（控制理论与控制工程专业论文）机器人控制器设计与实现.pdf

a b s t r a c t ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , r o b o t i c t e c h n i q u e s h a v e b e e n a p p l i e d t o m a n u f a c t u r i n g , a g r i c u l t u r e , m e d i c a l t r e a t m e n t a n d m a n y o t h e r a r e a s o f i n d u s t ry . a d v a n c e s i n r o b o t c o n t r o l l e r , t h e c o r e t e c h n o l o g y o f r o b o t i c s , h a v e a l s o b e e n m a d e w it h t h e d e v e l o p m e n t o f a u t o m a t i c c o n t r o l t h e o ry , c o mp u t e r s c i e n c e , m i c r o e l e c t r o n i c s , m o t o r d r i v e t e c h n i q u e s , a n d s e n s o r t e c h n i q u e s . c a rt e s i a n - c o o r d i n a t e r o b o t s a r e w i d e l y u s e d i n ma n y p l a c e s t h a n k s t o t h e i r s i m p l e s t r u c t u r e s . t h i s p a p e r d e m o n s t r a t e s t h e d e v e l o p m e n t o f a g e n e r i c c o n t r o l l e r b a s e d o n a n e m b e d d e d s y s t e m u s e d in r o b o t s w i t h 3 d e g r e e s o f fr e e d o m . a ft e r c o m p r e h e n s iv e l y a n a ly z i n g a n d c o m p a r i n g v a r i o u s a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s a n d m e t h o d s u s e d i n r o b o t c o n t r o l , a n o v e r a l l s o l u t i o n b a s e d o n d s p a n d c p l d w a s p r o p o s e d . t h e p a p e r a l s o f o c u s e s o n t h e h a r d w a re d e s i g n a s w e l l a s t h e s o ft w a r e d e v e l o p me n t o f t h e r o b o t c o n t r o l l e r . s p e c i f i c w o r k a n d a c h i e v e m e n t s i n t h e res e a r c h i n c l u d e : a n o v e r a l l s o l u t io n f o r t h e d e v e l o p m e n t o f a r o b o t c o n t r o l l e r b a s e d o n a n e m b e d d e d s y s t e m , h a r d w a r e d e s i g n u ti liz in g d s p a n d c p l d . w it h th e h e lp o f m o d u la r iz a t io n m e th o d s , a c o m p lic a te d c o n t r o l s y s t e m w a s d i v i d e d i n t o s e v e r a l s u b s y s t e m s w i t h r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t f u n c t i o n s . f o r e x a m p l e , t h e p o w e r m o d u l e , t h e m e m o ry mo d u l e a n d t h e c o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c e m