基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统及方法，该系统包括主控计算机、数据通信主模块和多个数据采集模块；其中：多个数据采集模块之间依次相连，并与数据通信主模块组成环网；主控计算机产生控制信号，并由数据通信主模块发送至环网各节点；通过环形链路中各个节点后，将传感器采集到的数据汇总至数据通信主模块进行处理，并将处理结果发送回主控计算机。本发明增强了抗噪声、抗干扰能力，并以时钟和数据恢复技术解决了限制数据传输速率的信号时钟参差问题，提高了数据传输的数据率；具有在多负载下利用率高、网络性能对距离不敏感以及具有公平访问的优越性能。

说明书

技术领域

本发明涉及数字通信网络测控技术领域，尤其涉及一种基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统及方法。

背景技术

在机器人中的数字通信领域，系统与系统之间需要传输大量的数据。因总线是服务于系统的一个很重要的组成部分，它作为系统间通信的桥梁，对提高系统性能起着至关重要的作用，为系统之间的数据传输提供了有效保证。总线技术成为构建大型测试系统的关键技术。但随着机器人的传感器数量的增多，所需传输数据量的不断增加，以及数据采集模块布局的分散，时钟速度的不断提高，时钟与信号线之间的偏移在时钟周期中占据的百分比日益增大，致使测试系统功能的复杂化，传统的并行总线已不能满足机器人系统高速数据传输的需要，成为影响系统性能的主要瓶颈。为了及时将采集到的大量传感器数据传送至主控计算机处理，系统的传输总线需要更高的速率来满足高速数据通信的需求，同时分布式的数据采集模块间的数据传输距离较长，如何更可靠，快速地传输数据，使系统稳定可靠地运行，成为新的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中并行总线不能满足机器人系统高速数据传输的需要的缺陷，提供一种能够对数据进行实时采集并且高速传输的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统，包括主控计算机、数据通信主模块和多个数据采集模块；其中：

多个数据采集模块之间依次相连，并与数据通信主模块组成环网；

数据通信主模块包括LVDS主发送口和LVDS主接收口；每个数据采集模块均包括传感器、LVDS从发送口和LVDS从接收口；

LVDS主发送口与环网中第一个数据采集模块的LVDS从接收口相连，数据采集模块之间通过LVDS从接收口和LVDS从发送口依次相连，最后一个数据采集模块通过LVDS从发送口与LVDS主接收口相连；

主控计算机产生控制信号，并由数据通信主模块发送至环网各节点；通过环形链路中各个节点后，将传感器采集到的数据汇总至数据通信主模块进行处理，并将处理结果发送回主控计算机。

进一步地，本发明的所述数据通信主模块还包括系统总线，所述主控计算机与所述数据通信主模块通过所述系统总线连接。

进一步地，本发明的该环网中至少包括三个数据采集模块。

进一步地，本发明的每个所述数据采集模块均与经过PLL倍频后的晶振相连。

进一步地，本发明的所述数据采集模块还包括数据存储器，所述数据存储器用于存储传感器采集到的数据，并通过并/串总线接口与LVDS从接收口和LVDS从发送口相连。

进一步地，本发明的所述数据通信主模块还包括数据存储器。

本发明提供一种基于LVDS环网总线的机器人高速测控方法，包括以下步骤：

S1、将主控计算机与数据通信主模块相连，数据通信主模块与多个数据采集模块依次相连组成环网；

S2、主控计算机产生控制信号，经过通信主模块发送至环网中各数据采集模块；通过环形链路后，将各传感器采集到的数据汇总至数据通信主模块进行处理，并将处理结果发送回主控计算机。

进一步地，本发明的步骤S2中信号处理的具体方法为：

S21、数据通信主模块按信号的字节依次写入各个地址，地址累加后，状态位由低电平转为高电平，在每一个时钟的上升沿将数据由并行数据转换为串行数据，并将该数据发送出去，数据发送完成后状态位转为低电平；

S22、数据采集模块在信号时钟的下降沿时，将接收到的串行数据转换为并行数据，并将传感器采集到的传感器信息写入其中，数据整合完成后，再将并行数据转换为串行数据，并将该数据发送出去。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统，通过串行传输技术以其较少的信号连线、高带宽等优点取代了传统并行总线而达到高速数据传输技术的要求；基于低压差分信号LVDS的串行通信技术增强了抗噪声、抗干扰能力，并以时钟和数据恢复技术解决了限制数据传输速率的信号时钟参差问题，提高了数据传输的数据率；环网总线在物理上通过总线将各节点连接，在逻辑上构成逻辑环，具有在多负载下利用率高、网络性能对距离不敏感以及具有公平访问的优越性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统的数据通信环网传输系统设计结构图；

图2是本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统的主模块发送端逻辑图；

图3是本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统的主模块接收端逻辑图；

图4是本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统的数据采集模块逻辑设计图；

图5是本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统的点对点串行通信时序图；

图6是本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统的单次调试时序图；

图7是本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统，包括主控计算机、数据通信主模块和多个数据采集模块；其中：

多个数据采集模块之间依次相连，并与数据通信主模块组成环网；

数据通信主模块包括LVDS主发送口和LVDS主接收口；数据采集模块包括传感器、LVDS从发送口和LVDS从接收口；

LVDS主发送口与第一个数据采集模块的LVDS从接收口相连，数据采集模块之间通过LVDS从接收口和LVDS从发送口依次相连，最后一个数据采集模块通过LVDS从发送口与LVDS主接收口相连；

主控计算机产生控制信号，并由数据通信主模块发送至环网各节点；通过环形链路中各个节点后，将传感器采集到的数据汇总至数据通信主模块进行处理，并将处理结果发送回主控计算机。

