný typ s pevným poˇctem poloˇzek r˚uzného jednoduchého typu, opˇet na subindexu 0 je poˇcet poloˇzek a na dalˇs´ıch jsou jednotlivé promˇenné, • plurivar, plurirec, pluriarray – promˇenné typ˚u var, rec a array ovˇsem s moˇznost´ı definován´ı v´ıce index˚u jednoho konkrétn´ıho typu. Toto je vyuˇzito u konfigurace pro v´ıceosé zaˇr´ızen´ı, kde je shodná struktura indexu prvn´ı osy (napˇr. 6040h controlword), ale i dalˇs´ıch os (6840h , 7040h , ..). "incr" – inkrement, se kterým jsou do slovn´ıku pˇridávány indexy pro v´ıce os, v souboru DSP402-pxmc.prf je pouˇzita hodnota 800h , coˇz je offset mezi stejnými indexy jednotlivých os. "nbmax" – maximáln´ı moˇzný poˇcet index˚u stejné struktury, pouˇzita hodnota 8 – max. poˇcet os ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı. 1

V této definici se zdrojové kódy programu Objdictedit odchyluj´ı od standardn´ıho chápán´ı pojm˚u rec a

array.

4.2. CANFESTIVAL

47

"callback" – dovoluje cˇ i zakazuje registraci callback2 funkce k pˇr´ısluˇsnému indexu, parametry jsou True/False. "need" – udává, zda je pˇr´ıtomnost indexu ve slovn´ıku povinná nebo volitelná, parametry jsou True/False. "values" – parametrem je strukturovaná definice subindex˚u, viz pˇr´ıklad výsˇe. "type " – udává typ promˇenné na subindexu, parametry jsou kódy v rozsahu 0h aˇz 25Fh , jejichˇz definice je uvedena ve specifikaci DS-301 [12]. "acces" – povoluje pˇr´ıstup k promˇenné, parametry jsou ’ro’=read only, ’wo’=write only, ’rw’=read/write. "default" – nastavuje poˇca´ teˇcn´ı hodnotu promˇenné. "pdo" – povoluje mapován´ı do PDO zpráv, parametry jsou True/False. Konfiguraˇcn´ı soubor obsahuje jeˇstˇe poloˇzku se jménem AddMenuEntries, pomoc´ı které se dá editovat do záloˇzky Add na nástrojové liˇstˇe aplikace Objdictedit libovolná poloˇzka. Na kliknut´ı se pˇridaj´ı pˇredem definované skupiny index˚u ze souboru *.prf. Následuj´ıc´ı pˇr´ıklad ukazuje syntaxi, jak ji lze uvést do konfiguraˇcn´ıho souboru. AddMenuEntries = [("Poloˇ zka1",[0x6000, 0x6001, 0x6002]), zka2",[0x6100, 0x6101, 0x6102, 0x6103, 0x6104])] ("Poloˇ

Tenoto pˇr´ıklad pˇridává do menu Add dvˇe poloˇzky s názvy Poloˇ zka1 a Poloˇ zka2. Pˇri kliknut´ı na Poloˇzku1 se pˇridaj´ı do slovn´ıku indexy 6000h aˇz 6002h . Pˇri opˇetovném kliknut´ı se do slovn´ıku pˇridaj´ı indexy dalˇs´ı, tentokrát v rozsahu 6800h aˇz 6802h , ale jenom pokud jsou indexy 6000h aˇz 6002h definovány typu plurivar, pluriarray nebo plurirec s parametrem "incr":0x800. Pro poloˇzku2 to plat´ı podobnˇe. T´ımto zp˚usobem je doc´ıleno pˇridáván´ı index˚u slovn´ıku zaˇr´ızen´ı dalˇs´ıch ˇr´ızených os aˇz do poˇctu 8. Indexy jsou uvedeny pouze jako pˇr´ıklad, tyto uvedené nemus´ı být v˚ubec normou definovány. Poznámka: Soubor DSP402-pxmc.prf neobsahuje vˇsechny indexy definované návrhem normy DSP-402, ale jenom ty, které jsou pouˇzity pˇri ˇr´ızen´ı pomoc´ı knihovny PXMC. D˚uvod je ten, zˇ e se pˇri pˇridán´ı osy do slovn´ıku pomoc´ı Add→Axle in PXMC pˇridaj´ı vˇsechny indexy definované v poloˇzce souboru AddMenuEntries a vˇetˇsina index˚u by pak v programu nebyla 2

Callback je souhrnný název pro funkce volané po zápisu hodnoty na urˇcitý index slovn´ıku za. K vˇetˇsinˇe

index˚u ve slovn´ıku lze registrovat nˇejakou callback funkci.


Obrázek 4.3: Vytvoˇren´ı nového slovn´ıku zaˇr´ızen´ı v programu Objdictedit

vyuˇzita. S ohledem na pouˇzit´ı v mikrokontrolérech se tak sˇetˇr´ı pamˇet’ový prostor. Pokud by nˇekdo potˇreboval urˇcitý index do slovn´ıku pro práci se zmiˇnovaným profilem pˇridat, m˚uzˇ e jej pˇripsat do konfiguraˇcn´ıho souboru podle výsˇe zm´ınˇeného návodu. V adresáˇri ./objdictgen/config je jeˇstˇe soubor DSP-402.prf, ve kterém jsem definoval vˇsechny indexy podle DSP-402. Struktura tohoto konfiguraˇcn´ıho souboru se ovˇsem drˇz´ı filosofie CanFestivalu a nen´ı zde moˇzné definovat v´ıce os.

2

Ukaˇzme si jeˇstˇe postup, jakým lze vytvoˇrit slovn´ık zaˇr´ızen´ı pro PXMC, napˇr´ıklad se tˇremi osami. Popis funkc´ı programu Objdictedit je v [22], já ze detailnˇeji pop´ısˇi pouze kroky specifické pro práci s konfigurac´ı pomoc´ı souboru DSP402-pxmc.prf. 1. Vytvoˇr´ıme slovn´ık nového uzlu. Nastav´ıme jeho u´ lohu v s´ıti jako NMT Master nebo NMT Slave. Zadáme jméno, podle kterého se budeme na vygenerovaný slovn´ık odkazovat ze zdrojového kódu aplikace. Vybereme profil DSP402-pxmc. Lze nastavit jeˇstˇe dalˇs´ı parametry jako generován´ı SYNC zpráv nebo management s´ıtˇe. Klikneme OK. Okno aplikace je na obrázku 4.3. 2. Pro vytvoˇren´ı tˇrech skupin index˚u pro tˇri osy klikneme v menu Add tˇrikrát na poloˇzku Axle in PXMC a potom tˇrikrát na poloˇzku Multiaxle PDOs. V levém sloupci okna apli-