o d u l e e t c . a n d e a c h s u b s y s t e m w a s t h e n d e s i g n e d r e s p e c t i v e l y . t h e s o ft w a re w a s d e v e l o p e d w i t h d s p d e v e l o p m e n t t o o l c c s a n d c p l d d e v e l o p m e n t t o o l m a x p l u s 1 1 , m e e t i n g t h e u s e r s d e m a n d s . f u n c t i o n t e s t s w e r e d o n e o n t h e s a m p l e m a c h i n e b y m e a n s o f s i m u l a t i o n t e s t i n g . r e s u l t s s h o w t h a t n o t o n l y h a s t h e c o n t r o l s y s t e m b u i l t wi t h d s p a n d c p l d a c h i e v e d t h e d e s i g n e d f u n c t i o n s , it h a s a l s o g a i n e d b e tt e r r e a l - t i m e p e r f o rm a n c e a n d i s m o r e re l i a b l e . t h e s e w o r k l a i d a s o l i d t e c h n i c a l f o u n d a t i o n f o r t h e n e x t p h a s e o f r e s e a r c h : t h e r e a l i z a t i o n o f mu l t i - ax i s mo t i o n co n t r o l f u n c t i o n s . ke y w o r d s : c a rt e s i a n - c o o r d i n a t e r o b o t , r o b o t i c c o n t r o l l e r , d s p , c p l d 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存 论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在 不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术 活动。 学位论文作者签名: 切7 年上月 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名: 一机 戮 乃 学位论文作者签名: 舟 华 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长 5 年，可少于5年) 秘密1 0年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中己 经注明 引用的内 容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉 及的 研究工作做出 贡献的其他个人和集体， 均已 在文中以明确方式标明。 本学 位论文原创性声明的法律责任由 本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 :部 孙7年 s 月i ff 日 第 一 章 绪论 第一章 绪论 第一节 引言 1 9 5 9 年，美国的发明家英格伯格和德沃尔联手制造的世界上第一台工业机 器人，开启了 人类真正使用机器人的历史。在随后这短短的几十年中，伴随着 计算机科学与技术，自动控制理论，以及其他相关技术的发展，同时在工业生 产需要的促进下，机器人理论、 技术与应用得到了 高速的发展。回顾其发展历 程，大致可划分为3 个阶段。 7 0 年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发 展，机器人技术得到了快速发展。1 9 7 4 年c i n c i n n a t i m i l a c r o n 公司开发成功多关 节机器人。1 9 7 9 年，u n i m a t i o n 公司又推出了p u ma 机器人，它是一种多关节、 全电动驱动、多c p u 二级控制;采用v a l 专用语言: 可配视觉、触觉、力觉等 传感器，在当时是一种技术先进的工业机器人。 现在的工业机器人结构大体上 是以 此为 基础的。 这 一时 期的 机器人 属于“ 示 教再 现” ( t e a c h - i n / p l a y b a c k ) 型 机 器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感 知与反馈控制能力。 