摘 要

数据采集处理系统是工业示教机器人的重要组成部分，它通过接受并处理编码器采集的机器人各个关节的位置信息，并利用相关的传输手段，将处理后的数据传递给上位机进行后续处理。本文的主要设计目的是利用FPGA(现场可编程门阵列)实现多摩川绝对式编码器与数据采集系统之间的通信协议以及数据采集系统与上位机之间的RS485通信协议，充分利用了FPGA芯片可编程的特点，大大降低了设计的难度。

本设计包括硬件设计和软件设计两个方面，其中硬件设计是对以FPGA为核心的外围电路设计，完成系统电源、编码器反馈以及RS485接口电路的原理图设计，此过程以EDA设计软件Protel DXP为设计工具；软件设计是对FPGA内部进行编程，采用模块化的设计思想，利用VHDL语言完成了机器人位姿学习编码器多摩川协议模块，RS485通信协议模块的设计，此过程以Altera的Quartus Ⅱ软件为设计工具。

最终根据电路设计图制作PCB板，并将设计程序烧入PCB板进行仿真调试，结果表明数据采集能成功实现。

关键词：拖拽式机器人；FPGA；多摩川协议；RS485

Abstract

Data acquisition and processing system is an important part of industrial robots.It accepts and processes the encoder to collect the position information of each joint of the robot, and the use of related transmission means, the processed data is transmitted to the host computer for subsequent processing.The main purpose of this design is using FPGA (field programmable gate array) realize the communication protocol between the Tamagawa absolute type encoder and data acquisition system and data acquisition system and PC RS485 communication protocol, makes full use of the FPGA chip programmable characteristics, greatly reducing the design difficulty.

The design includes two aspects: hardware design and software design. The hardware design is based on FPGA is core to the peripheral circuit design, complete power system, encoder feedback, and RS485 interface circuit schematic design, the process to EDA software Protel DXP as a tool to design; design software is programming on the FPGA, adopts the idea of modular design, using VHDL language to complete the robot pose learning Tamagawa encoder protocol module, RS485 communication protocol module design and the process of Altera Quartus II software design tools.

Finally, according to the circuit design of the production of PCB board, and the design program to burn the PCB board for simulation debugging, the results show that the data acquisition can be successfully achieved.

Key Words：Drag and drop robot; FPGA; Tamagawa protocol; RS485

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题来源及研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 FPGA简介 2

1.2.2 数据采集系统的发展现状 3

1.3 本论文的基本研究内容 3

第2章 拖拽式机器人数据采集系统的总体方案 4

2.1 拖拽式机器人的学习原理 4

2.2 拖拽式机器人数据采集系统的总体方案设计 5

2.2.1 功能需求分析 5

2.2.2 硬件部分总体方案 6

2.2.3 FPGA芯片的选型 7

2.3 本章小结 7

第3章 拖拽式机器人数据采集系统的硬件设计 8

3.1 电源模块电路设计 8

3.2 FPGA硬件模块设计 12

3.2.1 FPGA引脚分配 12

3.2.2 FPGA模块外围电路设计 12

3.3 采集信号输入输出模块电路设计 13

3.3.1 基于多摩川协议的编码器信号采集电路 13

3.3.2 RS485接口电路 14

3.4 本章小结 15

第4章 拖拽式机器人数据采集系统的FPGA程序设计 16

4.1 多摩川协议模块程序设计 16

4.1.1 多摩川绝对式编码器通信协议数据帧结构 16

4.1.2 多摩川编码器协议的FPGA实现 18

4.2 RS485总线协议模块程序设计 20

4.2.1 RS485总线协议的FPGA实现 21

4.3 本章小结 22

第5章 拖拽式机器人数据采集系统的仿真测试 23

5.1 多摩川绝对式编码器信号采集模块仿真测试 23

5.1.1 仿真测试工具及步骤 23

5.1.2 仿真结果及分析 24

5.2 本章小结 25

第6章 总结与展望 26

6.1 全篇总结 26

6.2 设计展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

工 业机器人作为机器人的一个类型，已成为当今社会不可缺少的生产工具，它的应用体现着人类生产力及工业的发展水平。工业机器人被广泛应用在工业生产中，极大的体现出其无法比拟的优越性。它的应用不仅提高了劳动生产率，提高了产品质量，而且改善了工人的劳动状况，使工人脱离了恶劣的工作环境,它的发展和研制对人类的生产和生活方式也将产生深远影响^[8]。

工业机器人能够被编程完成不同的任务，因此被视为柔性的自动化设备。通过某一方式实现对工业机器人作业任务的编程操作^[20]，这个操作过程被称为工业机器人的示教过程，示教再现被认为是目前工业机器人实现学习功能最为普遍的一种编程方式。现有的机器人示教再现(teaching playback)的方式一般可以分为三类:在线示教、离线示教和虚拟示教等三类^[18,20]。