关于机器人外设的规范

gicren

（注：本文所指的机器人，即教仪、DIY、家庭等简易机器人）

前言

      在我刚接触电子行业时，正值单片机行业百花齐放之时，以MCS51、PIC、AVR、MSP430等单片机为主控制器的开发套件琳琅满目，虽然单片机的内部资源大同小异，但在鬼斧神工的雕琢下，其外形可谓大相径庭……
      多年之后，一个如今备受全球青睐的以AVR单片机为核心的Arduino控制器鬼魅般地出现，它结合单片机的资源将控制板的外形与功能做了一个规范，渐渐地，很多围绕Arduino的外设厂商如雨后春笋般出现。后来，当我看到Renesas(GR-SAKURA)、TI(Arduino TRE)、Intel(Galieo)的出现，为之震惊，并意识到一个合理的规范，其价值远超一款优秀的产品。
      我与很多机器人爱好者一样，平时喜欢DIY，偶尔也会沉浸在小小发现后的喜悦中。直到有一天，终日徘徊于硬件与软件的简单生活被打破，增添了几分骚动，我发现，在很多机器人的应用中，Arduino并非游刃有余。机器人外设也是需要一个合理的规范，而且这个需求日益明显，我想自己并不是第一个尝试制定规范的人，然而时至今日，却一直没有看到对机器人外设通用规范的出现。可想而知，对机器人外设进行规范的难度，只因其风情万种。确实，机器人行业是一个多元化的行业，有着各式各样的应用需求，与其苦寻一种通讯接口作为代表，不如选择一个合适的端子包容它们，于是执笔写下这篇博文，与大家分享自己的一些心得与体会，同时也希望大家踊跃发表自己的观点与看法，一同定义一个合理的机器人外设规范。
      以鄙人之鄙见，机器人外设可按通讯距离分为近距离设备与远距离设备，近距离通讯设备又可细分为常规设备与桌面设备。常用的通讯接口很多，例如：UART、SPI、I2C、RS232、RS422、RS485、CAN、USB等，它们都有其优秀的一面，倘若一定要在其中选择几种，我只能忍痛割爱，选择了最普及的I2C、RS485、USB。接下来，应选择合适的端子，对于机器人的应用，务必考虑工作电流与外形尺寸，然而又一度陷入抉择的泥潭，显然这次还是难以做到情有独钟，请容许我再多情一回，留下潇洒满人间。对比了众多的现有接线端子，包括外形美观性、性价比等等，最终选择了公座DB9（车PIN的单引脚最大连续电流可达5A，主要用于功率驱动设备。注：市面上DB9有常规、窄体单排与窄体双排三种类型）与表贴的公座PH2.0-9PIN（单引脚最大连续电流可达2A，主要用于传感器设备）。
      在此，请允许我给它命个名吧，RSDS，即Robot Standard Device Socket的简称，您看何如？同时将公座DB9称之为RSDS-A，表贴公座PH2.0-9PIN称之为RSDS-B。



关于端子引脚的定义

      关于9PIN引脚的定义如下：
      1、RS485-A
      2、RS485-B
      3、SDA/USB-D+
      4、SCL/USB-D-
      5、GND
      6、VCC
      7、VCC
      8、Error/USB Detection
      9、GND

      RSDS实现了不同接口类型的设备，通过一个Socket连接在一起，从而使得设备级联时，更加简洁、美观。同时规定，通讯方式严格遵循主从式结构，即在系统中仅有一个系统主设备（所有数据传输的发起者），其余均为系统从设备。

疑问1：系统从设备出现故障时，如何通知系统主设备？
解决方法：RSDS为解决这个问题，引入了一个指示引脚8，通过外部上拉电阻至高电平，所有的系统从设备均将与该引脚相连的端口设为开漏输出。任何一个系统从设备出现异常，可通过拉低该引脚通知系统主设备。系统主设备在检测到异常后，遍历所有的系统从设备，读取故障字，以获悉所有的故障源。

疑问2：当设备具有USB接口时如何使用？
解决方法：由于USB接口不存在设备间的级联问题，RSDS为解决这个问题，所有的系统从设备，在初始化期间，将检测引脚8的状态，若外部将该引脚拉至低电平，则使能连接，等待主机枚举，若在规定时间内未被成功枚举，则关闭连接（所谓的连接，即是否使能D+或D-的上拉电阻，通知USB集线器有设备插入）。

关于电路板的外形尺寸

      关于电路板外形尺寸的规范，这个需溯及Microsoft.NET Gadgeteer，Gadgeteer设计团队对产品的规范做了很多的工作，我很欣赏他们的一些规范，在此感谢他们对机器人行业的贡献。


通讯协议参考及现有产品展示

Gicren设备通讯协议(RS485/G485_V11)
Gicren设备通讯协议(I2C/GI2C_V11)
SoftServo-B10CH（10路舵机控制器）
SoftServo-B24CH（24路舵机控制器）

learner123

软广告，楼主该交广告费了

tlsmf

。。。            

bailao99

从抗干扰，适当速率，端子数尽量少等几个方面考虑，选择CAN比较明智，CAN收发器现在都是2rmb以下了。DB9的尺寸有点大，抗振动性能不佳。不动的设备可以考虑DB9，动的设备要往汽车上靠。USB，IIC都存在抗干扰性能不佳的问题。USB用于器件间互联，需要提供HOST支持，目前支持USB host的单片机较少，价格小贵。内部各单元之间互联在考虑速率的前提下，要特别注重可靠性，另外是考虑成本。

gicren

learner123 发表于 2013-11-6 17:29
软广告，楼主该交广告费了

无心插柳柳成荫，大人恕罪啊，

gicren

bailao99 发表于 2013-11-8 11:52
从抗干扰，适当速率，端子数尽量少等几个方面考虑，选择CAN比较明智，CAN收发器现在都是2rmb以下了。DB9的 ...

1、原本差分信号的接口是选CAN的，后来考虑到很多工程师更熟悉RS485，为了降低门槛就选择RS485了。
2、最早我也以为DB9是比较大的，后来装了两三个电子市场，当我看到窄体DB9时，被深深吸引了，DB9有窄体单排和窄体双排，有一种窄体双排的，单引脚最大电流可以做到5A，两个并联，10A，对大多数的机器人外设是完全没有问题的
3、USB不存在直接并联的问题，使用USB的时候，需要转换头，不在设备上直接设计USB座子，主要是为了达到一个连接器的设想
4、I2C主要用于近距离设备间通讯，我发现很多工程师喜欢用UART，当仅有一个UART的MCU，并且被占用的时候，I2C可解燃眉之急
最后，对bailao99的悉心点评，万分感激......

gicren

bailao99 发表于 2013-11-8 11:52
从抗干扰，适当速率，端子数尽量少等几个方面考虑，选择CAN比较明智，CAN收发器现在都是2rmb以下了。DB9的 ...

前辈有推荐的连接器吗？我找了很长时间，都没有找到非常满意的，窄体DB9算是相对比较满意的了

bailao99

到mouser或者digikey上查查，内部互联一定要考虑可靠，简单，还有应该是可变的一主多从，而不是固定的一主多从