这种机器人被称做第一代机器人。 进入8 0 年代，随着信息处理技术的发展，出现了第二代机器人，即有感觉 的机器人。第二代机器人带有一些可感知环境的 装置， 通过反馈控制，使机器 人能在一定程度上适应环境的变化。例如，机器人焊接过程中的焊缝跟踪技术。 在焊接时，一般通过示教方式给出机器人的运动曲 线， 机器人携带着焊枪走这 个曲线。焊缝跟踪技术是在机器人上加一个传感器，通过传感器感知焊缝的位 置，再通过反馈控制，机器人自 动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正。即 使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工 作。 第三代机器人是目前正在研究的 “ 智能机器人”。它不仅具有比第二代机 器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑推理、判断和决策能力，可根 据作业要求与环境信息自 主地进行工作。机器人控制技术逐步转向智能控制、 多算法融合技术的研究。这类机器人具有高度的 适应性和自 治能力，这是人们 第 一 章 绪论 努力使机器人达到的目 标。 目前，机器人己 广泛应用于工业、农业、医疗卫 生和人民生活诸多领域。 在制造业中，工业机器人在焊接、装配、搬运、装卸、 铸造、 材料加工、喷漆 等领域的应用，已 取得了显著的经济效益和社会效益。另外， 机器人在众多新 领域中获得了应用，如农林水产、土木建筑、运输、矿山、通讯、煤气、自来 水、原子能发电、宇宙开发、医疗福利以及服务等行业。 现在，国内出现了 机 器人 辅 助外 科 治 疗系 统 射 波刀 iii ， 采摘 机器 人 12 1等。 在未来的1 0 0 年中， 科学与技术的发展将会使机器人技术提升到一个更高的 水平。机器人将会成为人类多才 多艺和聪明伶俐的“ 伙伴”，更加广泛地参与 人类各方面的生产活动和社会生活。 ( l )机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业。 a . 机器人将从目 前已 广泛地应用于汽车、 机械制造、电子工业及塑料制品等 生产领域扩展到核能、采矿、冶金、 石油、化学、航空、 航天、船舶、建筑、 纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域，进而应用在非工业领域中，如农 业、林业、畜牧业和养殖业等方面。 b . 机器人将会成为人类社会生产活动的 “ 主劳力”， 人类将从繁重的、 重复 单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来，从而有更多的时间去学习、 研究和创造。 ( 2 ) 机器人将成为人类探索与开发宇宙、 海洋和地下未知世界的有力工具。 a .将人送入太空进行宇宙探索非常危险和昂贵， 机器人将代替人从事空间作 业和太空探索。目 前， 航天飞机己 经将舱外作业机器人带入太空进行太空作业， 火星探测车已被送到火星表面上，并成功地完成了预定的探测任务。 b . 水下和地底作业对于人来说是一项危险作业， 也是人类未解决的难题。 水 下和地下机器人将解决这个问题，被用于海底和地底的探索与开发、海洋和地 下资源的利用、水下作业与救生等。 ( 3 )机器人将在未来战争中发挥重要作用。 a . 军用机器人可以是一种武器系统， 如机器人坦克、自 主式地面车辆、 扫雷 机器人等， 也可以 是武器装备上的 一个系统或装置， 如军用飞机的 “ 副驾驶员” 系统、舰船作战管理系统、 武器装备的自 动故障诊断与排除系统、坦克炮装弹 机器人系统等。 b .将来可能出现机器人化部队或兵团， 在未来战争中将出现机器人对机器人 第一章 绪论 的战斗。 ( 4 ) 机器人将用于提高人类健康水平与生活质量。 a . 改善生活条件， 提高生活水准始终是人类面临的一个重要课题。 在2 1 世纪， 服务机器人将进入家庭和服务产业。 b . 家庭服务机器人可以 从事清洁卫生、园艺、 炊事、 垃圾处理、 家庭护理与 服务等作业。 在医院，机器人可以从事手术、化验、运输、康复及病人护理等作业。 d . 在商业和旅游业中， 导购机器人、 导游机器人和表演机器人都将得到发展。 智能机器人玩具和智能机器人宠物的种类将不断增加，各种机器人体育运动比 赛和文艺表演将层出 不穷。 机器人不再 只是用于生产作业的工具， 大量的 服务 机器人、表演机器人、科教机器人、机器人玩具和机器人宠物将进入人类社会， 使人类社会更加丰富多 彩13 1 第二节 机器人控制器发展概况 机器人控制器是机器人的核心部分，是影响机器人性能的关键部分之一。 它的技术水平伴随着自 动控制技术、计算机技术、微电子技术、电机驱动技术 以及传感器技术等相关技术的发展而发展。目前，由于相关学科的长足进步， 使得机器人的研究在高水平上进行的同时，也对机器人控制器的性能提出更高 的要求。 早期的机器人控制器功能很简单， 但系统却很庞大，操作起来比 较复杂， 精度和可靠性也不高，因此机器人仅能完成一些简单的顺序作业，机器人的维 护量非常大，寿命也不长，但价格却很昂贵。 进人2 0 世纪8 0 年代以后，机器人控制器由过去的一个简易控制装置，变成 了一个由计算机控制的高性能控制器。