在本发明的另一个具体实施例中，该系统包括：主控计算机、数据通信主模块、三个数据采集模块。数据通信主模块还包括系统总线，主控计算机与数据通信主模块通过系统总线连接。每个数据采集模块均与经过PLL倍频后的晶振相连。数据采集模块还包括数据存储器，数据存储器用于存储传感器采集到的数据，并通过并/串总线接口与LVDS从接收口和LVDS从发送口相连。数据通信主模块还包括数据存储器。

数据通信主模块是环网通信的始端和终端，负责信号的发送、接收和处理，同时将处理过后的数据传送至主控计算机ARM。三个逻辑结构相同的数据采集模块1、2和3分别是环网的三个节点，原始发送数据经各个节点后与各节点处采集到的传感器信息一同传送至下一个节点，直至将环网内的传感器信息全部传输至通信主模块。

数据通信主模块主要包含3部分，发送端、接收端和系统总线。发送端主要是将主控计算机ARM传送的控制信息发送至环网的各节点以实现对驱动系统的控制。

如图2和图3所示，分别是通信主模块的发送端和接收端的逻辑图。发送端主要由ARM接口模块arm_interface和ARM发送模块arm_transmit组成。arm_interface中当片选使能信号ce和写使能we有效后，数据通过系统总线按字节依次从地址0写入至s_Tx[63…0],地址累加为8，写入状态位state_T由低电平转为高电平。当状态为state_T有效后，arm_transmit在每一个时钟上升沿将要发送的数据rx[63…0]由并行数据转换为串行数据，并从s_Tx口发送出去。当串口数据发送完后，片选s_Cs转为低电平，表明数据已发送完毕。

数据采集模块1、2和3是环网中的三个节点，除采集传感器信号外，还是系统同步通行的通信从模块，都具有相同的结构和工作原理。以模块3为例，其逻辑设计如图4所示，主要包含接收和发送两部分。其工作原理为：cs片选信号低电平有效时，在同步信号时钟下降沿时，将接收模块将rx端口接收到的串行数据转换为并行数据data_rx[255…0],然后将本模块采集到的传感器信息data_in[111…0]写入data_rx[367…256]中。数据接收并整合完毕后，状态位state_T转为高电平有效。此时发送端将rx[367…0]中的数据有并行数据转换为串行数据，并依次从s_Tx发送出去。发送完毕后s_Cs片选信号变为低电平，表明发送结束。

为测试环网通信的可靠性和传输速率，通过对环网进行多次重复循环试验，每次试验的发送数据都是互不相同的随机数，且循环按ARM最高的主频来进行处理。通过一百万次的双环网循环通信试验，实验结果显示一百万次试验的正确率为100％，这表明该环网通信系统十分可靠。而一百万次试验总共耗时约为38s，即单次数据采集通信试验的时间为38us，满足常规机器人各种子系统对高速数据传输的需求。

(1)在进行点对点通信时，用SignalTapII逻辑分析仪捕捉到的发送端信号和近LVDS传输后接收端收到的信号。如图5所示，发送端输出8位并行16进制数据BD即二进制位1011 1101时，接收端在同步时钟上升沿依次接收，缓存变化为80(1000 0000)，80(1000 0000)，A0(1010 0000)，B0(1011 0000)，B8(1011 1000)，BC(1011 1100)，BC(1011 1100)，BD(1011 1101)，数据由高向低位依次通过SPI串行总线完成1个字节的数据传输，经历8个接收同步时钟上升沿后接收到完整数据BD。

(2)由数据通信环网结构可知，数据通信环网的发送数据是由ARM发出的，并且经环网传输后，接收到的数据包括ARM发送的数据及3个网络节点的传感器数据。为了方便验证环网通信数据的准确性，调试时ARM发送8个字节的随机数，而三个节点的传感器数据中数据采集模块1、3都设为0xFF的12字节数据，而数据采集模块C则设为全0x00的12字节数据。

(3)当ARM发送的8字节随机数据位为0x1730EACA、0x476BF5A6时，经环网后传输到ARM的44字节数据为0x1730EACA、0x476BF5A6、0xffffffff、0xffffffff、0xffffffff、0x00000000、0x00000000、0x00000000、0xffffffff、0xffffffff、0xffffffff共44字节的数据，其中前8个字节与ARM发送的随机数完全相同，后36个字节与调试时设定的0xff和0x00的组合完全相同。经过多次单次环网试验，接收到的数据都是准确无误的。通过此单次环网通信调试表明，该系统能够实现LVDS环网数据传输，具有非常高的可靠性。单次调试的时序图如图6所示。

如图7所示，本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控方法，用于实现本发明实施例的基于LVDS环网总线的机器人高速测控系统，包括以下步骤：

S1、将主控计算机与数据通信主模块相连，数据通信主模块与多个数据采集模块依次相连组成环网；

S2、主控计算机产生控制信号，经过通信主模块发送至环网中各数据采集模块；通过环形链路后，将各传感器采集到的数据汇总至数据通信主模块进行处理，并将处理结果发送回主控计算机；

S21、数据通信主模块按信号的字节依次写入各个地址，地址累加后，状态位由低电平转为高电平，在每一个时钟的上升沿将数据由并行数据转换为串行数据，并将该数据发送出去，数据发送完成后状态位转为低电平；

S22、数据采集模块在信号时钟的下降沿时，将接收到的串行数据转换为并行数据，并将传感器采集到的传感器信息写入其中，数据整合完成后，再将并行数据转换为串行数据，并将该数据发送出去。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。