4.2. CANFESTIVAL

49

Obrázek 4.4: Nastaven´ı poˇca´ teˇcn´ıch hodnot nového slovn´ıku zaˇr´ızen´ı v programu Objdictedit

kace se pˇr´ı výbˇeru sekce Standardized Device Profile objev´ı jména index˚u zaˇc´ınaj´ıc´ı Axle0, Axle1, Axle2. Stejnˇe tak se v rozsahu index˚u 1400h aˇz 1BFFh urˇcuj´ıc´ıch vlastnosti PDO objekt˚u objev´ı promˇenné s názvy zaˇc´ınaj´ıc´ımi Axle0, Axle1, Axle2. 3. Pomoc´ı aplikace lze vˇsechny indexy a subindexy procházet a nastavit napˇr´ıklad jejich poˇca´ teˇcn´ı hodnoty. Ukazuje to obrázek 4.4. 4. Vygenerován´ı *.c a *.h souboru provedeme v menu File→Build dictionary nebo klávesami Ctrl+B. Dialogové okno aplikace je na obrázku 4.5. Poznámka: V pr˚ubˇehu implementace jsem narazil na problémy s názvy promˇenných ve vygenerovaných zdrojových souborech. P˚uvodnˇe jsem totiˇz nepˇredpokládal, zˇ e nebudu muset zasahovat do zdrojových skript˚u programu Objdictedit. Pˇri rozˇs´ıˇren´ı moˇznosti konfigurace pro v´ıceosé zaˇr´ızen´ı vznikl problém s v´ıcenásobnou deklarac´ı promˇenné se stejným jménem. Napˇr. controlword osy 1 bylo pojmenováno shodnˇe jako controlword osy 0 a vznikl konflikt pro pˇrekladaˇc. Jediným moˇzným ˇreˇsen´ım byl zásah do zdrojového kódu programu Objdicedit, pˇresnˇeji do souboru gen cfile.py. Pro zachován´ı výsˇe popsané funkcionality pro v´ıceosá zaˇr´ızen´ı je bohuˇzel nutné pouˇz´ıt program pˇriloˇzený na CD nebo z repositáˇre tohoto projektu na serveru [2]. O zaˇclenˇen´ı u´ pravy do projektu CanFestival budu jednat s týmem vývojáˇru˚ .

2


Obrázek 4.5: Vygenerován´ı zdrojových soubor˚u nového slovn´ıku zaˇr´ızen´ı v programu Objdictedit

4.3

Popis funkce ukázkových aplikac´ı

Programy a funkce popsané v této kapitole umoˇznˇ uj´ı pˇredáván´ı dat pro ˇr´ızen´ı pohon˚u prostˇrednictv´ım CANOpen. K vlastn´ı komunikaci a práci se slovn´ıkem zaˇr´ızen´ı je pouˇzit projekt CanFestival, popsaný v sekci 4.2. Doplnˇeny pak byly funkce pro ˇr´ızen´ı pohon˚u, pracuj´ıc´ı podle specifikace DS-402. Byla vytvoˇrena aplikace pro uzel master, který konfiguruje podˇr´ızené uzly slave a který pˇr´ımo komunikuje s uˇzivatelem. Vlastn´ı zpˇetnovazebn´ı ˇr´ızen´ı kaˇzdé osy ze soustavy pohon˚u se provád´ı prostˇrednictv´ım PXMC v uzlech slave, kde je implementováno taktézˇ rozhran´ı CANOpen s profilem pro ˇr´ızen´ı pohon˚u. Celá filosofie ˇr´ızen´ı je zaloˇzena na modelu master/slave. Uzel master, jak se o nˇem hovoˇr´ı v této kapitole, je v programu reprezentován ukázkovou aplikac´ı cf mcp master demo. Ta je urˇcena pro operaˇcn´ı systém Linux a je j´ı moˇzno spustit napˇr. na PC nebo na ˇr´ıd´ıc´ım poˇc´ıtaˇci MPC5200. Uzel master uvede po spuˇstˇen´ı vˇsechny uzly slave do komunikaˇcn´ıho stavu OPERATIONAL a poté v terminálu komunikuje s operátorem pomoc´ı pˇr´ıkaz˚u popsaných v sekci 4.5 a chybových cˇ i informaˇcn´ıch hlásˇen´ı. Jednotlivé uzly slave reprezentuje aplikace cf mcp pxmc demo, urˇcená zejména pro mikrokontrolér H8S/2638, ale kterou lze d´ıky moˇznostem OMK pˇreloˇzit tˇreba pro u´ cˇ ely ladˇen´ı i pro jinou platformu, napˇr. OS Linux. Aplikace uzlu slave obsahuje funkce z knihovny PXMC a pˇr´ımo provád´ı ˇr´ızen´ı motor˚u podle zˇ a´ daných hodnot pˇricházej´ıc´ıch z uzlu master, tedy pomoc´ı CANOpen komunikace a jej´ıho standardizovaného profilu. Pro zjiˇstˇen´ı pˇr´ıpadné poruchy komunikace uzlu slave je pouˇzit tzv. Heartbeat Protocol. Uzel master nastav´ı ve fázi inicializace kaˇzdému uzlu slave periodu, se kterou odes´ılá do s´ıtˇe NMT zprávu informuj´ıc´ı o aktuáln´ım komunikaˇcn´ım stavu. Na uzlu master je perioda pˇr´ıchoz´ıch NMT zpráv od kaˇzdého uzlu slave kontrolována a pˇri pˇrekroˇcen´ı cˇ asového limitu se generuje chybové hlásˇen´ı. Kaˇzdý uzel v s´ıti má sv˚uj slovn´ık zaˇr´ızen´ı. Jak je popsáno v [10], slovn´ık zaˇr´ızen´ı m˚uzˇ e

´ ´ 4.3. POPIS FUNKCE UKAZKOV YCH APLIKACI´

51

v oblasti vyhrazené pro standardizovaný profil nést informace o maximálnˇe osmi rˇ´ızených osách. Tato skuteˇcnost trochu omezuje variabilitu s´ıtˇe, nebot’ jeden uzel master m˚uzˇ e ˇr´ıdit maximálnˇe 8 os, rozdˇelených libovolnˇe na nˇekolika uzlech slave. Jeden mezn´ı pˇr´ıpad m˚uzˇ e být takový, zˇ e je ˇr´ızeno vˇsech 8 os z jednoho uzlu master prostˇrednictv´ım jednoho uzlu slave. PXMC umoˇznˇ uje ˇr´ızen´ı teoreticky neomezeného poˇctu motor˚u, ale ve skuteˇcnosti jsme omezeni moˇznostmi hardwaru a poˇctem výkonových budiˇcu˚ pro motory. Pˇrirozenˇe, zˇ e pouˇzitý mikrokontrolér má omezený výpoˇcetn´ı výkon. Druhý mezn´ı pˇr´ıpad konfigurace s´ıtˇe je existence osmi uzl˚u slave, kde kaˇzdý ˇr´ıd´ı jednu osu. Obecný pˇr´ıklad konfigurace s´ıtˇe je na obrázku 4.6. Je zde naznaˇceno, zˇ e promˇenné slovn´ıku zaˇr´ızen´ı kaˇzdé osy na uzlu slave jsou aktualizovány pomoc´ı PDO zpráv do kopie cˇ a´ sti slovn´ıku na uzlu master. T´ımto zp˚usobem je zajiˇstˇeno, zˇ e operátor nebo nadˇrazená aplikace má k dispozici aktuáln´ı data o kaˇzdém z ˇr´ızených pohon˚u. Perioda aktualizace je rovna periodˇe pos´ılán´ı PDO zpráv, jejichˇz odes´ılán´ı je ˇr´ızeno z uzlu master pomoc´ı synchronizaˇcn´ıch objekt˚u (SYNC). Perioda odes´ılán´ı SYNC objekt˚u je na uzlu master nastavena na indexu 1006h (communication cycle period) a zadává se v mikrosekundách. Reálnˇe dosaˇzitelná perioda je v rozsahu mezi des´ıtkami a stovkami milisekund. Záleˇz´ı to na mnoˇzstv´ı operac´ı, které se kaˇzdou periodu mus´ı vykonat. Konfigurace s´ıtˇe se provád´ı pˇred spuˇstˇen´ım komunikace staticky pomoc´ı sestaven´ı a naplnˇen´ı pˇr´ısluˇsné datové struktury na uzlu master. Ten jediný má pak informace o poˇctu a nastaven´ı uzl˚u slave, které komunikuj´ı pouze se svým uzlem master, nikoliv mezi sebou. Statické datové pole pro pˇr´ıklad s´ıtˇe uvedené na obrázku 4.6 je ve zdrojovém kódu definováno následovnˇe. mcp_node_t mcp_nodes[]= { {.node_ID=3,.number_of_axles=2}, {.node_ID=7,.number_of_axles=1}, {.node_ID=15,.number_of_axles=3}, {.node_ID=4,.number_of_axles=2}}; mcp_node_arr_t mcp_node_arr = { mcp_nodes:mcp_nodes, length:FIELD_ELEMS(mcp_nodes)};