从体系结构上来说，机器人控制器己开 始采用模块化技术，开发机器人系统的过程中经过测试、性能良 好的子系统模 块的使用和功能模块的复用可以提高系统的质量和安全性能。人机界面， 编程 语言，系统保护，状态监控，诊断功能日 趋完善。由于计算能力的提高和存储 能力的扩大，这时的机器人控制器己能实现一些比较复杂的控制算法，完成复 杂 轨迹的 规划和 插 补 运算14 1 ， 并 对传统 控制 器的 控制策 略 进行改 进15 1 ， 因 此大大 提高了机器人的控制精度和作业能力。同时机器人的操作也变得非常简单，可 第， 章 绪论 靠性有了很大提高。此外由j 几 机器人通讯能力的增强，使得机器人由过去的单 台 独立工作， 变成 可以多 台机器人同 时作业， 从而 使多 远程机 器人的 协调控制16 1 成为研究重点。 进入9 0 年代后，随着计算机技术的发展和数字信号处理器 ( d s p ) 性能的提 高 和成本的降低， 基于d s p 的 工业机 器人控制器h l 逐渐涌现; 复杂可 编程逻辑控 制器 ( c p l d )的 发展， 使基于 d s p 和 c p l d 的开放 式机器人 控制器1 8 1 成为一个新 的 研究热点，同时国内 还出 现了基于 a r m 微控制器的医疗 机器人19 1 1 1 3 1 等。 伴随着p c 产业的发 展， i p c ( i n d u s t ry p e r s o n a l c o m p u t e r 简称i 控机) ， 得 到了 长足的发展。 i p c 十 d s p 的 运动 控制器模式在机器人 运动控制中的应 用越来越 广泛。由 于结合了i p c 的高 速分析 运算能力， 大容量存储功能，以 及各 种软 件的 支撑和d s p 强大的 浮点 运算能力， 此控制模式具有灵 活性好、功能稳定的 特点， 控制能力由过去的6 - 9 轴扩展到多达2 1 轴，可同时完成多台机器人及周边装备的 协调控制。 p m a c 是美国 d e l t a t a u d a t a s y s t e m s 公司 于1 9 9 0 年推出 的基于 p c 机 平 台的多 轴运动控制卡， 它采 用m o t o r o l a 5 6 0 0 1 2 4 - b i t 定点 d s p 为核心， 全面开发了 d s p 技术的强大功能， 可同 时操纵1 - 3 2 个轴。它 提供了 标准的 p i d 速度、 加速度 前 馈和阶式滤波器( 5 - 5 0 0 h z ) . 2 4 位增益分辨率双编 码器( 电 机和负载) 。可 选的 7 阶极点配置算法，可自动调整项。并且具有容纳特殊用途中用户设计和安装的 伺服算法的 能力。 可以 通过总 线、串 行口 、 u s b 以 及光 纤等方式与 i p c 进行数据 通讯， 并通过p m a c 的附 件之一双端口 r a m ( d p r a m ) 作为 数据缓冲区，与 i p c 高 速交 换控制卡和电 机的状态、 电 机位置、 速度、 跟随误差等 数据信息。 p m a c 运 动控制器的 集成化、 兼容性和高 速性，为设计新 型的 机器人 控制器提供了 有 力的支 持1 1 0 1 随着现代科学技术的飞速发展和社会的进步，对机器人的性能提出更高的 要求。 智能机 器人 技术的 研究己 成为 机器人领域的 主要发展方向 ， 如各种精密 装配机器人，力 / 位置混 合控制机 器人， 多肢体协调控 制系统以及先进 制造系统 中的机器人的 研究等。 相应的，对 机器人控制器的 性能也 提出了 更高的要 求。 但是， 机器人自 诞生以 来， 特别是 工业机器人所采用的 控制器基本上都是开 发 者基于自己 的独立结构 进行开发的， 采用专用计算机、 专用机器人语言、 专用 操作系统、 专用微处理 器。 这样的机 器人控制器己 不能满 足现代工业发展的要 求。现有机器人控制器主要存在以下几点问题: 0)开放性差 第 一章 绪论 局限于 “ 专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构。 封闭的 控制器结构 使其具有特定的功能、 适应于 特定的环境， 不便于对系统进 行扩展和改进。例如，商品化的 mo t o m a n 机器人的控制器是不开放的，用户难 以根据自己需要对其修改、扩充功能，通常的做法是对其详细解剖分析，然后 对其改造。 ( 2 ) 软件独立 性差 软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统间移植。 ( 3 ) 容错性差 由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步等内在特点，控制器的容错性 能变差， 其中 一个处理器出 故障可能导致整 个系统的瘫痪。 ( 4 )扩展性差 目 前， 机器人控制 器的 研究着重于从关 节这一级来改善和提高系统的 性能。 由 于结 构的 封闭 性， 难以根 据需要对系统进 行扩展，如增加传感器控制 等功能 模块。 ( 5 ) 缺少网 络功能 现在几乎所有的机器人控制器都没有网络功能口 针对目 前 机器人控制器的 缺陷，开发“ 具 有开 放式结构的 模块化、 标准化 机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几年，日本、美国和 欧洲一些国家都 在开 发具有开放式结构的 机器人 控制器， 如日 本安川公司基于 p c开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器。 第三节 课题的提出 及研究意义 机器人 在工业 等领域中的应用越来越多， 除了 完成复杂的工作之外， 还包 括很多简单枯燥，重复性工作，比如: 焊接、 搬运、 上下料、包装、码垛、拆 垛、检测、 探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、 ( 软仿型)喷涂、目 标跟随、 排爆等。针对上述需求，工业中普遍采用直角坐标机器人。 直角坐标机器人如图1 . 1 所示， 可以非常方便的用于各种自动化设备， 特别 适用于批量的柔性化作业， 对于提高产品 质量，提高劳动生产率， 改善劳动条 件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 第章 绪论 使用效果。 第六章总结与展望 对本文所做的工作进行总结，并对下一阶段工作提出建议。 第二章 控制器总体方案设计 第二章 控制器总体方案设计 第一节 机械手概述 本论文所研究的机械手与注塑机配合使用， 完成在塑料加工过程中的取料、 搬运、放置等操作，实现注塑成型的自 动化、标准化，提高注塑生产效率，提 高注塑产品的品质，节约人工成本。 2 . 1 . 1 机械手工作原理及特点 机械手在控制器的控制下完成各种操作。当控制器发出 控制指令，机械手 的各关节根据设定的程序，由 伺服电 机等驱动直线坐标轴实现空间多自由 度运 动，从而实现运动空间内任意点的定位运动。终端执行机构在控制器的统一协 调控制下，实现对目 标的处理。 海尔机器人公司开发的注塑机械手采用伺服电机和气动驱动相结合的方 式，实现三维空间协调操作。 本文围 绕 1 轴伺服+ 4 轴气动机械手控制器的设计 实现而展开。 机械手特别适用于多品种变批量的柔性化生产，可长时间连续性工作，准 确度高，抗恶劣环境，具有高速度高精度高可靠性的优点， 便于操作和维护。 2 . 1 .2机械手的组成 机械手是一种直角坐标式机器人，各关节相互垂直，相当于笛卡尔坐标系 的x , y , z轴，在空间中，即引拔、上下、横走三个运动方向，如图2 . 1 0 第_章 控制器总体方案设计 持高级语言和运行标准的应用软件，易于在已建立的平台上进行软件再开发. ( 5 ) 实时中断和响 应能力。 软件中 任务切换时间和中 断响应时间 要尽量 短。 特别对于安全系统的中断，一般应给予较高的优先级。 ( 6 ) 可靠性设 计和可靠 性措施。首先 应按照可靠 性工程方法对系统进行认 真分析、 分类、设计， 其次要考虑软 硬件功能的分 配和选择接地、隔离、 屏蔽 以及工艺性等方面。 ( 7 )良好的开发环境。使用的开发工具尽量利用已有的仪器设备，应在成 熟的软件平台 上进行软件开发，利用高级语言、实 时操作系统及己开发或应用 的软件资源。 ( 8 )结构简单， 工艺性合理，易于现场维护，亘换备品备件时间要尽量短。 2 .2 .2系统功能设计 根据机 械手完 成特定的 工作任务， 要求控制器具有以 下基本功能: 记忆功能:存储与生产工艺有关的信息，包括生产工艺程序模板，各运 动轴的运动位置、运动速度，各阶段的生产数量等。 编程功能: 通过 手控盒能够对机器人在线修改 工艺并存储。 人机接口:良 好的 操作界面， 方便使用者操 作。 通过液晶屏的信息显示 及时地反映工作状态，利用键盘对系统进行控制。 位置伺服功能:能够对机械手臂定位，重复精度高。 输入输出 接口 : 完成信号的 输入输出， 有较强的抗干 扰能力， 满足外围 设备的驱动要求。 传感器 接口 : 在机械手工作的同 时， 监测各个极限 位置开关，气压信号 等，确保机器人系统的工作安全。 第三节 方案设计 根据系统的设计要求，对机械手的控制分为两部分:控制器和手持式控制 盒。控制器完成对机械手 臂各种运动的控制以 及工艺存储，并将数据传 送给控 制盒。手控盒具有液晶显示屏和键盘， 可以 将控制器、 机械手的状态信息实时 显示出来。通过键盘操作还可以将指令传送到控制器中实现对机械手的控制。 控制系统结构如图2 . 3 。本论文只讨论控制器部分。 第 几 章 控制器总体方案设计 控制器 图2 .3控制系统结构 2 . 3 . 1控制单元设计 在整个控制系统中， 控制单元是整个系统的核心，主要用于完成系统的存 储、编程和与手控盒通信的功能。根据功能要求，控制器采用以下设计方案， 如图 2 .4 : 图2 .4控制单元结构 第 二 章 控制器总体方案设计 ( i )选用d s p ( t ms 3 2 0 c 5 4 0 2 )为核心。 d s p ( t ms 3 2 0 c 5 4 0 2 )( 以下简称c 5 4 0 2 ) ，为1 6 位的数据宽度，主频最高 可达 1 0 0 mh z ， 支持流水线操作，使取指、 译码、 取操作数和执行等操作可以重 叠执行，能够满足控制器数据处理速度的要求。 有充足的程序和数据空间， 配合大量数据处理。 c 5 4 0 2 的数据存储器包含多 达6 4 k x 1 6 位字。 