机械手臂的处理器间通信

我正在构建一个爱好6自由度的机械臂，想知道最好的方式是在处理器之间进行通信（3-4个AVR，最大间隔为18英寸）。我想在计算机上运行控制环，该控制环通过Atmega32u4 USB-to-???向微处理器发送命令？桥。

我正在考虑的一些想法：

1. RS485
   • 优点：所有处理器都在同一条线上，差分信号更强大
   • 缺点：需要额外的芯片，需要编写（或查找？）协议以防止处理器同时传输
2. UART循环（即，一个处理器的TX连接到下一处理器的RX）
   • 优点：简单的固件，处理器内置UART
   • 缺点：上一次连接必须经过机械手的行程，每个处理器必须花费周期来重新传输消息
3. CANbus（对此我知之甚少）

我主要考虑的是硬件和固件的复杂性，性能和价格（我不能购买昂贵的现成系统）。

您要使用USB与计算机进行通信。如果您有许多微控制器，则可能只会将其中一个微控制器直接连接到计算机。其他微控制器将需要从主微控制器获取命令。

您选择的通信方式取决于许多因素：

• 所需的带宽（我们假设您以16MHz的频率运行它们）
• 复杂度（接线和编码）
• 双向或主从

几乎所有选件都具有AVR微控制器的内置支持。没有比内置选项更合理的选项，因为内置选项需要额外的硬件。因为它们具有内置支持，所以软件的复杂性都是相似的，您只需配置端口（使用寄存器），将要发送的数据放在另一个寄存器中，然后通过在另一个寄存器中设置一个位来触发发送。在另一个寄存器中找到接收到的所有数据，并触发一个中断，以便您进行处理。无论选择哪个选项，唯一的区别就是寄存器位置的更改以及配置寄存器的某些更改。

USART循环具有以下功能：

• CLK / 16的最大波特率= 1MHz（在16MHz时钟下），这是大约90KB / s的传输速率
• 完全双向通信（无主机名或从机名）
• 每对微控制器之间都需要分开的导线-Atmega32u4本机支持两个USART端口，从而限制了您实际上可以在网络中连接的微控制器的数量（否则最终会产生一长串微控制器-即，以链接列表的形式连接）方式）

注意：这也是您用于获得RS232通信的方式，但由于RS232需要10V，因此它需要驱动器来获得这些电压电平。对于微控制器之间的通信，这没有用（仅更改电压电平）。

RS485：

• 本质上，您以不同的模式使用USART端口-带宽没有优势，它可能只会稍微简化布线，但也会使其复杂化。不建议这样做。

两线接口：

• 这也称为I2C。这意味着所有设备共享相同的两条线。

• 两条线上都需要一个上拉电阻

• 它很慢（因为上拉电阻的值受到限制，并且随着器件数量的增加和导线长度的增加，电容也随之增加）。对于此AVR微控制器，速度高达400 kHz-比USART慢（但该速度取决于限制电容）。原因是尽管设备将数据线驱动为低电平，但相反的过渡是通过使数据线再次浮空（上拉电阻）来实现的。

• 当您考虑所有通信共享相同的有限带宽时，速度甚至会更慢。由于所有通信共享相同的有限带宽，因此在通信中可能会有延迟，数据必须等待直到网络空闲才可以发送。如果不断发送其他数据，则也可能阻止该数据发送。

• 它确实依赖于主从协议，其中主节点寻址从节点，然后发送命令/请求，然后从节点进行回复。一次只能一个设备进行通信，因此从设备必须等待主设备完成。

• 任何设备都可以充当主设备和/或从设备，这使其非常灵活。

SPI

• 这是我建议/用于微控制器之间的常规通信的内容。

• 它具有很高的速度-最高CLK / 2 = 8MHz（对于CLK为16MHz），使其成为最快的方法。这是可以实现的，因为它单独用于时钟。

• MOSI，MISO数据和SCK时钟线在整个网络中共享，这意味着其布线更简单。

• 它是主从格式，但是任何设备都可以是主从设备。但是，由于从站选择的复杂性，对于共享布线（在网络内），您只能以分层方式使用（与两线接口不同）。IE浏览器 如果将所有设备组织到树中，则设备应仅是其子设备的主设备，而应仅是其父设备的从设备。这意味着在从模式下，设备将始终具有相同的主设备。另外，要正确执行此操作，您需要在MISO / MOSI / SCK的上游主机上增加电阻，这样，如果设备在下游进行通讯（未选择为从机时），则通讯将不会影响其他部分的通讯。网络（请注意，使用电阻器可以执行此操作的级别数是有限的，有关使用两个SPI端口的更好解决方案，请参见下文）。