Volba identifikátor˚u jednotlivých uzl˚u je libovolná, kaˇzdý mus´ı být ovˇsem unikátn´ı. V popisovaných aplikac´ıch se identifikátor zat´ım nastavuje staticky jiˇz v dobˇe pˇrekladu aplikace. Konfigurace s´ıtˇe je tak plnˇe v rukou programátora. Pokud by byly uzly vybaveny extern´ımi pˇrep´ınaˇci na portu mikroprocesoru, dalo by se nastaven´ı jejich identifikátor˚u provést i bez nut-


Obrázek 4.6: Data ˇr´ızených os ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı uzlu Master a v uzlech Slave

nosti nového pˇrekladu aplikace, jak tomu bývá u pr˚umyslových modul˚u se sbˇernic´ı CAN. Uzel slave mus´ı podle specifikace pro kaˇzdou ˇr´ızenou osu implementovat stavový automat. Jeho stavy a pˇrechody stav˚u jsou popsány v 3.5.3 a na obrázku 3.11. Uzel master uchovává informace o aktuáln´ım stavu kaˇzdé osy pomoc´ı podobného stavového automatu, se stejným poˇctem stav˚u i pˇrechod˚u, ovˇsem s jinými vazbami na vnitˇrn´ı události. Pokud si napˇr´ıklad operátor pˇreje zmˇenu aktuáln´ıho stavu libovolné osy pohonu, zadá poˇzadavek na pˇrepnut´ı stavu napˇr´ıklad pomoc´ı pˇr´ıkazového rozhran´ı. Prostˇrednictv´ım ˇr´ıd´ıc´ıho slova (controlword) se v PDO zprávˇe pˇrenese poˇzadavek na pˇr´ısluˇsný uzel slave. Automaticky se vyvolá callback na zápis nového ˇr´ıd´ıc´ıho slova do slovn´ıku zaˇr´ızen´ı a pokud to vnitˇrn´ı podm´ınky v pohonu dovoluj´ı, provede se pˇrechod do nového stavu a s n´ım spojené u´ kony. Zmˇena stavu vyvolá i zápis pˇr´ısluˇsných bit˚u ve stavovém slovˇe. To je prostˇrednictv´ım PDO zpráv odes´ıláno na uzel master, kde se podobnˇe vyvolá callback na zápis nového stavového slova do slovn´ıku zaˇr´ızen´ı. Zavolaná funkce provede zmˇenu aktuáln´ıho stavu automatu podle informace uloˇzené ve stavovém slovˇe. Viz obrázek 4.7. Pokud nový aktuáln´ı stav stále jeˇstˇe nen´ı t´ım c´ılovým, vyvolá se automaticky znovu poˇzadavek na pˇrechod stavu prostˇrednictv´ım nového ˇr´ıd´ıc´ıho slova. V rámci jednoho zde popsaného cyklu se provede pouze jeden pˇrechod. Tento cyklus se opakuje do té doby, kdy je dosaˇzeno zˇ a´ daného c´ılového stavu.

´ ´ 4.3. POPIS FUNKCE UKAZKOV YCH APLIKACI´

53

Obrázek 4.7: Vázané stavové automaty pohonu os na uzlu Master a Slave

M˚uzˇ e se vˇsak stát, zˇ e nˇejaká podm´ınka pˇrechodu nen´ı na uzlu slave splnˇena a c´ılový stav tak nem˚uzˇ e být dosaˇzen. Z toho d˚uvodu je pˇri zadán´ı pˇr´ıkazu v pˇr´ıkazovém rozhran´ı zaloˇzeno vlákno, které zadaný poˇzadavek pˇredá do niˇzsˇ´ıch vrstev komunikace a na urˇcitou dobu se usp´ı. Po vyprˇsen´ı cˇ asového intervalu odvozeného od periody pos´ılán´ı PDO zpráv se kontroluje dosaˇzen´ı zˇ a´ daného stavu. Nen´ı-li tento stav dosaˇzen, je vygenerováno chybové hlásˇen´ı. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe vlákno obsluhuj´ıc´ı vykonán´ı zˇ a´ daného pˇr´ıkazu zaniká. I ostatn´ı pˇr´ıkazy, které budou popsány v sekci 4.5 obsluhuj´ı cˇ asovaná vlákna. Správné proveden´ı pˇr´ıkazu je po krátké dobˇe kontrolováno a v pˇr´ıpadˇe neúspˇechu je v terminálu aplikace indikována chyba. Poznámka: Zp˚usob zadáván´ı ˇr´ıd´ıc´ıch pˇr´ıkaz˚u a kontrolován´ı jejich u´ spˇesˇného proveden´ı lze implementovat jako cˇ istˇe událostmi ˇr´ızený systém. Norma DS-402 nepˇredepisuje zp˚usob, jakým ˇreˇsit chybové situace. Dává vˇsak k dispozici pˇreddefinované objekty EMCY, slouˇz´ıc´ı k hlásˇen´ı chybových událost´ı pomoc´ı cˇ´ıselných kód˚u chyb, které nastaly. Z d˚uvodu pomˇernˇe rozsáhlého zp˚usobu ˇreˇsen´ı chybových situac´ı, jsem se jiˇz k implementaci tˇechto metod z cˇ asových d˚uvod˚u ˇ sen´ı v podobˇe pouˇzit´ı cˇ asových interval˚u pro kontrolu správného proveden´ı u´ konu nedostal. Reˇ nenahrazuje plnˇe definovanou funkcionalitu a neumoˇznˇ uje jednoduˇse zjistit pˇr´ıcˇ inu chyby. 2 Pˇrechod stavu pohonu m˚uzˇ e být vyvolán i bez pˇr´ıkazu z ˇr´ıd´ıc´ıho slova nˇejakou samostatnou vnitˇrn´ı událost´ı. I v tomto pˇr´ıpadˇe se provede automaticky zápis nového stavového slova a PDO zprávou se dostane informace na uzel master, kde je pˇr´ısluˇsný stav také aktualizován. Výsˇe popsaná funkce je graficky zobrazena na obrázku 4.7.