程序存储器采用分页扩展法， 可达到1 0 2 4 k字 ( 1 6 页，每页 6 4 k) . 拥有高速、稳定、易于扩展的u 0总线接口。 ( 2 ) 外扩r a m和f l a s h用于存放程序和数据， 扩展的f l a s h用于存放 固化的程序以及一些工艺数据。 ( 3 ) 利用可编程逻辑器件 ( c p l d ) 技术增加存储空间分配的灵活性。 利用 c p l d的内部资源，经过逻辑综合，划分存储空间，提供外部芯片的 选通信号。 ( 4 )配置t l 1 6 c 5 5 0 芯片，提供附加的异步串行接口。 t l 1 6 c 5 5 0 可以对数据进行串并转换，配合m a x 3 2 3 2 芯片，与控制盒进行 串 行通信 ( 采用r s -2 3 2 方式) 。 2 . 3 .2电 机控制 机械手的z 方向 运动( 横走) 需要精确定位， 在设计中采用了富士公司生产 的交流伺服系统。对其运动控制为以 下三个方面:距离、 速度和方向。 ( 1 ) 距离。 距离是通过脉冲控制的。机械手横走的距离与脉冲个数成正比。 根据接线方法的不同，伺服控制器提供两种脉冲串输入方式:差动输入和 集电极开路。本文选用集电极开路方式。 集电极开路方式要求一路脉冲信号，设计由 c p l d产生。在控制信号与伺 服电机接口 之间加光电隔离装置， 增强抗干扰性:为了满足信号驱动能力，使 用三极管对信号放大。 ( 2 )速度 速度与脉冲的频率成正比。 在本设计中， 通过d s p 程序设计， 控制脉冲频率， 达到对机械手运行速度控制的目的。 根据系统控制要求，横走脉冲最大速度要求达到1 0 0 k h z o 第止章 控制器总体方案设讨 ( 3 ) 方向 采用伺服电 机提供的指令序列输入方式， 将经过光电隔离屏蔽和三极管放 大的控制信号接入指定端子，控制电机运转方向。 控制单元在向 伺服电机发送控制信号的同时，还 需要实时监测机械手工作 状态，当出现机械手臂到达横行极限位置或伺服控制器异常，应及时报警，中 断工作，确保安全。 设计与输入信号匹配的输入电路，将状态信号反馈到d s p中讲行外理。 2 . 3 . 3气动驱动 控制器通过继电器对气动驱动机构进行控制。为了方便系统升级，增加功 能，设计冗余u o接口。本设计为4 0 路输入，4 0 路输出。 输出用于控制单元向指定继电器发送控制命令，输入用于监测机械手各机 构的工作状态。利用光电隔离屏蔽电磁干扰，根据继电器的指标，设计满足要 求的驱动放大电路. 各端口 可由用户自行定义使用。 第二章 控制器硬件设计 第三章 控制器硬件设计 控制器的设 计是基于d s p 和c p l d 进行的， 本章首先对d s p c 5 4 0 2 和c p l d 进行介绍，然后对其外围电路逐个阐述。 第一节 d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p ， 也称数字 信号 处理器， 是一 种具有 特殊结构的 微处 理器。 d s p 内 部 采 用程序总线和数 据总 线分开的哈 佛结 构， 具有专门的硬件乘法器， 广泛采用流 水线操 作， 提供 特殊的 数字信号处 理指令， 可以 用来快速的实现 各种数字信号 处理算法。 ( 1 ) 在一个指 令周期内 可以 完成一次 乘法和加法; ( 2 ) 程序和数 据空间 分开，可以同 时 访问 指令和数据; ( 3 )片内具有快速 r a m，通常可以通过独立的数据总线同时访问两块芯 片; ( 4 ) 具有开销或者无开销循环及 跳转的 硬件支持; ( 5 ) 快速的 中断处理和硬件u o接口 支持; ( 6 )具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器; ( 7 )可以并行执行多个操作; ( 8 ) 支持 流水线操作， 使取指、 译码、取 操作数和 执行等 操作可以 重叠 执 行。 从以上 d s p的特点可以看出，它符合我们设计中对处理器的要求，根据功 能要求， 选用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 这款d s p 作为 我们控制器的 中央处理 器， 控制 器 的硬件与软件的设计实现，就是围绕这款 d s p芯片进行的。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t i 公司的c 5 4 x d s p 家族的成员之一。 它具 有很高的操 作灵活性和速度。它具有一个先进的修正哈佛结构 ( 1 条程序总线，3 条数据总 线和4条地址总线) 、专门硬件逻辑的c p u 、片内存储器、片内外设和专用指令 集、 将 c 5 4 0 2 和片内 存储器与外设配 置组合 在一起的 螺旋结 构， 使得可以 满足 众多领域的应用要求。以下是 c 5 4 0 2 的主要特点: 第_ 砚 章 控制器硬科设计 . 先进的多总线结构: 3个独立的 1 6 位数据存储器总线，1 个程序存储器 总线; . 4 0 位算 术逻辑单元 ( a l u ) ， 包括1 个4 0 位的桶型移 位器和2 个独立 的4 0 位累加器; . 1 7 位、 1 7 位并行乘法器， 一个与 之连接的4 0 位专用加法器， 用于非流 水线的 单周期乘法 / 累加 ( m a c ) 操 作; . 