6ES7211-0AA23-0XB0技术支持
1 引 言
低压电力线是为传输50Hz的工频电能而铺设的，是一种分布非常广泛的线路资源，长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号。随着近几年信号调制技术的进步、嵌入式软硬件技术的发展和新型集成电路的不断出现使得电力线通信（PLC）逐步从实验室走向实用，成为具有良好发展前景的通信技术之一。本文给出了基于PLC技术的远程单相复费率电表（简称基于PLC技术的远程电表）的设计与实现。
2 硬件总体设计
如图1所示，基于PLC 技术的远程电表硬件部分包含MCF5271主控板、电量采集板和PLC调制解调器，三部分电路板相对独立，并没有设计在一块电路板中电量采集板负责采集电量，MCF5271主控板通过SPI、I2C 等接口与电量采集板进行数据传输，通过符合IEEE802.3 规范的MII 接口与PLC调制解调器进行以太帧数据传输，PLC 调制解调器负责以太帧和电力线通信数据之间的转换。
图1 基于PLC 技术的远程电表模块图
3 MCF5271主控板设计
MCF5271主控板的设计参考了Freescale公司的MCF5271评估开发板的设计原理MCF5271评估开发板使用的ColdFire微处理器为196引脚的BGA封装，焊接比较困难，160引脚QFP封装的芯片与之功能相似，同样可以满足本设计需要的功能易于焊接，故使用QFP160封装的芯片做主控板。主控板与PLC调制解调器接口的主要部分为MII接口，略去了主控板与PLC调制解调器接口的介绍，而代以介绍MCF5271微处理器与INT5500之间的通过MII接口的连接。
1、MCF5271主控板板的存储器扩展
MCF5271具有外部总线接口，数据总线宽度为32位D[31∶0]，寻址范围可以达到32位，与外界存储器相连的地址总线宽度为24位A。MCF5271主控板中扩展了一片1M×16位的Flash存储芯片AM29LV160DB，地址总线为20位，连接MCF5271的地址总线A[20∶1]，数据总线为16位，连接D[31∶16]。两片8M字节的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址总线宽度为12位，数据总线宽度为16位，两片芯片使用共同的地址总线A[21∶15]和控制信号，数据总线分别连接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。
2、MCF5271与INT5500的连接
INT5500工作在PHY模式下的时候类似于以太网物理层芯片，可以与带有MII接口的MCU相连。图2所示为MCF5271与INT5500连接方式。由于此时INT5500工作在PHY模式下，MII接口的信号方向与Host/DTE模式下的方向
图2 MCF5271与INT5500连接图
MCF5271芯片MII接口的信号线可以分为三组：用作数据管理的信号线EMDIO和EMDC；反映介质状态的信号线ECOL和ECRS；其余为接收/发送信号线。
EMDIO为双向信号，在INT5500和MCF5271之间传输控制信息和状态信息。控制信息由MCF5271发给INT5500，状态信息由INT5500反馈给MCF5271。EMDC为输出信号，作为EMDIO数据传输的参考时钟。
ECOL为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质上有冲突。ECRS为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质忙；否则表示传输通道处于空闲状态，可以进行传输。
ERXD[0-3]用来接收INT5500发送的4位数据；ERXDV用来表示从INT5500接收到的数据是否有效，高电平为有效；ERXCLK为INT5500提供给MCF5271的数据接收时钟信号，其工作频率为数据接收速度的25%；ERXER为输入信号，该信号有效时表示检测到当前在INT5500上传输的帧出错。
ETXD[0-3]用来向INT5500发送4位数据；ETXEN为输出信号，该信号有效时表示MII总线上有数据，可以启动发送操作。ETXCLK为输出信号，作为数据发送的参考时钟信号。
4 电量采集板
电量采集板电路包括电量采集电路、ADE7756与主控芯片的通信接口、实时时钟芯片PCF8563的工作电路与对外通信接口。
1、电量采集电路
