（机械电子工程专业论文）基于dsp的防爆机器人控制器的设计.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 防爆机器人是移动机器人领域的一个重要的研究方向，防爆机器人一般 工作在恶劣环境中，替代人类完成各种危险任务。该项目的研究能够极大改 善作业人员的工作条件，并应用于反恐任务当中，从而有效保护国家财产和 作业入员生命安全。本课题来源于2 1 1 工程二期建设项目“多移动机器人协 调控制”。在满足防爆机器人控制要求的基础上，本文详细介绍了防爆机器 人控制系统的设计与实现。 论文首先介绍了防爆机器人系统构成( 系统包括执行机构、主控制器、 传感器模块和通讯模块) 。接着介绍了数字处理器( d s p ) 的硬件结构和特 性，提出了基于双t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6d s p 芯片的设计方案，以实现对防爆机器 人的控制。文中详细介绍了控制器的元器件选择和硬件设计，包括芯片的选 型、电源系统设计、遥控器信号接收、通讯串口扩展和主从d s p 通信等d s p 外围电路的设计，重点介绍了防爆机器人电机控制及各控制模块通信功能的 实现。 按照模块化的设计方法编写出控制器软件程序。在c c s 编译环境下，利 用d s p 仿真器进行控制器的软硬件调试，实现了防爆机器人八路电机的位置 控制和速度控制，以及多串口通信等功能。 最后搭建了防爆机器人实验平台，对控制器进行了实验验证。 关键词防爆机器人，数字信号处理器，控制器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fa n t i - r i o tm o b i l er o b o t sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fm o b i l e r o b o t ，a n di tg e n e r a l l yw o r k si nd a n g e r o u sc o n d i t i o nt or e m o v ed a n g e r o u ss t u f f s a n dg o o d sf o rh u m a nb e i n g b e c a u s et h ea n t i r i o tm o b i l er o b o tc a l lw o r ki nt h e s o r d i da n dh a z a r d o u se n v i r o n m e n t ，i ti s h e l p f u l t o p r o m o t i n g t h e w o r k i n g c o n d i t i o no ft h et e c h n i c i a n s ，a n dt h ea n t i - r i o tm o b i l er o b o tc a r tb eu s e di na n t i t e r r o r t a s k s ，s o i t p l a y s as i g n i f i c a n tr o l ei n p r e v e n t i n gp r o p e r t y l o s sa n d p r o t e c t i n gh u m a n l i f es e c u r i t y t h i st a s kr o o t si nm u l t i - m o b i l er o b o ti nc o n c e r t e d c o n t r o lw h i c hi sa211 p r o j e c t n l ec o n t r o ls y s t e mo f t h ea n t i r i o tm o b i l er o b o ti s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s eo f a n a l y z i n gt h ed e m a n d o ft h ec o n t r o l l e r ， t h i sp a p e r p r e s e n t st h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ea n t i - r i o tm o b i l er o b o t i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y ，t h es y s t e mo ft h ea n t i - r i o tm o b i l er o b o ti si n t r o d u c e d i n c l u d i n gc a r r y o u tm a c h i n e 、c o n t r o l l e r 、s e n s o rm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e f o l l o w s ，t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) i si n t r o d u c e d t h e nt h eg e n e r a li d e ao fd e s i g nc o n c e p to f b a s i