´ ˇ ´ CANOPEN 54KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM V souˇcasné dobˇe je implementován periodický pˇrenos cˇ tyˇr vys´ılaných a cˇ tyˇr pˇrij´ımaných PDO zpráv, v tabulkách 3.5 a 3.6 znaˇcených cˇ´ısly 1 aˇz 4. Perioda vys´ılán´ı je ˇr´ızena periodou objekt˚u SYNC. V CanFestivalu je pouˇzit´ı libovolné promˇenné na pˇr´ısluˇsném indexu slovn´ıku zaˇr´ızen´ı nutné deklarovat jiˇz pˇri jeho sestavován´ı, napˇr. pomoc´ı programu Objdictedit. Za bˇehu programu je moˇzné poloˇzky slovn´ıku mˇenit vˇcetnˇe jejich parametr˚u, nen´ı jiˇz vˇsak moˇzno jednoduˇse nové poloˇzky pˇridávat. Poˇcet zm´ınˇených PDO zpráv je tedy urˇcen jiˇz v dobˇe pˇrekladu programu a nen´ı ho moˇzné za bˇehu mˇenit. Zvolil jsem proto pouˇzit´ı osmi zm´ınˇených PDO zpráv pro dva implementované módy ˇr´ızen´ı pozice a rychlosti. Po startu zaˇr´ızen´ı, jeˇstˇe pˇred zapoˇcet´ım komunikace po sbˇernici, se ve vˇsech uzlech provede inicializace parametr˚u PDO zpráv. Parametry PDO zpráv (ne jiˇz poˇcet zpráv) je pak jiˇz moˇzno mˇenit napˇr. SDO zprávami nebo pˇr´ımo z lokáln´ı aplikace. Poznámka: V pr˚ubˇehu implementace jsem zjistil, zˇ e pouˇzitý software projektu CanFestival mapován´ı PDO zpráv s offsetem 40h neumoˇznˇ uje. Byl proto zvolen v implementaci plovouc´ı offset o poˇctu mapovaných zpráv kaˇzdé osy. Funkce CanFestivalu odes´ılaj´ıc´ı a pˇrij´ımaj´ıc´ı zprávy zaˇc´ıná mapovat na indexu 1400h resp. 1800h , ale v cyklu inkrementuje indexy o jedniˇcku aˇz do poˇctu vˇsech mapovaných zpráv. PDO zprávy mapované na indexech 1440h resp. 1840h a dále jiˇz nenacház´ı. V tomto smˇeru jsem se musel odchýlit od specifikace DS-402. Zp˚usob mapován´ı v mé aplikaci je moˇzné mˇenit nastaven´ım pˇreddefinovaných konstant v hlaviˇckovém 2

souboru.

4.4

Popis zdrojových souboru˚

Zdrojové kódy funkc´ı a aplikac´ı jsou rozdˇeleny do tˇr´ı adresáˇru˚ s následuj´ıc´ımi soubory. Soubory Makefile a Makefile.omk slouˇz´ı ke konfiguraci kompilaˇcn´ıho systému OMK. V souboru Makefile.omk je uvedeno, které zdrojové soubory a knihovny budou pouˇzity k pˇrekladu aplikace nebo modulu. V následuj´ıc´ıch nˇekolika sekc´ıch je ve struˇcnosti pˇribl´ızˇ en obsah zdrojových soubor˚u ukázkových aplikac´ı. Podrobnˇejˇs´ı komentáˇre jsou pˇr´ımo v souborech. ./cf-common/ Makefile Makefile.omk cf_mcp_common_DS3O1.h cf_mcp_common_DSP402.h cf_mcp_common_def.h

´ 4.4. POPIS ZDROJOVYCH SOUBORU˚

55

cf_mcp_common_fcn.h cf_mcp_common_fcn.c cf_mcp_common_struct.h ./cf-master/ Makefile Makefile.omk cf_mcp_master_cmd.c cf_mcp_master_def.h cf_mcp_master_demo.c cf_mcp_master_fcn.c cf_mcp_master_fsm.c cf_mcp_master_objdict.od cf_mcp_master_objdict.c cf_mcp_master_objdict.h ./cf-pxmc/ Makefile Makefile.omk cf_mcp_pxmc_def.h cf_mcp_pxmc_demo.c cf_mcp_pxmc_fcn.c cf_mcp_pxmc_fsm.c cf_mcp_pxmc_objdict.od cf_mcp_pxmc_objdict.c cf_mcp_pxmc_objdict.h

4.4.1

Adresárˇ cf-common

4.4.1.1

Soubor cf mcp common DS3O1.h

Obsahuje definice maker pro práci s parametry a mapován´ım PDO zpráv.

4.4.1.2

Soubor cf mcp common DSP402.h

Zde jsou uvedena makra poˇc´ıtaj´ıc´ı hodnotu indexu promˇenné z jej´ıho názvu uvedeného ve specifikaci DSP-402 a cˇ´ısla osy od 0 do 7. Ve výpoˇctu se uvaˇzuje offset stejnojmenných index˚u dvou os 800h a výsledkem je hodnota indexu v rozsahu urˇceném pro standardizovaný profil zaˇr´ızen´ı (Standardized Device Profile).

´ ˇ ´ CANOPEN 56KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM 4.4.1.3

Soubor cf mcp common def.h

Obsahuje definici maker pro práci s ˇr´ıd´ıc´ı a stavovou promˇennou pˇrep´ınaˇce operaˇcn´ıch mód˚u (Profile Position Mode, Profile Velocity Mode, atd). Dále jsou zde makra pro práci s ˇr´ıd´ıc´ım slovem (controlword) a stavovým slovem zaˇr´ızen´ı (Statusword). Stavová a ˇr´ıd´ıc´ı slova jednotlivých os se cˇ tou a nastavuj´ı pomoc´ı bitových masek, které jsou zde definovány.

4.4.1.4

Soubor cf mcp common fcn.h

Obsahuje hlaviˇcky funkc´ı definovaných v souboru cf mcp common fcn.c.

4.4.1.5

Soubor cf mcp common fcn.c

Zde jsou definovány funkce pouˇzité jak v souborech pro uzel master, tak v souborech pro uzel slave (pojmenovány cf mcp pxmc *).

4.4.1.6

Soubor cf mcp common struct.h

Deklaruje stavy stavového automatu ve výcˇ tovém typu enum mcp axle state. Dále deklaruje strukturu struct mcp axle s ukazateli na cˇ asto pouˇz´ıvané promˇenné kaˇzdé z os. Je zde také promˇenná nesouc´ı aktuáln´ı stav pohonu.

4.4.2

Adresárˇ cf-master

4.4.2.1

Soubor cf mcp master cmd.c

Obsahuje funkce volané pˇr´ıkazovým rozhran´ım po zadán´ı pˇr´ıkazu v terminálu programu cf mcp master demo.

4.4.2.2

Soubor cf mcp master def.h

Obsahuje hlaviˇcky funkc´ı definovaných v souboru cf mcp master fcn.c.

4.4.2.3

Soubor cf mcp master demo.c

Obsahuje funkci main a definici globáln´ıch promˇenných programu cf mcp master demo.

´ 4.4. POPIS ZDROJOVYCH SOUBORU˚ 4.4.2.4

57

Soubor cf mcp master fcn.c

Definuje funkce pouˇzité v programu cf mcp master demo. Jsou to napˇr´ıklad callback funkce nˇekterých poloˇzek slovn´ıku zaˇr´ızen´ı volané automaticky CanFestivalem po zápisu na pˇr´ısluˇsnou poloˇzku. 4.4.2.5

Soubor cf mcp master fsm.c

Zde je definována funkce obsluhuj´ıc´ı stavový automat na uzlu master. Ta pˇrep´ıná stav stavového automatu osy podle aktuáln´ıho stavu a splnˇených podm´ınek pˇrechodu. 4.4.2.6

Soubor cf mcp master objdict.od

Obsahuje vˇsechny poloˇzky slovn´ıku zaˇr´ızen´ı pro uzel master. Data jsou uloˇzena ve formátu XML a soubor je moˇzné kdykoliv naˇc´ıst programem Objdictedit a provést zmˇeny. Pro demonstraci programem cf mcp master demo jsou ve slovn´ıku definovány dvˇe osy vˇcetnˇe nastaven´ı PDO zpráv. 4.4.2.7

Soubor cf mcp master objdict.c

Definice promˇenných slovn´ıku zaˇr´ızen´ı po automatickém vygenerován´ı programem Objdictedit. 4.4.2.8

Soubor cf mcp master objdict.h

Deklarace promˇenných slovn´ıku zaˇr´ızen´ı po automatickém vygenerován´ı programem Objdictedit.

4.4.3

Adresárˇ cf-pxmc

4.4.3.1

Soubor cf mcp pxmc def.h

Tento soubor obsahuje hlaviˇcky funkc´ı definovaných v souborech cf mcp pxmc fsm.c a cf mcp pxmc fcn.c. 4.4.3.2

Soubor cf mcp pxmc fcn.c

Obsahuje funkce volané z aplikace cf mcp pxmc demo. Jedná se zejména o callback funkce poloˇzek slovn´ıku zaˇr´ızen´ı, které maj´ı vazbu na práci s PXMC knihovnou.