图3所示为电量采集电路，其中CT为电流互感器，电量采集芯片为ADE7756。电路中电压和电流输入通道均采用差分信号输入。普通电力线中的电流经过电流互感器CT后接到实际负载上，电流互感器将电流转换成电压信号，再经过R1与C4、R10与C6组成的滤波电路滤波后进入ADE7756的差分信号输入引脚V1P和V1N。电力线的220V电压信号经过R7、R6和R8分压及R8与C8组成的滤波电路滤波后转换为250mV的电压信号，作为AED7756的V2P的输入。
图3 电量采集模块
2、ADE7756与MCF5271主控板的接口模块
ADE7756与MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反馈信号。如图4所示，图中使用两片7404芯片对输入输出信号进行电压转换。7404芯片内部含有6路缓冲器，本设计中使用了每片芯片中的4路缓冲器，7404芯片为漏极开路输出，从主控芯片方输入的5V/3.3V信号经过7404后都可以转换为5V信号。向主控芯片方输出的信号可以转换为3.3V信号。
图4 ADE7756与MCU的接口部分
图中的IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS和OUT_DOUT引脚为SPI接口的引脚；IN_RESET为从主控芯片方输入的复位控制信号；OUT_IRQ为ADE7756的中断请求输出信号；OUT_ZX为通道2的电压波形过零输出引脚，用于对电力线进行过零检测；OUT_SAG为电力线电压过低和5V工作电压过低检测输出信号。
3、实时时钟模块
图5为实时时钟模块，PCFB_563通过纽扣电池供电，MCF5271主控板通过I2C接口与PCF8563进行通信，SCL为主控芯片发送的时钟信号，SDA为数据双向数据通信引脚。主控芯片可以设置PCF8563当前时间和读取PCF8563当前时间。
图5 实时时钟模块
5 系统软件设计
基于PLC技术的远程电表的软件可以划分为两个部分：主控芯片方程序以及与后端软件的接口，两者相互独立。主控芯片方软件主要完成以下功能：
（1）定时电量采集：与ADE7756通信，通过SPI接口读取电量数据；
（2）电量数据存储：读取实时时钟获得当前时间，判断当前时段，将读取到的电量数据按照时段进行相应存储；
（3）数据通信和加密解密：接收和解析后端软件发送的命令数据包、构造和发送应答数据包；并完成命令数据的解密和应答数据的加密；
（4）命令响应：对后端软件发送的命令做出响应；
（5）掉电处理：检测到电压过低和掉电情况后及时进行重要数据存储。
后端软件接口主要包含通信协议的设计，如果将接口设计的比较合理，则对于后端软件的开发人员来说相当方便。
根据以上功能分析，软件共划分为5个模块：电量采集和存储模块、数据加密解密模块、嵌入式以太网模块、掉电处理模块和命令响应模块。
电量采集和存储模块完成定时电量采集和电量数据存储功能；
数据加密解密模块用来对后端软件的命令解密和本地应答数据的加密；
嵌入式以太网模块完成数据通信功能，该模块包含与PLC调制解调器的通信的底层驱动程序，包含网络协议，负责网络数据的解包打包功能；
掉电处理模块完成检测到电力线电压低于阈值时对重要数据的存储；
命令响应模块对后端软件的命令进行响应。
本文作者创新点：本文设计了基于PLC技术的远程电表方案，并完成了基于PLC技术的远程电表软硬件设计和实现，并编写了远程电表电量读取的PC方模拟程序。
目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，以减轻劳动强度，改善作业条件。随着社会生产不断进步和人们生活节奏的不断加快，机械手在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能得到广泛的运用。可编程序控制器（PLC）是工业控制中应用广泛可靠的控制器。本项目通过对机械手的组装和 PLC系统的编程，实现多轴机械手可靠稳定的搬运工件。通过本项目的研制，研制人员提高了自主动手能力，掌握机电一体化综合设计技能，学习和掌握PLC 语言的编写，且借此可以了解学习国内外机械手的发展水平。
1 总体部分
如图 1 所示，本项目研制的机械手教学实训设备的总体结构由机械部分和电气部分组成。
图 1 PLC 多轴机械手总体结构图
1.1 机械部分