n g o nd u a i , t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 6d s pi sb r o u g h tf o r w a r d a n dt h eh a r d w a r eo fa n t i r i o t m o b i l er o b o tc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r ，t h ed e s i g n i n gm e t h o do f h a r d w a r ea n dr e a l i z a t i o no ft h ec i r c u i t sa r ed e t a i l e dd e s c r i b e di nt h ep a p e r ，i t i n c l u d e st h ed e s i g no f p e r i p h e r a lc i r c u i t ss u c ha sc h o o s i n gc h i p ，d e s i g no fp o w e r d e v i c eo fs y s t e m ，e x t e n s i o no fs e r i a l i n t e r f a c e s ，a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e t w od s p w h a ti sm o r e g e n e r a t i n go fm o t o rc o n t r o ls i g n a l sa n dc o m m u n i c a t i o n s b e t w e e nf i m c t i o nm o d u l e sa r es p e o i a l l yi n t r o d u c e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt om e d u l a r i z e df o r m ，t h eb o t t o ms o f t w a r ei sd e s i g n e d 。 i nt h ec o n d i t i o no fd s p c o m p i l ec i r c u m s t a n c e ( c c s ) ，u s ed s p e m u l a t o rt oc a r r y o u tc o n t r o l l e re x p e r i m e n t t h ec o n t r o l l i n go fm o t o r c a nb er e a l i z e da c c o r d i n gt o t h em o v i n gp a t t e r no fa n t i r i o tm o b i l er o b o t ，a n da c h i e v et h ed a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e nf u n c t i o n a lm o d u l e so f d s p f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi sb u i l t ，t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt o v e r i f yt h ec o n t r o l l e r sv a l i d i t y k e y w o r d sa n t i r i o tm o b i l er o b o t ，d s p , c o n t r o l l e r i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i i 课题背景和研究意义 第1 章绪论 本课题属于2 1 1 工程二期建设项目“多移动机器人协调控制”中提出的研 究项目，该项目的研究不仅具有重要的理论价值和学科发展意义，而且对社会 的发展和人类的安全具有重大的意义。 机器人技术在经历了第一代示教再现型机器人和第二代感知型机器人两个 阶段之后f l j ，将机构学、电子技术、控制理论、计算机技术、传感器技术和人 工智能等相关学科技术融为一体，并吸收了新能源、新材料等学科的最新研究 成果【2 j ，发展到第三代智能机器人。 防爆机器人是智能移动机器人领域一个重要的研究方向，它一般工作在室 外环境和野外环境，用于排除可能对人体造成伤害的危害物品，其工作环境比 较恶劣，因此要求整个控制系统尽量轻便，而且控制稳定性要求高。采用d s p 作为防爆机器人的控制核心，使得整个系统具有良好的稳定性、可扩展性和开 放性，操作简单，价格低廉，具有很高的性价比，而且对减少国家财产损失和 保护防爆人员的生命安全具有重要意义。 进入9 0 年代后，以d s p 为核心的多轴运动控制技术得到飞速发展，而且 一些高性能、低成本的d s p 逐渐应用于机器人控制中。d s p 控制器的主要特 点在于它的集成化，兼容性和高速性。据美国d e l t at a um o t i o n s 有限公司提供 的数据，目前已可将多至8 轴的运动控制模块，浓缩在一块p c 机扩展控制卡 上，实现对各种类型多轴伺服作业系统的直接控制，而且每个轴的伺服环的更 新速率可以高达4 0 9 s 【3 1 。