´ ˇ ´ CANOPEN 58KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM 4.4.3.3

Soubor cf mcp pxmc demo.c

Obsahuje funkci main demonstraˇcn´ıho programu cf mcp pxmc demo. Pomoc´ı direktiv pˇrekladaˇce lze volit pˇreklad pro mikroprocesor H8S nebo pro Linux.

4.4.3.4

Soubor cf mcp pxmc fsm.c

Obsahuje funkci obsluhuj´ıc´ı stavový automat kaˇzdé osy na uzlu slave. Stavy a jejich pˇrechody jsou vázány pomoc´ı stavového a ˇr´ıd´ıc´ıho slova se stavy odpov´ıdaj´ıc´ıho stavového automatu na zaˇr´ızen´ı master.

4.4.3.5

Soubor cf mcp pxmc objdict.od

Obsahuje poloˇzky slovn´ıku zaˇr´ızen´ı uzlu slave ve formátu XML, podobnˇe jako u uzlu master.

4.4.3.6

Soubor cf mcp pxmc objdict.c

Definice promˇenných slovn´ıku zaˇr´ızen´ı po automatickém vygenerován´ı programem Objdictedit.

4.4.3.7

Soubor cf mcp pxmc objdict.h

Deklarace promˇenných slovn´ıku zaˇr´ızen´ı po automatickém vygenerován´ı programem Objdictedit.

4.5

Pˇr´ıkazy terminálu demonstraˇcn´ıho programu

Pro demonstraci funkce ˇr´ızen´ı pohon˚u byly vytvoˇreny nové pˇr´ıkazy do pˇrevzatého pˇr´ıkazoˇ ast zdrojových kód˚u rozhran´ı, pouˇzitá filosofie urˇcuj´ıc´ı formát pˇr´ıkaz˚u a zp˚usob vého rozhran´ı. C´ jejich zpracován´ı, byla pˇrevzata od firmy PiKRON, která t´ımto zp˚usobem dovoluje ovládat svoje jednotky pro ˇr´ızen´ı malých robot˚u. Podrobnˇe je formát pˇr´ıkaz˚u popsán napˇr´ıklad v manuálu k jednotce MARS 2 [19]. Pˇr´ıkaz se skládá ze jména, operaˇcn´ıho znaku a parametr˚u. Jednotlivé cˇ a´ sti mohou dˇelit mezery. Formát pˇr´ıkaz˚u je následuj´ıc´ı.

ˇ IHO ´ ´ ´ 4.5. PRˇ IKAZY TERMINALU DEMONSTRACN PROGRAMU

59

Jméno je libovolná kombinace p´ısmen a cˇ´ıslic zaˇc´ınaj´ıc´ı p´ısmenem. Pˇr´ıkazy se vztahuj´ı k jednotlivým ˇr´ızeným osám pomoc´ı posledn´ıho p´ısmena pˇr´ıkazu v rozsahu A (pro osu 0) aˇz H (pro osu 7). Tato pozice je dále oznaˇcována p´ısmenem ’m’. Operaˇcn´ı znak urˇcuje, jedná-li se o nastaven´ı hodnoty (’:’) nebo o cˇ ten´ı hodnoty (’?’). Parametr m˚uzˇ e být v souˇcasné dobˇe pouze celé cˇ´ıslo. Záporné cˇ´ıslo zaˇc´ıná znakem ’-’. Následuj´ıc´ı seznam obsahuje implementované pˇr´ıkazy. Znak ’/’ ukazuje na moˇznost pouˇzit´ı obou typ˚u operaˇcn´ıch znak˚u (’:’,’?’). • HELP – vyp´ısˇe seznam definovaných pˇr´ıkaz˚u s jejich krátkým popisem • ONm: – parametr nen´ı, uvede ˇr´ızen´ı zadané osy m do stavu OperationEnable • OFFm: – parametr nen´ı, uvede ˇr´ızen´ı zadané osy m do stavu SwitchOnDisabled • Gm: – parametr -2147483647 aˇz 2147483648, pˇrepne osu m na operaˇcn´ı mód profilovaného ˇr´ızen´ı pozice a najede na pozici zadanou v aktuáln´ıch jednotkách • APm? – parametr nen´ı, vyp´ısˇe aktuáln´ı pozici osy m v aktuáln´ıch jednotkách • MSm:/? – nastav´ı/vyp´ısˇe se maximáln´ı pˇrejezdovou rychlost v [jednotka pozice/s] osy m, parametr v rozsahu 0 aˇz 4294967296 • MAm:/? – nastav´ı/vyp´ısˇe se maximáln´ı zrychlen´ı v [jednotka pozice/s2 ] osy m, parametr v rozsahu 0 aˇz 4294967296 • SPDm: – parametr -2147483647 aˇz 2147483648, pˇrepne osu m na operaˇcn´ı mód profilovaného ˇr´ızen´ı rychlosti a uvede pohon do pohybu s rychlost´ı zadanou v aktuáln´ıch jednotkách • STOPm: – provede okamˇzité zastaven´ı pohonu osy m v libovolném operaˇcn´ım módu • PFm:/? – vstupem jsou dva parametry v rozsahu 1 aˇz 4294967296, parametry pˇrevodn´ı konstanty mezi aktuáln´ımi jednotkami pozice a vnitˇrn´ımi jednotkami pohonu osy m, prvn´ı parametr je cˇ itatel druhý jmenovatel konstanty v podobˇe zlomku, s operaˇcn´ım znakem ’?’ se vyp´ısˇe aktuáln´ı nastaven´ı • VFm:/? – vstupem jsou dva parametry v rozsahu 1 aˇz 4294967296, parametry pˇrevodn´ı konstanty mezi aktuáln´ımi jednotkami rychlosti a vnitˇrn´ımi jednotkami pohonu osy m, prvn´ı parametr je cˇ itatel druhý jmenovatel konstanty v podobˇe zlomku, s operaˇcn´ım znakem ’?’ se vyp´ısˇe aktuáln´ı nastaven´ı

´ ˇ ´ CANOPEN 60KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM • AFm:/? – vstupem jsou dva parametry v rozsahu 1 aˇz 4294967296, parametry pˇrevodn´ı konstanty mezi aktuáln´ımi jednotkami zrychlen´ı a vnitˇrn´ımi jednotkami pohonu osy m, prvn´ı parametr je cˇ itatel druhý jmenovatel konstanty v podobˇe zlomku, s operaˇcn´ım znakem ’?’ se vyp´ısˇe aktuáln´ı nastaven´ı Poznámka: Pˇr´ıkazy PF, VF a AF nastavuj´ı pˇrevodn´ı konstanty popisované v sekci 3.5.4 a reprezentované ve formˇe racionáln´ıch cˇ´ısel. Rozdˇelen´ı pˇrevodn´ıch konstant na zlomek, umoˇznˇ uje v prostˇred´ı celých cˇ´ısel zmenˇsit chyby zaokrouhlován´ı pˇri pˇrevodu mezi jednotkami zadávaných veliˇcin a vnitˇrn´ımi jednotkami pohonu (zde napˇr. jednotkami pouˇz´ıvanými v PXMC). Nevhodnou volbou zadávaných jednotek a z toho vyplývaj´ıc´ı volbou pˇrevodn´ı konstanty zde ale pˇresto k velkým zaokrouhlovac´ım chybám m˚uzˇ e doj´ıt. Je vhodné volit jednotky zadávaných veliˇcin tak, aby byl optimálnˇe vyuˇzit rozsah zadávaných celých cˇ´ısel. Zde popisovaný pˇrepoˇcet veliˇcin se provád´ı na mikroprocesoru H8S/2638 a pˇrevodn´ı konstanty jsou uloˇzeny ve slovn´ıku zaˇr´ızen´ı jednotky slave.