指数 编码器 e ，用来在一个单周 期内计算 一个4 0 位累 加器中数 值的 指 数; . 两个地 址产生器， 包括8 个辅助寄 存器和2 个辅助寄存器算术单元; . 支 持外 部寻址模式， 最大外 部程 序空间为1 mx i 6 - b i t ; . 4 k x 1 6 - b i t 片内r o m, 1 6 k x 1 6 - b i t 双端口 片内r a m; . 单指令重复和块重复操作; . 2 或3 个 操作数同时读指令; . 并 行存储和并行加载的 算术指 令; . 软 件可编程的等待状态发生器; . 软件 可编程的片内 锁相环 ( p l l ) ; . 两个多 通道缓冲串 行口 ( m c b s p ) ; . 增强型的8 位主机接 口 ( h p i 8 ) ; . 两个1 6 位定时器; . 六通道d ma控制器; . 指令控制的省电模式; . 最短指令周期 i o n s ( i o o mi p s ) ; . 支 持i e e e s t d 1 1 4 9 . 1 ( j t a g ) 边界 扫描逻辑; . 内 核与u o采用双电压供电 模式; 片内 可 屏蔽的r o m中固化有启 动装 载程序 ( b o o t l o a d e r ) 和中断向 量 表等。 系 统上电时，b o o t l o a d e r 自 动 把用户代码从片外存储空间搬 移到片 内 程序空 间。复 位后，中断向 量表 可以 被 重新映射到程序空间中的 任何页。 为了 和低速 设备通讯， c 5 4 0 2 提供了 等待状态发生 器。 通过软 件设置 等待周 期的 个数， 不仅降 低系统硬件设计的 复杂性， 而且为系统带来了 很大的 灵活性。 c 5 4 0 2 片内 集成了 软件可编程的 锁相 环时钟电路， 它只需要一个参 考时钟输 入， 就可以得到3 1 种不同频率的输出时钟， 最大的倍频系数( 在寄存器c l k md 第二章 控制器硬件设计 中设置)为 l a ，最小的为 0 .2 5 。这样，一方面可以利用低频的外部时钟产生较 高的c p u时钟，减少了高频信号对电路造成危害的可能性，另一方面在不同情 况下可以灵活的设置c p u的时钟频率，降低 c p u功耗，提高系统的稳定性。 第二节 可编程逻辑器件 自加 世纪7 0 年代可 编程逻辑器件产 生以 来，随着工艺的 不断 改进， 各大 芯片厂商的激烈竞争，可编程逻辑器件无论是 在种类和性能上都发展迅速。目 前世界上 有十几家生产c p l d / f p g a的 公司， 最大的 三家是: a l t e r a , x i l i n x ， 和 l a t t i c e ， 其中a l t e r a 和x i l i n x占 有了6 0 % 以 上的市场份额。 a lt e r a 九十 年代以 后 发展很快，是 最大可编程逻辑器 件供应商之一。 主要 产品 有: m a x 3 0 0 0 / 7 0 0 0 , f l e x i o k , a p e x 2 0 k , a c e x i k , s t r a t i x , c y c l o n e 等。图3 . 1 显示的 是a l t e r a 图3 . 1 c p l d内 部结 构 公司的m a x 7 0 0 0 , m a x 3 0 0 0 系列c p l d的内部结构。 采用e e p r o m工艺， 因 而具有可擦除， 可编程的功能， 但编程次数 有限， 一般在1 0 0 次以内。 c p l d是 在 p a l , g a l改 进的 基础上产生的，图中 的宏单元 ( ma r o c e l l ) 是由 多个 类似 p a l 的乘积项阵列与可编程u o模块组成， 它是c p l d实现逻辑功能的主要部分。 所有的宏单元由可编程连线 ( p i a)连接，形成了更强大的逻辑功能。 u o 控制 模块负责输入输出的电气特性控制，如设计集电极开路输出，摆率控制，三态 第屯章 控制器硬件设计 输出 等。此 外c p l d提供了 常用的全 局信号， 如图中 左上方的i n p u t / g c l k 1 , i n p u t / o e i , i n p u t / o e 2分别为 全局时钟， 清零和输出使能 信号， 它们由 专用 连线与各个宏单元相连，以保证延时最短。c p l d采用分段互连方式，因而可以 较准确的预测延时。e e p r o m 的工艺原理使其具有工作稳定，抗干扰等优点， 适合实现组合逻辑电路。 第三节 电路设计方案 3 . 3 . 1电源设计 3 .3 . 1 . 1 d s p供电电源设计 t m s 3 2 0 c 5 4 x系列芯片 大部分采 用低电 压设计， 这样可以 大大节省系统功 耗。芯片电 源分为两 种，机内 核电 源和 u o电 源， 其中1 / o电 源一般采用 3 . 3 v 设计， 而内核电 源采用2 . 5 v或1 . 8 v ， 降低内核电 源的主要目 的 是为了 降低功耗。 c 5 4 0 2 芯片的电 源电 压有3 . 3 v和 1 . 8 v两 种， 其中1 .8 v电 源主要供器件的 内 部， 包括c p u和其他所有的 外设 逻辑。 