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用于实时运动控制的红外无线数据传输
摘要：在本文中，进行了几种比较适合实时控制的快速运动系统的无线解决方案。通过比较，快速红外（FTIR）通信链路被提出是解决无线控制机器人的一种有吸引力的方案。因为即使不满足标准的红外端口的最小时延的要求，一种新的红外（IR）无线链路的基础上已开发的VFIR标准修改。介绍了红外无线链路可以在不到7微秒内发送64个数据位从输入端口的发射机到输出端口的接收器。这是一次通过自定义数据包和数据处理。这样的延迟使得无线链路无法区分有线连接能达到几kHz的采样频率。多次试验证明了在最大可靠范围内延迟和0.7米左右的CRC错误率优于10-7。
关键词：无线数据传输、红外低潜伏期，实时控制
1. 简介
现在无线网络是必不可少的，很多人不能想象他们的生活没有手机或无线互联网。微型化与微控制器的复杂性和性能的增加，帮助创建了许多紧凑，廉价和高性能的无线通信模块。在过去的十年中，控制系统的无线通信也有越来越重要的意义。这是因为有线解决方案有时是不可取的，例如在移动系统中，它需要运动的自由或电线暴露在某种压力的地方。对于控制系统，要求是不同的，只是高速度长距离。短延时的要求往往是第一次连接的可靠性。短延迟是一个非常相关的表达式，依赖于受控系统。当建筑物的温度控制在几秒钟或几分钟的时间内时，数百毫秒的延迟就足够了。另一方面，当快速运动系统被控制时，链路的延迟应保持在微秒内。在这样的系统中，传感器，控制器和执行器上的延迟已经可以明显降低系统的性能，因此，所有额外的延迟应尽量减少。链路的可靠性对控制系统也是非常重要的。当链路的延迟是在采样率和时间常数比较短的系统中，损坏的数据包可以转发，这是大多数无线通信技术的正常行为。在一个具有高采样率和短的时间常数的系统中，这是不可能，如运动系统。在这里，重发的数据包是不可取的，因为控制器或执行器需要最新的数据样本和旧的数据是不相关的。这给出了两个额外的条件，这样的无线链路：没有重传的数据包和非常小的错误率。另一个需要考虑的特性是传感器、控制器和执行器之间的连接是必要的。如果传感器和/或致动器分布在某些区域，多点连接是可取的。这通常是真实的分布式多输入多输出（MIMO）系统。另一方面，多点连接意味着一个承载介质之间共享的几个点，因此通信需要控制与一些调度。在同一范围内使用的介质这种情况下，部分的点至点连接时，这样的链路半径在其他通信链路工作时是有效的。否则，在单输入单输出（SISO）系统或MIMO系统与集中的传感器和致动器，点至点连接是更有利的，因为不需要通信调度。本文的目的是找到最合适的无线通信技术的机械手前，磁悬浮平面机构闭环控制。
2. 运动系统
位于磁悬浮平面致动器顶部的操纵器是开发用于光刻工业或拾取和放置操作的高精度机器的下一步。该系统将磁悬浮平面致动器的长行程运动与机械手顶部的排序行程相结合。悬浮系统，特别是在真空中，由于轴承，确实具有很小的摩擦或阻尼。为了更好地改善干扰衰减并延长移动自由度，从地下室到移动部件都不使用电缆。为了实现这一点，平面致动器的移动部分由永磁体制成，线圈用于基板（Jansen等，2008）。在平台顶部的操纵器通过从基板中的线圈到放置在移动平台上的次级线圈的能量传递无线地供电。 （见图1）用于控制机械手的实时无线数据传输是本文的主要内容。由于没有电缆，因此具有操纵器的平台理论上可以在水平面上自由移动。实际上，长行程运动受到由盘管制成的基板的面积的限制。平面致动器的自由运动面积预计在每个方向上最多为几百毫米。这给出无线链路上的第一个条件或建议：足够的范围约1米。机械手包括3台三相电机。编码器用作传感器。由于在平台上的FPGA中都执行了所有三个电机的换向算法，因此只需要电流幅值作为每个电机的控制信号。每个电机的控制信号的期望分辨率为16位。每个电机的位置由连接到编码器的20位计数器表示。除此之外，还有一些控制和状态信号。最后，数据包已被选择为64位，两种方式。如果要以微米精度控制运动，采样率应至少为1 kHz或更高。这给出绝对最小带宽为64 kb / s。显然，这个限制绝对不足以用于控制目的，因为这样的数据链路导致2个样本的延迟。希望将延迟减少到可忽略的值，因此无线连接将提供与有线连接大致相同的性能。因此，链路的延迟或延迟的限制被选择为每个方向的采样时间的1/20，因此无线链路的额外延迟将仅为闭环采样时间的1/10 。在采样率为1 kHz的情况下，无线链路应传输50us数据的64位数据，当数据包中不使用任何附加位时，这些数据给予最小带宽1.28 Mb / s。链路的可靠性也是必要的，因为操纵器性能将降低，并且平台与操纵器的同步运动将是具有较高分组丢失率的问题。