  当从属选择时，AVR微控制器可以自动将MOSI信号置于三态，并切换到从属模式（如果处于主模式）。

  尽管可能需要分层网络，但大多数网络都可以树状组织，因此通常不是重要的限制

• 由于每个AVR微控制器都支持两个单独的SPI端口，因此上述内容可以略微放松，因此每个设备在两个不同网络中的位置可以不同。

  话虽如此，如果您的树/层次结构中需要多个级别（超过2个），则上述使用电阻器的解决方案就太麻烦了。在这种情况下，您应该在树的每一层之间更改SPI网络。这意味着每个设备将在一个SPI网络上连接其子设备，并在另一SPI网络上连接其父设备。尽管这意味着您只有一棵连接树，但好处是设备可以同时与其子代和父代进行通信，并且您没有灵活的电阻器（总是很难选择正确的值） 。

• 由于它具有独立的MOSI和MISO电线，因此主设备和从设备都可以同时进行通信，这使其潜在的速度提高了两倍。每个附加从机的从机选择都需要一个额外的引脚，但这并不是很大的负担，即使10个不同的从机也只需要10个额外的引脚，就可以很容易地将其容纳在典型的AVR微控制器中。

您指定的AVR微控制器不支持CAN。由于还有其他好的选择，因此在这种情况下可能并不重要。

推荐使用SPI，因为它速度快，接线不太复杂并且不需要灵巧的上拉电阻。在SPI无法完全满足您的需求的极少数情况下（可能是在更复杂的网络中），您可以使用多个选项（例如，同时使用两个SPI端口和双线接口，以及将一些微控制器配对使用USART循环！）

在您的情况下，使用SPI意味着自然可以将具有USB连接到计算机的微控制器作为主机，并且可以将相关命令从计算机转发到每个从属设备。它还可以从每个从站读取更新/测量并将其发送到计算机。

在8MHz和0.5m的线长下，我认为这不会成为问题。但如果是这样，请尝试更小心电容（保持接地和信号线之间的距离太近，并注意不同导体之间的连接）以及信号端接。万一仍然存在问题，可以降低时钟速率，但是我认为没有必要。

我强烈推荐CAN用于处理器间通信。我们在机器人中使用它，同一总线上最多有22个处理器。通过良好的协议设计，您可以使用大约90％的可用带宽（如果将所有错误检查和帧间间隔都考虑在内，则大约为640kbps）。我们能够在一条CAN总线上以1000Hz的频率伺服10台电动机。这已接近极限。如果非常仔细地打包数据，则可能会将其压缩到20个电动机上。

通常，CAN需要为每个处理器配备一个收发器芯片（这只是一个8针设备）。该收发器为您提供了很好的差分信号，该信号几乎不会产生干扰，如果您在电气噪声环境（电机，螺线管和无线电发射器）中工作，它也可以不受干扰。

但是，在有限的情况下，实际上可以在不使用收发器的情况下使用CAN。

如果您想实现带宽很大的总线，建议您尝试使用EtherCAT。这是一条100Mb的总线，可以连接到PC的以太网端口。总线有两个重要部分：

• 桥。这将以太网物理层转换为更简单，成本更低的LVDS物理层，该物理层不需要大型连接器，Phy芯片以及以太网本身需要的许多组件。
• 节点。每个节点仅需要一个ET1200芯片和一个微控制器。

PC可以以1kHz或更快的速度与节点之间收发大量数据。您可以在一条EtherCAT总线上控制很多东西。

添加：

Shadow Robot Company现在出售一种有用的EtherCAT总线系统，称为Ronex。它使您可以添加大量的I / O，并且它们很快将引入许多其他类型的板，例如电机控制器和高质量ADC。

我知道我正在挖掘一个旧线程，这有点离题，但是我认为您无法从Beckhoff获得ET1200芯片。我不久前给他们发送了电子邮件，并被告知我需要加入Ethercat组。为此，我必须证明我将为团队做出贡献-即，通过制造和销售使用Ethercat产品的设备。在那个（和这个）时间点上，我仍在对我的设备（用于机器人应用的无刷电机控制器-当前正在使用CAN）进行原型制作，因此我什么也不能提供（我不能给完成工作留下足够的时间-我仍在努力工作）本科）。我对他们表示失望。他们说不要失望！很有趣的东西！我真的会我喜欢进入Ethercat，但对于爱好者或没有公司的人来说，ASIC似乎是不可接触的。另外，这是我的第一篇文章，如果我通过挖掘旧文章激怒了众神，我深表歉意！