电 源一 般由5 v 电 源产生 3 . 3 v . 2 .5 v或 1 . 8 v 。 产生电 源的 芯片较多，如 ma x i m公司的ma x 6 0 4和 ma x 7 4 8 , t i 公司的t p s 7 2 x 和 t p s 7 3 x系列。这些 芯片又分成线性和开关两种， 在设计时根据实际的需 要， 采用不同的电源调解 方案。 ( 1 )线性稳压器 用于系 统对功 耗要求不高的 情 况，使用方法 较为 简单，电 源的 波纹电 压较 小，对系统干扰较小。 ( 2 )开关电源芯片 在系统 对功耗要求比 较苛刻的 情况下使用。一般的电源开关芯片效率可达 到 9 0 % 以 上， 但波纹电 压比 线性电 源产生的 大，而且开关电 源的 振荡频率在几 k h z 到几百k h z 的 范围内 ，会对d s p 系统产生 干扰。 特别是开关电 源产生的电 压用于a i d 和d / a转换电 路时 应加滤波电 路，以 减小电 源噪声 对模拟电 路的影 响。 结合项目 特点， 本设计选择了 线性稳压器t p s 7 6 7 d 3 0 1 芯片。 t p s 7 6 7 d 3 0 1是 t i 公司生产的一款双输出低压降的电压调节芯片，它有两 第二章 控制器硬件设计 个独立的电压调节通道，它是专门针对 t i 公司生产的 d s p而设计的。 在电源芯片的供电引脚周围，以及各芯片引脚周围放置滤波电容和旁路电 容， 来减少电源波 动和电 源噪声 对系统的 不良 影 响。 芯片电路原理图见附录图al . 3 . 3 . 1 .2混合逻辑设计 随着微电 子技 术的飞 速发展，体积更小、 功耗更低、 性能更佳的 低压芯片 不断涌现。 u o电平 逻辑向3 . 3 v , 2 . 5 v , 1 . 8 v ， 甚至更 低的 方向 发展。 但数十年 来，由于 5 v电源的器件一直占据比较重要的市场， 在系统设计中它们经常共存 在一块电路板中，因此在设计它们的过程中，就不可避免地要碰到不同电压电 平的接口 问 题。逻 辑电 平参考数 据如表3 . 1 所示. 表3 . 1逻辑电平参考数据 逻辑电压 5 v t t l 电平/ v 5 v c m o s 电平/ v 3 . 3 v 逻辑电平/ v 4 . 4 2 . 4 2 . 4 0 . 5 0 . 4 0 . 4 3 . 5 2 . 0 2 . 0 1 . 5 0 . 8 0 . 8 2 . 5 1 . 5 1 . 5 vonvotvlavltvt 注: v o h 为输出高电 平的最 低值: v o l 为输出低电 平的最高值; v i , 为输 入高电平的最低值; v u , 为输入低电 平的 最高值;从为“ 0 , i . 1电 平的 分界 值。 从以上表格可以看出， 在一 个同时存 在3 3 v 和5 v 系列 芯片的 系统中， 两种 电压芯片的输入输出是不能直接相连的。在混合电压系统中，不同电源电压的 逻辑器件互相接口存在转换门限问题。用 5 v的器件来驱动 3 .3 v的器件有很多 不同的情况，同样 t t l和 c mo s间的转换电平也存在着不同情况。 驱动器必须 满足接收器的输入转换电平，并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。 在本系统中，电路上的芯片工作电压几 乎都是 3 . 3 v ，其中 包括 c 5 4 0 2 , s r a m, f l as h等等。 系统译码电路、电机控制电路等电路模块都是采用 5 v信 号， 设计 1 / o接口也使用 5 v信号。 这样就需要将 d s p向u o接口输出的信号转 换为 5 v，以增强其传输的稳定性，同时将 1 / o接口向 d s p输入的信号转换为 3 . 3 v ，以免高电压信号损坏电路的各个芯片。 第二章 控制器硬件设计 3 . 3 . 2时钟设计 时钟发生器为芯片提供时钟信号，d s p和 c p l d的时钟源的实现方式主要 有2种: ( 1 )外加晶体。 这 种方 式电 路简单， 只需 要晶 体加 2个电 容， 价格便宜，占 用空间小，而 且时钟信号的电 平自 然满 足要求 ;但是这种方式驱动能力差， 而且 要求芯片内 部必须具备振荡器，且频率范围较小，一般在2 0 k h z 一 6 0 mh z 之间。 ( 2 )外接晶振。 这种方式电 路简单，占 用空间 小，频率范围 宽 ( 1 k h z 一 4 0 0 m h z ) ，而且驱 动能力强， 可以给多个器 件提供信 号;但是晶 振的时钟信号电 平一 般为 5 v或 3 .3 v，对于要求内核电压为 1 . 8 v的器件是不能使用的。 根据c 5 4 0 2 的 特性， 选取 外加i o m h z 晶 体的 方式来给 其提供时钟。 将晶 体振荡器电 路连接到c 5 4 0 2 的x i 和x 2 / c l k i n引 脚， 内 部振荡器被使 能。 c 5 4 0 2的时 钟发生器 还包 括一 个锁相环 ( p l l ) ，可进行 硬件配置和软件编 程改变 c p u的工作时钟。 c 5 4 0 2的 p l l硬件配置时 钟模式是通过配置 c l k m d i . c l k m d 2和 c l k m d 3 引脚来实现的 。下 表为 复