机械手的机械部分总体结构由夹持部分、传动机构和旋转机构所组成。（1）夹持部分使用机械夹手与真空吸盘相结合的结构夹持工件，可根据被夹持工件的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头和真空吸盘，以适应操作。真空吸盘一般用橡胶制造，主要作用是将工件吸合便于搬运，大限度的保护工件的外观，还具有易使用、零污染等优点；（2）传动机构由 XY轴滚珠丝杠副组成，滚珠丝杠副传递力矩，完成工件在 XY轴方向上的往复运动，其利用滚珠运动的原理可以具有较高的重复精度，实现运动的微进给，从而保证更准确的将运送工件至指定地点；（3）旋转机构Z 轴由底座和机械手所组成，旋转机构扩大了机械手的动作范围，提高了机械手在搬运过程中的灵活性。
1.2 电气部分
PLC 控制多轴机械手电气部分主要由变压器，步进电机驱动器，直流电机驱动器，PLC主机模块，控制面板等部分组成。 （1）变压器作用是把 220V 的交流电压转换为电机与 PLC 工作的 24V 直流电压；（2）X 轴Y 轴直线运动由步进电机实现，步进电机能够达到比较高的重复定位精度。步进电机驱动器将输入的电信号（或者脉冲信号）通过模数处理，转变为电机的步进运动与增量位移，控制机械运动；（3）机械手有两个旋转动作，分别是抓手轴的正反旋转和旋转底盘Z 轴的正反旋转，其动作由直流无刷电机带动，可回旋 360°，无刷直流电机的驱动器采用 24V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护等特点；（4）控制面板开关主要分为自动和手动两种模式。 自动模式下，根据 PLC的编程顺序进行各种动作并循环；手动模式主要是实现点动。 且控制面板上采用复合开关按钮，节约 PLC 输入点位；（5）PLC采用了逐步通电、同步断电的步进式控制设计，受控对象之间形成互锁，动作的是否执行取决于前一步动作是否完成，若前一步未完成，则后一步无法执行。具有编程简单、维修方便、柔性化强等特点，可在现场修改和调试程序，可根据生产要求随时改变。
2 控制要求
图 2 机械手动作示意图
图 2 为本机械手教学实训模型的动作示意图，其工作路径是将工件从 A 点搬运至 B 点。机械手运行时，机械手要返回至设定的原点位置，之后通过 XY轴的滚珠丝杠、底座和腕部的旋转运动至工件所在位置并夹持工件回到原点，将工件准确的运送至指定位置。
3 控制部分设计
基于控制要求，合理地分配 PLC 输入、输出点位。 如表 1 所示为 PLC 的输入输出各点位的分配。
表 1 I/O 分配表
先将机械手进行复位操作。 当机械手未到原位，此时 PLC 输入电平信号跟脉冲信号 CP-1给步进电机横轴驱动器，连接横轴的步进电机反转，横轴往后缩，后缩到位后会碰到后限位开关 SQ3，SQ3启动之后，主机就输入电平信号跟脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器，竖轴步进电机控制竖轴上升，上升到位后会触碰到竖轴反限位开关SQ4，SQ4 启动之后，主机输入旋转脉冲信号 SB-0 给直流电机驱动器 3，4，完成机械手的复位动作即 YU21 和 YU22的动作。 复位操作结束后，主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，步进电机开始正转，横轴实现进给操作YV2，横轴进给到位时碰到正限位开关 SQ1，进给完成。 机械手收到主机发送电压信号，旋转至已定的角度，完成动作YV20，这时气动电磁阀断电，机械手张开。主机再输入电平信号跟脉冲信号 CP-2给竖轴驱动器使步进电机开始反转，竖轴下降。当竖轴下降至碰到限位开关时 SQ4，下降停止，电磁阀得电机械手夹紧。夹紧后，主机只输入脉冲信号 CP-2 给竖轴步进电机驱动器，步进电机得电正转竖轴上升，碰到限位开关 SQ2后，上升停止，启动横轴步进电机驱动器脉冲 CP-1，步进电机得电开始反转，横轴缩回。 碰到限位开关 SQ3 后，PLC发送旋转脉冲信号 SB0给底盘，底盘正旋转到位。此时主机输入脉冲信号 CP-1 给横轴驱动器，横轴第二次向前伸出，碰到限位开关SQ1 后停止。 停止后主机输入电平和脉冲信号 CP-2 给竖轴驱动器 2 使得竖轴电机 2反转使竖轴下降，下降到位碰到竖轴正限位开关 SQ2停止，此时电磁阀断电，卡爪和真空吸盘放松，释放工件，完成整套的工件运送工作。本机械手实训装置采用的 PLC 具有高速运算能力和 PID调节功能，可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。 图 3为控制输出两路脉冲梯形图，可以控制两个方向的电机运动，节省搬运时间。
图 3 输出两路脉冲梯形图
4 结语
本项目研制的机械手系统稳定、使用方便、成本低，具有可编程、二次设计等开放式功能特点，对提高学生的创新能力和综合实践能力有显著效果。