图1 磁悬浮平台与机械手的概念
3. 无线解决方案概述
在本节中，介绍了现有的无线通信技术，这些技术似乎适合实时控制。有两种主要类型的无线链路。第一类发射无线电波上的数据。通常使用2.4 GHz左右的免许可频率。这是Zigbee（Zigbee，2007），IEEE 802.11b WLAN（UDP / IP）（IEEE 802.11，2007）和蓝牙（蓝牙，2007）的情况。第二种类型使用可见光或不可见光谱中的光发射数据。两种主要技术属于这一类别：VFIR（VFIR，1999）和Laser Link（例如LaserLink，2008）。 Zigbee，蓝牙和激光链路被设计为使用数据重传的可靠网络连接。这可以增加延迟。即使在延迟规范的情况下重传的原理看起来似乎没有效率，过去进行了几次关于使用重传协议的技术进行控制的测量。从这些研究中可以得出每个特定无线解决方案的一般延迟。 Zigbee是为无线个人区域网络中的低功耗数字无线电开发的，用于需要低数据速率，长电池寿命和安全网络的应用。对于64位数据，最大实际吞吐量约为130 kb / s，延迟为5 ms（Latre等，2006）。因此，带宽和延迟都不足以进行设置。
蓝牙使用称为跳频扩频的无线电技术。它也是为WPAN开发的，用于轻松连接多个设备。在最后一个版本2.0中，它具有足够的实际带宽为2.1 Mb / s，但最小延迟太大。
IEEE 802.11b UDP / IP（用户数据报协议）是简单的基于消息的连接协议。该协议不重新发送数据包，因此延迟很小（Ploplys等人，2004），但仍然超过所需的25倍以上。实际上，可以实现的最大吞吐量对于大数据分组为大约7.7Mb / s，但对于64位数据分组仅为约250kb / s（例如Heusse等人，2003）。这是由于分组中的大量开销和处理信号的方式引起的。
VFIR（红外线红外）是红外数据协会（IrDA）的最后一个标准。它是一个点对点，窄角（30°锥），自组织数据传输标准。 VFIR具有广阔的带宽和延迟。
激光连接是使用激光束进行从几米到几公里距离的高带宽点对点数据传输的解决方案之一。其缺点是价格高昂，需要精确瞄准收发器。此外，延迟不适用于运动系统控制。
所有呈现的无线解决方案都有一个共同点，这是一个广泛的数据包，具有网络所需的大量信息，但在点对点实时控制中却无济于事。还有可能购买具有自定义协议和足够带宽的定制收发器。这样的解决方案之一在de Boeij（2009）中提出，其中2.4GHz收发器使用非常简单的协议和最大带宽为1.5Mb / s。 123位的数据包大小包含64位数据，因此实现了175微秒的平均延迟。不幸的是，分组丢失率随着带宽的增加而显着增加，在1.5 Mb / s时达到10-2以上。如果数据包中有重传，链路将是绝对可靠的，但延迟会增加。这就是Zigbee或蓝牙技术的情况。在2.4 GHz频率工作的所有无线电链路中，丢包率和延迟之间的折衷问题是常见的。这无疑是因为这种频率被许多不同的无线技术所占据。因此，最好是寻找无法与其他人共享链接的无线通信媒体。在路径中没有障碍物的定义环境中的点对点连接的情况下，光似乎是最合适的候选者。激光和红外线连接的主要区别在于，与使用IR发光二极管生产圆锥光束的红外线相比，激光以窄光束辐射到较远的距离。锥形光束的强度与限制IR数据链路范围的距离的平方成反比。尽管如此，VFIR具有从现有解决方案概述中获得的最佳性能。对于所提出的运动系统，没有障碍物和短距离的直接路径的必要性是没有问题的。
VFIR物理层规范定义了100微秒的最大延迟。这个等待时间被定义为接收机作为处理输入信号的最大时间。 还有一个由数据包定义引起的延迟。 在分组中仅发送少量数据的情况下，这是控制信号的常见情况，也会发送大量废弃位。 例如，64位数据创建一个360位的数据包。 如果我们不包括接收机的延迟，并且实际吞吐量降低到2.8Mb / s，则可以在23微秒内发送这样的分组。 因此，基于VFIR标准的修改，已经开发了一种新的IR无线链路。 该修改包括发送和接收信号的定制处理和更适合于实时控制应用的新分组定义。
4. IR无线连接实时控制