4.6

2

Spuˇstˇen´ı testovac´ı aplikace

V této sekci je popsán postup, jakým lze pˇreloˇzit a spustit výsˇe uvedené aplikace pro demonstraci CANOpen a Motion Control Profilu. Souˇca´ st´ı PXMC je pro u´ cˇ ely demonstrace a ladˇen´ı k dispozici simulátor knihovny PXMC v prostˇred´ı OS Linux. Funkce simulátoru je z velké cˇ a´ sti shodná s funkc´ı aplikace spuˇstˇené na mikrokontroléru (napˇr. H8S/2638). Hardwarové cˇ asovaˇce jsou nahrazeny cˇ asovaˇci OS Linux a ˇr´ıd´ıc´ı zásahy regulátor˚u nep˚usob´ı na fyzický motor, ale jsou prostˇrednictv´ım socketu pˇredávány grafické aplikaci. T´ımto zp˚usobem je moˇzné pro dva ˇr´ızené zobrazit aktuáln´ı polohu (pxms ap), aktuáln´ı rychlost (pxms as), akˇcn´ı zásah regulátoru (pxms ene) a indikovat otácˇ en´ı rotoru pomoc´ı rotuj´ıc´ı sˇipky. Dialogové okno aplikace simulátoru pxmc sim gui je na obrázku 4.8.

4.6.1

Poloˇzky slovn´ıku˚ zaˇr´ızen´ı

Slovn´ıky zaˇr´ızen´ı pro aplikace cf mcp master demo a cf mcp pxmc demo jsou jiˇz v tomto projektu vytvoˇreny. Pro moˇznost experimentován´ı pouze ve zkratce uvedu, které poloˇzky (indexy) jsou ve slovn´ıc´ıch uvedeny. Uzel master zde ˇr´ıd´ı dvˇe osy na jednom uzlu slave. Slovn´ık cf mcp master objdict obsahuje následuj´ıc´ı indexy, jejichˇz parametry je moˇzné v programu Objdictedit mˇenit.

ˇ EN ˇ I´ TESTOVACI´ APLIKACE 4.6. SPUST

61

Obrázek 4.8: Dialogové okno aplikace simulátoru knihovny PXMC

1000h , 1001h , 1018h – vloˇz´ı se automaticky po vytvoˇren´ı nového slovn´ıku. 1005h – identifikátor objektu SYNC pouˇzitého pro synchronizaci uzl˚u v s´ıti. 1006h – perioda vys´ılán´ı objekt˚u SYNC, zadaná v mikrosekundách. 1018h – strukturovaný parametr obsahuj´ıc´ı definice délek cˇ asových interval˚u pˇr´ıjemce NMT zpráv protokolu HeartBeat, zde je uveden pouze jeden parametr na subindexu 1 pro jeden uzel slave, který je odes´ılatelem NMT zpráv protokolu HeartBeat. 1280h – struktura parametr˚u jednoho SDO klienta. 1400h –1407h , 1600h –1607h , 1800h –1807h , 1A00h –1A07h – parametry a mapován´ı dvou cˇ tveˇric RPDO a dvou cˇ tveˇric TPDO zpráv. Poznamenejme, zˇ e osa pouˇz´ıvá 4 RPDO a 4 TPDO zprávy. 6000h –7000h – parametry Motion Control profilu dvou ˇr´ızených os Slovn´ık cf mcp pxmc objdict obsahuje následuj´ıc´ı indexy, jejichˇz parametry je moˇzné v programu Objdictedit mˇenit. 1000h , 1001h , 1018h – vloˇz´ı se automaticky po vytvoˇren´ı nového slovn´ıku. 1005h – identifikátor objektu SYNC pouˇzitého pro synchronizaci uzl˚u v s´ıti.

´ ˇ ´ CANOPEN 62KAPITOLA 4. IMPLEMENTACE Rˇ IZEN I´ POHONU˚ PROSTREDNICTV IM 1006h – perioda vys´ılán´ı objekt˚u SYNC, zadaná v mikrosekundách. 1017h – parametr obsahuj´ıc´ı definice délky cˇ asového intervalu producenta NMT zpráv protokolu HeartBeat. 1280h – struktura parametr˚u jednoho SDO serveru. 1400h –1407h , 1600h –1607h , 1800h –1807h , 1A00h –1A07h – parametry a mapován´ı dvou cˇ tveˇric RPDO a dvou cˇ tveˇric TPDO zpráv. Poznamenejme, zˇ e osa pouˇz´ıvá 4 RPDO a 4 TPDO zprávy. 6000h –7000h – parametry Motion Control profilu dvou ˇr´ızených os

4.6.2

Pouˇzit´ı virtuáln´ı sbˇernice CAN na OS Linux

Pro simulaci komunikace uzl˚u na sbˇernici CAN je zde vyuˇzit driver LinCAN v konfiguraci jako virtuáln´ı zaˇr´ızen´ı. Pˇreklad zdrojových soubor˚u modulu jádra a jeho zaveden´ı je krok po kroku popsáno v souboru ./can/lincan/README. Pˇreloˇzený modul se do jádra zavede následuj´ıc´ım pˇr´ıkazem. insmod can.ko hw=virtual io=0

4.6.3 Pˇreklad zdrojových kódu˚ ukázkových aplikac´ı Pˇreklad aplikac´ı pro OS Linux je prostˇrednictv´ım OMK proveden z adresáˇre ./linux. Podobnˇe se pˇreklad aplikac´ı pro mikrokontrolér H8S provád´ı z adresáˇre h8300-boot. V adresáˇri ./linux zadáme pˇr´ıkazy: make distclean make default-config make

Pokud kompilace probˇehla u´ spˇesˇnˇe, jsou v adresáˇri ./linux/ compiled/bin spustitelné binárn´ı soubory cf mcp master demo a cf mcp pxmc demo.

4.6.4

Spuˇstˇen´ı ukázkových aplikac´ı

Nejprve je nutné spustit simulátor knihovny PXMC pxmc sim gui. To provedeme následuj´ıc´ımi pˇr´ıkazy.

ˇ EN ˇ I´ TESTOVACI´ APLIKACE 4.6. SPUST

63

../pxmc/pxmcbsp/sim_posix/pxmc_sim_gui/pxmc_sim_gui

V terminálu spust´ıme aplikaci cf mcp pxmc demo. _compiled/bin/cf_mcp_pxmc_demo

Nakonec spust´ıme v jiném terminálu aplikaci cf mcp master demo. _compiled/bin/cf_mcp_master_demo

V terminálu, kde je spuˇstˇena aplikace cf mcp master demo je moˇzné zadávat pˇr´ıkazy popsané v sekci 4.5. Abychom mohli vzdálený pohon osy uvést do provozu, je ho nutné nejprve zapnout pˇr´ıkazem ONA: pro osu 0 a ONB: pro osu 1. Pro j´ızdu osy 0 na c´ılovou pozici 1000 m˚uzˇ eme zadat pˇr´ıkaz GA:1000. Druhou osu m˚uzˇ eme uvést tˇreba do pohybu konstantn´ı rychlost´ı 100. Provedeme to pˇr´ıkazem SPDB:100. V libovolný okamˇzik lze motor zastavit pˇr´ıkazem STOPA: nebo STOPB:. V dialogovém oknˇe pxmc sim gui je vidˇet odezva motor˚u na zadané pˇr´ıkazy.

