單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發展到現在的300M的高速單片機。

簡介

單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。

單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在產品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機等 。

應用分類

單片機（Microcontrollers）作為計算機發展的一個重要分支領域，根據發展情況，從不同角度，單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

通用型

這是按單片機（Microcontrollers）適用范圍來區分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。

總線型

單片機

單片機

這是按單片機（Microcontrollers）是否提供并行總線來區分的。總線型單片機普遍設置有并行地址總線、 數據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。

控制型

這是按照單片機（Microcontrollers）大致應用的領域進行區分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是一種適用性強的工業用控制器，廣泛應用于各類工業生產線，移動機械設備的控制等環境較惡劣的工業場合。其工作性能穩定，可擴展性強，應用簡便。根據不同的模塊配置，可以進行邏輯及算數運算，對數字開關量、模擬量等進行控制和采集，同時具有豐富的總線接口形式，可以利用公開的協議與不同設備構成復雜的系統。在我們所研制的工業機械手中，各關節由比例閥或開關閥構成開環液壓控制回路，實現比例調速或開關動作，因此我們選用了西門子的S7-200系列PLC作為其控制器。

在一些環境復雜的應用場合，尤其是對于移動機械設備，控制系統的布線受到諸多限制，操作人員與控制系統的位置安排不方便。因此，具有高度靈活性的無線遙控操作系統的應用得到了推廣。目前工業上應用的無線遙控操作系統一般采用無線電數字傳輸方式。一些芯片廠商如Infineon、Micrel、RFMonolithics、Melexis、CML、ATMEL等也都推出了各種適應于不同場合和要求的RF芯片［3》。

無線數傳模塊是一種集成式的專用于無線數據收發的模塊，可直接通過數據總線與其它控制、采集等模塊連接完成無線數據收發功能，廣泛應用于工業遙控、遙測，無線抄表，自動化數據采集等場合。具有可靠性高，功耗低，協議透明使用方便等優點。傳輸距離可以達到幾十至上百米，有些甚至可以到上千米的距離。目前很多廠商推出了工業化、系列化的產品，可以根據不同的使用場合和要求選擇合適的產品。

目前一些廠家推出了專用的基于嵌入式處理器的工業用無線遙控器，其性能優異，集成度高。如HBC、JAY等，應用于混凝土泵車、裝載機等場合。但由于其一般針對專用工程設備，不具有較好的通用性及可擴展性，且主要是國外廠家，價格高昂，其應用推廣受到限制。

在我們研制的多關節工業機械手中，采用PLC作為其主控制器，完成對液壓泵站和各關節液壓閥的開關及比例控制，實現機械手的基本功能。采用無線數傳模塊通過無線通信方式收發數字信號，實現遠程無線遙控功能，所設計的手持遙控器的輸入開關量及模擬量由16位單片機采集并編碼輸出。

總體方案

該機械手用于巷道內進行混凝土噴漿作業，有自動和手動操作兩種模式。自動模式下，PLC控制機械手各關節按程序預定的軌跡運動，調整機械手末端的方位與角度，使噴漿噴頭按設定軌跡運動，且始終垂直于受噴的巷道面，完成巷道表面的噴漿作業。手動模式下，由操作員分別采用按鈕和比例搖桿對開關閥和比例閥進行控制，驅動各關節運動，控制混凝土噴頭的方位及角度。其中按鈕控制泵站的啟停及開關閥的方向切換，比例搖桿則根據操作人員的控制，形成一個±10V范圍內的模擬量，比例閥根據模擬量的大小及方向，控制關節運動速度的大小及方向。

手持操作器的設計

手持操作器的功能為通過處理器的數字IO及AD功能檢測按鈕及搖桿上的操作輸入，并將轉換后的數字信號進行編碼后形成控制指令，通過無線數傳模塊發出。

XC166系列單片機是英飛凌科技（Infineon）的16位微控制器產品，其優異的內核結構，高效的指令集，以及不斷擴充更新的產品線，使其廣泛應用于汽車電子、工業控制和信息技術領域。該系列單片機具有豐富的接口模式，如14通道10位AD變換器，同步/異步串行通道USART，高速同步串行通道SPI，CAN模塊，79個IO引腳等，并可與各種設備組成通訊網絡。同時，該系列單片機適應于惡劣的工業環境，工作溫度可在-40～125°C。［6》針對我們所設計的手持操作器的功能，我們選擇了XC166系列中的XC164CS型單片機。這樣只需附加極少的外圍硬件，就可以實現所需的功能，同時，使該遙控器具有工作性能穩定和易于進行功能擴展的優點。

手持操作器的功能模塊主要包括AD采樣功能，即采集搖桿操作產生的比例控制電壓;數字IO功能，即采集按鈕操作狀態和進行一些功能狀態顯示;通訊功能，即定時地將采集到的控制指令按規定的格式編碼后通過串口以無線的方式發送。

手持操作器由電池供電，XC166系列單片機及無線數傳模塊可以滿足低功耗的要求。

數據可靠性

無線遙控操作系統必須保證數據傳輸的高可靠性和控制的安全性，避免發生失控和錯誤控制指令現象，本系統主要通過以下幾方面來保證：

無線數傳模塊的高抗干擾能力和低誤碼率，高效前向糾錯信道編碼技術;

串行通訊協議校驗，一般采用奇偶校驗;

軟件協議校驗;通過軟件編程，對發送的數據進行校驗，可采用CRC校驗、交互確認或多次發送對比的方式。在我們的程序中采用同一動作指令重復發送的方式，只有命令指令與確認指令完全相同，PLC才接受指令，否則忽略此指令。這樣就完全避免了通信所產生的錯誤指令;

PLC的“軟件看門狗”;在PLC程序中設置定時程序，當超時未收到無線指令時，停止機械手動作，防止由于通訊中斷而使機械手失控;

通過以上四個措施，可以有效地保證無線遙控的可靠性，防止產生錯誤操作指令或機械手失控。

5.結論

通過試驗證明，這種采用PLC和無線數傳模塊的遙控方式簡單可行，由于PLC及數傳模塊都有成熟的工業化產品，可靠性高，成本低，擴展性好，因此本方案具有較高的實用價值，簡化了設計過程。但手持操作器中的單片機模塊尚需進一步的工業化設計，以達到更高的工業可靠性要求，并實現總線通信、自檢驗等更多功能。

本文作者創新點：通過設計一種新的架構體系，利用工業化的無線數傳模塊，將PLC控制與無線遙控結合起來，使機械手控制系統能夠兼具二者的優點，降低了成本、滿足了控制系統穩定性、兼容性及無線控制的要求。