由于新颖的IR无线链路使用与VFIR相同的原理，因此使用相同的收发器。收发器模块本身非常简单，它们可以作为发射器工作，并将进入的电脉冲转换为光脉冲，或者它们处于接收模式，其中将来临的光脉冲转换为电脉冲。这种收发器模块例如是来自Vishay的TFDU8108（TFDU8108,2007）。该设备非常小，需要最少量的附加离散零件。为了控制这些模块和处理输入和输出信号，使用了一个FPGA（现场可编程门阵列）Xilinx Spartan IIE（SpartanIIE，2008）。 FPGA已被选择，因为它允许以不同的时钟速率并行执行多个线程。此外，由于使用互连的逻辑门，它具有非常快的整数运算。因为IR无线链路被设计为作为有线连接的替代，整个链路应该从外部看起来像一个64导体的数字电缆。此外，这两个链接中有两个同时工作（全双工）。通过两对收发器在每侧实现同时操作（图2）。只能使用一对收发器进行双向通信，但不能在全双工模式下进行，并且在发射机之间的发送和接收模式之间进行切换将导致额外的延迟。
图2 用于RT控制的全双工IR无线链路
VFIR定义了16 Mb / s的数据速率，但是数据以2/3的码率进行调制，这意味着以24 MHz编码的数据以芯片或脉冲的形式发送。 HHH（1,13）用作调制码以达到指定的数据速率。对于至少一个空芯片，HHH（1，13）（（d，k）=（1,13））游程长度限制）码保证在传输的IR中包含脉冲的码片之间的至少13个空芯片。编码器/解码器系统通过简单的加扰/解扰器功能被增强。通过在数据发送/接收期间加强具有加扰/解扰功能的系统，可以在HHH（1,3）编码的信道芯片流中实现一般更好的占空比统计。自定义通信协议被设计成使得存在连续的同步序列流，随后是分组。同步序列（SS）包含24个芯片来同步接收机的内部时钟并识别分组的开始。这部分不是HHH编码的（1,13）。数据包包含三个字段：数据，CRC和刷新字节（FB）。数据字段由64位数据组成，但任意长度是可能的。 CRC（循环冗余校验）具有16位，后跟8位冲洗字节，以使CRC字段完全解码。该数据包已经创建，没有任何数据校正顺序。该选择的原因将在后面显示。数据包后立即再次发送SS。总的来说，分组与SS一起包含104位或156个芯片，净传输时间为6.5微秒，吞吐量为9.8 Mb / s。这比标准的VFIR通信协议快约3.5倍！由于信号的编码/解码，从一个FPGA的并行输入端口到另一个FPGA的并行输出端口的总传输时间稍长（约6.8微秒）。除了编码器/解码器和扰码器/解扰器之外，FPGA中还有其他块可以成功和可靠地通信。数字相位锁定（DPLL）块中的时钟信号从接收数据中恢复。该时钟信号用于同步所有接收器块（解码器，解扰器）。另一个块计算发送或接收数据的CRC校验和，以将其添加到数据包或将其与输入的CRC校验和进行比较。如果CRC校验和是正确的，数据处理的最后一个数据块将数据复制到连接到FPGA输出端口的输出缓冲器。由于数据包中没有数据校正序列，所以在数据发生错误的情况下，输出信号保持不变。有一个附加的块不连接到传入或传出的数据处理。这个块在给它们上电之后初始化IR收发器（图3）。
图3 FPGA内部的数据处理
5. 结果
在前一章中，介绍了一种用于实时控制的IR无线链路。所提供的链接可用于短距离更换电缆。小于7微秒的延迟与大多数应用中的有线解决方案相当。如果延迟与采样时间的1/20的期望最大延迟进行比较，则可以容易地获得7kHz的可实现采样率。为了实现所提出的运动系统控制回路，已经进行了一些调整。一端的FPGA连接到dSpace系统（dSpace，2008），用作控制器。在操纵器侧，第二个FPGA用于运行电机的换向算法，并确保IR无线通信。从dSpace数字I / O端口到FPGA和背面的两个连接由两根32芯电缆而不是64芯导线连接，因为使用128个数字I / O信号太昂贵和复杂。由于平行链路宽度减少了两倍，因此不能一次发送到dSpace的数据，而是一个接一个地发送/接收两个32位字。在dSpace和FPGA之间发送/接收数据会导致额外的延迟。主要的延迟是数字输入到dSpace，需要1.8微秒的总时间来读取两个连续的数据字。与数字输出的通信速度要快得多，并且在0.6微秒内都会发送32位字。在机械手的一侧，由于发送/接收的数据在FPGA内部用于控制机械手，因此不使用外部输入或输出。由于在一个FPGA中实现具有IR无线链路的换向算法仍在进行中，所以在控制环路中没有操纵器进行IR无线链路的性能测试（见图4）。因此，代替换向算法，第二个FPGA接收的数据只是重新回到测试双向通信。
图4 原型全双工IR无线链接照片
已经对所呈现的IR无线链路进行了一些测试。在“开环”测试中，操纵器FPGA和dSpace之间的单向通信
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