4.6.5

Pˇreklad aplikace cf mcp pxmc demo pro H8S/2638

Pro spuˇstˇen´ı aplikace cf mcp pxmc demo na mikroprocesoru H8S/2638 provedeme nejprve pˇreklad zdrojových kód˚u. V adresáˇri ./h8300-boot zadáme pˇr´ıkazy: make distclean make default-config make

Desku mikroprocesoru spoj´ıme s PC sériovou linkou RS232. V podadresáˇri se zdrojovými kódy aplikace cf mcp pxmc demo spust´ıme nahráván´ı binárn´ıho souboru do mikroprocesoru. make make load run


Kapitola 5 Závˇer Jedn´ım z c´ıl˚u této práce bylo zkonstruovat a postavit robota pro soutˇezˇ Eurobot 2007. Toto zadán´ı bylo splnˇeno v celém rozsahu. Pˇri návrhu mechanické konstrukce byl kladen na mechanickou odolnost a variabilitu kostry robota, kterou tvoˇr´ı rám a základn´ı deska s namontovaným pohonem. Jako pouˇzitý materiál byla zvolena lehká hlin´ıková slitina, která poskytuje dostateˇcnou pevnost, n´ızkou hmotnost a dobrou obrobitelnost. Pro dosaˇzen´ı vysoké pˇresnosti byla k výrobˇe nˇekterých d´ıl˚u pouˇzita CNC technologie. Rovnˇezˇ byl proveden návrh pohonu vˇcetnˇe volby vhodných motor˚u. Na univerzáln´ı kostru byly poté montovány mechanismy specifické pro aktuáln´ı zadán´ı soutˇezˇ e. Funkce sbˇerac´ıho mechanismu a zásobn´ıku byla spolu s celkem testována a doladˇena na vlastn´ım hˇriˇsti, které jsme pro tyto u´ cˇ ely postavili v prostorách katedry. S robotem jsme se zúcˇ astnili republikového kola Eurobota a mezinárodn´ı soutˇezˇ e North Star Cup v Ruském Petrohradu, kde jsme obsadili páté m´ısto a obdrˇzeli cenu za nejlepˇs´ı technickou prezentaci. Dalˇs´ım c´ılem práce bylo vytvoˇrit programovou podporu pro CANOpen komunikaci a ˇr´ızen´ı pohon˚u. Jako implementaci protokolu CANOpen jsem zvolil projekt CanFestival, pro který jiˇz existovala podpora pro mikrokontrolér H8S/2638 a OS Linux. Profil pro ˇr´ızen´ı pohon˚u zde ale definovaný nebyl, a tak sem jej musel po nastudován´ı specifikace DSP-402 vytvoˇrit. Struktura konfiguraˇcn´ıch soubor˚u programu Objdictedit ovˇsem neumoˇznˇ ovala sestaven´ı slovn´ıku zaˇr´ızen´ı pro v´ıce ˇr´ızených os pohonu. Po prostudován´ı zdrojových kód˚u jsem vytvoˇril konfiguraˇcn´ı soubor pro profil ˇr´ızen´ı pohon˚u tak, aby byl maximálnˇe dodrˇzen standard a byla zachována standardn´ı funkce editoru Objdictedit. Vzhledem k tomu, zˇ e k tvorbˇe profil˚u v programu Objdictedit neexistuje zˇ a´ dná dokumentace, popsal jsem v této práci strukutu souboru *.prf a vysvˇetlil význam nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch symbol˚u. Pro demonstraci ˇr´ızen´ı pohon˚u pomoc´ı profilu jsem vytvoˇril ukázkové aplikace jednotek slave a master. Jednotku slave je v souˇcasné dobˇe moˇzno spustit v operaˇcn´ım systému Li65

66

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

nux se simulátorem motoru nebo na mikrokontroléru H8S/2638. Pro CANOpen komunikaci je pouˇzit CanFestival a funkci regulátoru zde pln´ı knihovna PXMC. Podle specifikace DSP402 byly vytvoˇreny funkce pro ovládán´ı stavu zaˇr´ızen´ı a implementován stavový automat pohonu. Vytvoˇrena byla také skupina funkc´ı implementuj´ıc´ıch poˇzadované chován´ı uzlu podle profilu MCP a zprostˇredkovávaj´ıc´ı výmˇenu dat mezi PXMC a slovn´ıkem zaˇr´ızen´ı v CanFestivalu. V souˇcasné dobˇe je moˇzné uzlem slave pˇr´ımo ˇr´ıdit aˇz 8 pohon˚u, tedy maximáln´ı poˇcet definovaný normou. Jednotka master je urˇcena pouze pro operaˇcn´ı systém Linux. Pomoc´ı jednoduchých pˇr´ıkaz˚u a výpis˚u terminálu umoˇznˇ uje operátorovi ovládat pohony pˇripojené k s´ıti. V souˇcasné dobˇe je v aplikac´ıch implementován mód profilovaného ˇr´ızen´ı pozice (single setpoint) a mód profilovaného ˇr´ızen´ı rychlosti. K výmˇenˇe procesn´ıch dat mezi uzlem master a slave, jako jsou napˇr. aktuáln´ı a zˇ a´ daná pozice, slouˇz´ı periodicky pˇredávané PDO zprávy. K jednorázovému nastaven´ı poloˇzek slovn´ıku zaˇr´ızen´ı slave pouˇz´ıvá aplikace master SDO zprávy. Konfigurace s´ıtˇe se provád´ı staticky na uzlu master a lze ji mˇenit i za bˇehu programu. Nejsou zde ovˇsem implementovány zˇ a´ dné diagnostické nástroje pro dynamickou u´ pravu konfigurace s´ıtˇe, které maj´ı sp´ısˇe význam u rozsáhlejˇs´ıch s´ıt´ı v pr˚umyslu. Za bˇehu je správná funkce uzl˚u slave ovˇeˇrována tzv. Heartbeat protokolem, který je souˇca´ st´ı standardu CANOpen. V souˇcasné dobˇe nen´ı implementován pˇrenos chybových hlásˇen´ı pomoc´ı objekt˚u EMCY. Testován´ı aplikac´ı bylo provádˇeno na dvou u´ rovn´ıch. Nejprve byla testována komunikace pomoc´ı virtuálnˇe vytvoˇrené sbˇernice CAN na osobn´ım poˇc´ıtaˇci a se simulátorem motoru. Poté byla aplikace slave pˇrenesena na mikrokontrolér H8S/2638 osazený na desce Hi CPU2 vyrobené firmou PiKRON. Aplikace master byla ponechána na osobn´ım poˇc´ıtaˇci a pˇr´ıstup na fyzickou sbˇernici CAN byl ˇreˇsen I/O kartou Kvaser PCIcan 4xHS do PCI slotu.

Literatura [1] Controller area network. http://en.wikipedia.org/wiki/Controller Area Network, 2008. [2] Internal site of Real-Time Systems group. http://rtime.felk.cvut.cz, 2008. [3] MAXON MOTOR. http://www.maxonmotor.com, 2008. [4] OCERA Make System homepage. http://rtime.felk.cvut.cz/omk, 2008. [5] PiKRON spol. s r.o. http://www.pikron.com, 2008. [6] Socket-can project homepage. http://developer.berlios.de/projects/socketcan/, 2008. [7] TYMA CZ spol. s r.o. http://www.tyma.cz, 2008. [8] ULMER spol. s r.o. http://ulmer.invite.cz, 2008. [9] UZIMEX spol. s r.o. http://www.uzimex.cz, 2008. [10] CAN IN AUTOMATION (C I A). CiA Draft Standard Proposal DSP-402: CANopen device profile for drives and motion control, 1998. http://www.can-cia.org. [11] CAN

IN

AUTOMATION (C I A). CiA 102 DS V2.0 CAN physical layer for industrial

applications, 1999. http://www.can-cia.org. [12] CAN

IN

AUTOMATION (C I A). CiA 301 DS V4.0.2: CANopen application layer and

communication profile, 2002. http://www.can-cia.org. [13] E LMO M OTION C ONTROL. CANopen DS 402 Implementation (Guide Ver. 1.2), 2006. http://www.elmomc.com/support. 67

68

LITERATURA

[14] F REESCALE S EMICONDUCTORS. MPC5200 Technical Data Sheet, 2006. http://www.freescale.com. [15] H EROUT, P. Uˇcebnice jazyka C–1. d´ıl, IV. pˇrepracované vydán´ı. No. 80-7232-220-6. ˇ e Budˇejovice: Nakladatelstv´ı KOPP, 2004. Cesk´ [16] H EROUT, P. Uˇcebnice jazyka C–2. d´ıl, IV. pˇrepracované vydán´ı. No. 80-7232-221-4. ˇ e Budˇejovice: Nakladatelstv´ı KOPP, 2004. Cesk´ [17] M AREK , S. Zaˇr´ızen´ı podporuj´ıc´ı komunikaˇcn´ı protokol CANopen. Diplomová práce, ˇ CVUT–FEL, Katedra ˇr´ıdic´ı techniky, Praha, 2006. ´ [18] O BDR Zˇ ALEK , D. Eurobot 2007 rules – Czech version, 2006. http://www.eurobot.cz. [19] PÍ Sˇ A , P. Uˇzivatelský manuál k jednotce MARS 2. PiKRON spol. s r.o., 2004. http://www.pikron.com/pages/products/motion control/mars 2. html. [20] R ENESAS T ECHNOLOGY C ORPORATION. H8S/263X Hardware Manual, 2007. http://eu.renesas.com/. ˇ [21] S KUP, K. Motion Control for Mobile Robots. Diplomová práce, CVUT–FEL, Katedra ˇr´ıdic´ı techniky, Praha, 2007. [22] T ISSERANT, E., D UPIN , F., AND B ESSARD , L. CanFestival v3.0 Manual, 2007. http: //www.canfestival.org.

Pˇr´ıloha A Protokol o výpoˇctu pohonu

I

ˇ ´ ´ CTU PRˇ ILOHA A. PROTOKOL O VYPO POHONU

II

maxon selection program 2005 (V1.0)

1/4

maxon drive unit Gear

203116

GP 42 C

Gear reduction ratio 15:1, Preloaded ball bearings

Motor

272762

EC-max 30

60W, brushless, 2 Shaft ends, Ball bearings

Control

Key data of drive 12

Available motor voltage (= Umot)

533

No-load speed (at Umot)

V rpm

Load stall torque (theoretic, at Umot)

4630

mNm

Starting current (theoretic, at Umot)

26,8

A

Diameter Length

[ ] Scale motor

[ ] Output power (e)

[x] Working points

[ ] Efficiency (f)

[ ] Max. contin. torque motor (a)

[ ] Winding temperature (g)

[ ] Contin. current (b)

[ ] Max. contin. torque gear (h)

[ ] Max. current (c)

[ ] Max. torque gear (i)

[x] Max. voltage (d)

[ ] Max. speed gear (k)

Documentation / data sheet (272762 / 203116)

mm

119,4

mm

25

Ambient temperature (=Tamb)

© Copyright by maxon motor ag. All rights reserved.

42

°C

6.12.2006

III


2/4

Power supply input Min. supply voltage

0

V

Max. supply voltage

12

V

Max. continuous current

10

A

Max. current (peak)

10

A

1

s

Max. duration of peak current

Drive parameter

Documentation / data sheet (272762 / 203116) © Copyright by maxon motor ag. All rights reserved.

6.12.2006

IV



3/4

Motor order number

272762

EC-max 30, 60W, brushless, 2 Shaft ends, Ball bearings Motor data

Min.

Nominal

Assigned power rating

60

Nominal voltage

12

No-load speed Stall torque Speed-torque gradient

W V

7351

7990

8629

324

381

438

mNm

17

21,2

25,4

rpm/mNm

268

402

mA

0,447

0,478

No-load current Terminal resistance (phase to phase)

Max.

0,416

Ohm rpm

15000

Max. speed

rpm

Max. continuous current

4,39

A

Max. continuous torque

55,6

mNm

Reference speed

5000

rpm %

81

Max. efficiency Torque constant

13,1

14,2

15,3

mNm/A

Speed constant

618

672

726

rpm/V

Rotor inertia Terminal inductance (phase to phase)

ms

4,9

Mechanical time constant 19,7

21,9

24,1

0,0392

0,049

0,0588

gcm² mH

Therm. resistance winding-housing

0,5

K/W

Therm. resistance housing-ambient

7,4

K/W

Therm. time constant winding

2,7

s

1000

s

Therm. time constant stator Max. winding temperature Motor data at actual motor voltage and ambient temperature

155

°C

Nominal

Ambient temperature (=Tamb)

25

°C

Motor voltage (=Umot)

12

V

No-load speed (at Umot and Tamb)

7983

rpm

Stall torque (theoretic, at Umot and Tamb)

380

mNm

Starting current (theoretic, Umot and Tamb)

26,8

A

Max. continuous current (at Tamb)

4,39

A

Max. continuous torque (at Tamb)

62,3

mNm


6.12.2006

V


4/4

Gear order number

203116

GP 42 C, Gear reduction ratio 15:1, Preloaded ball bearings Gear data Gear reduction ratio

15

:1

0

:1

81

%

Gear reduction absolute Gear efficiency Max. continuous gear torque Short-term torque Max. gear input speed

7500

mNm

11300

mNm

8000

Gear mass inertia

15

No of stages

2

rpm gcm² -

Controller order number

Sensors Sensor type

Sensor No.

Counts/turn

Channels

Line Driver

Max.freq.(kHz)

Brake

Encoder HEDL 5540

110514

500

3

Yes

100

No

Encoder

228452

500

3

Yes

200

No

Encoder

228456

1000

3

Yes

200

No


6.12.2006

VI


Pˇr´ıloha B Výkresy nˇekterých mechanických souˇca´ st´ı

VII

VIII

´ ´ ˇ ´ ´ ´ I´ PRˇ ILOHA B. VYKRESY NEKTER YCH MECHANICKYCH SOUCˇ AST

Obrázek B.1: Kostra robota s um´ıstˇeným pohonem, sestava

IX

Obrázek B.2: Spodn´ı deska kostry

X


Obrázek B.3: Pˇredn´ı sbˇerac´ı mechanismus, sestava

XI

Obrázek B.4: Pˇredn´ı sloupek rámu kostry robota

XII


Obrázek B.5: Pˇredn´ı výztuˇzný sloupek rámu kostry robota

XIII

Obrázek B.6: Pˇr´ıcˇ n´ık um´ıstˇený v pˇredn´ı cˇ a´ sti rámu kostry

XIV


Obrázek B.7: Blok loˇziska pohonného kola

XV

Obrázek B.8: Blok pro pˇripevnˇen´ı pohonného motoru

XVI


Obrázek B.9: Pohonné koleˇcko

XVII

Obrázek B.10: Hˇr´ıdel pohonného koleˇcka

XVIII


Obrázek B.11: Nákres lokalizaˇcn´ıho majáku

Pˇr´ıloha C Obsah pˇriloˇzeného CD K této práci je pˇriloˇzeno CD, na kterém jsou uloˇzeny zdrojové kódy. Adresáˇrová struktura je následuj´ıc´ı. ./DP – tato diplomová práce ve formátu pdf. ./src – zdrojové kódy pouˇzitých projekt˚u a vytvoˇrených aplikac´ı.

XIX

FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. CANOpen komunikace pro mobilního robota

Recommend Documents