目前应用最多的是美国t i 公司生产的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x ，该d s p 集实时处理和控制器外设于一身，精度高、体积小、 运算速度快，同时具有多级流水线操作，容易实现复杂算法h 1 ，而且芯片采用 高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降至3 3 v ，减小了控制器的功耗。因 此，采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 作为防爆机器人控制器的核心，为机器人控制 器的开发提供了理想的解决方法。 该课题的研究为实现防爆机器人的自主控制奠定了基础。 哈尔滨工业大学工学硕l 。学位论文 1 2 防爆机器人的研究现状 防爆机器人是一种地面移动机器人，属于特种机器人的一种，有轮式和履 带式两种，一般体积不大，转向灵活，操作机主体一般是由一个多自由度机械 手和一个可移动平台组成”1 ，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下 来，并把爆炸物运走，以减少作业现场人员伤亡，是军警部门必须装备的设 施。 防爆机器人的研制起始于上世纪6 0 年代，西方国家最早开始研制，用于 排除恐怖分子放置的爆炸物等危险品，降低恐怖活动对社会的危害等。图1 1 所示为英国最早研制的超级手推车( s u p e rm ) ，它是世界上最有名的排除爆炸 物机器人。超级手推车采用橡胶履带，重2 0 4 千克，长1 2 米，宽o 6 9 米，最 大高度1 3 2 米，最大速度5 5 米分 6 】。它有一整套的无线电控制系统及各种设 备，其中包括部彩色电视摄像机、一支猎枪和两个爆炸物排除装置；该车由 两组耐用的1 2 伏电池驱动，并装有一个电动制动系统，使其在通过陡坡时能 准确地动作。 图1 - 1 超级手推车 f i g 1 - 1s u p e r m 在法国，比较有名的排爆机器人有c y b e r n e t i c s 公司研制的m i n i r o b 排爆机 器人( 如图1 2 ) ，m i n i r o b 排爆机器人是一个轻型的爆炸物处理机器人，长 o 7 米，宽o 3 9 米，高o 2 6 米，重3 0 公斤。机器人采用可变几何形状的橡胶 履带，以提高其跨越障碍的能力。还装有一个2 自由度的关节臂，能在0 - 2 1 米的高度执行任务。速度o 。5 米秒，可连续行驶1 小时，遥控距离为1 5 0 2 0 0 米。 哈尔滨工业大学工学硕l 学位论文 图1 - 2m i n i r o b 排爆机器人f 7 】 f i g 1 - 2m i n i r o b f 7 】 德国t e l e r o b 公司研制的m v 4 排爆机器人如图1 3 ，长1 3 米，宽0 6 7 米，高o 9 2 米，重2 9 5 千克，最大载重1 0 0 千克，爬楼梯3 2 度，它装有4 台 彩色摄像机。操作人员可通过监视器进行控制，也可以采用无线电通信进行控 制。 图1 - 3m v 4 排爆机器人h 1 f i g 1 - 3m v 4 【7 】 我国的防爆机器人正处在发展阶段，图1 4 为上海交通大学研制的s u p e r d i i 排爆机器人，它采用三臂杆6 自由度的机械臂和3 6 0 。任意旋转、2 5 0 毫米 距离开合的机械手；行走装置采用四轮行走驱动，前后摆升降：控制系统采用 先进的计算机与传感器技术：视频观察系统采用四个c c d 摄像头四画面切换 技术，操作系统采用遥控、线控两种，使排爆工作更加灵活实用。 哈尔滨工业大学工学硕i 学位论文 图l 4s u p e r - d 1 1 排爆机器人用 f 培i 4s u p e r - d i l l 7 1 中科院沈阳自动化研究所研制的排爆机器人灵蜥b 如图1 - 5 ，自重1 8 0 公 斤，能抓取1 5 公斤重物，最大直线运动速度为4 0 米分钟，可以通过小于4 5 度的斜坡和楼梯，跨越o 4 5 米高的障碍。 图1 - 5 灵蜥- b 排爆机器人f 7 】 f i g 1 - 5l i n g x i b 【1 1 3 国内外机器人控制器的研究现状 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业 任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣嘲。机器人控制器 有多种设计方法，从机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行和并行两种 结构类型。 1 串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。对于这种类 篁垒堡! ：些叁兰! ：耋丝：! ；兰竺篁兰 型的控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下几种”1 ： f 1 ) 单c p u 结构、集中控制方式用一台功能较强的计算机实现全部控制 功能。h e r o i 就采用这种结构，h e r o i 是美国h e a l t h 公司8 0 年代制造的移动 机器人，微处理器采用的8 位m c 6 8 0 8 芯片，它的7 个步进电机和一个直流 电机控制其所有的运动，包括前轮驱动、转向，手臂的转动、伸缩和腕部的俯 仰、旋转，操作手的开合，颈部旋转等【】叫。m c 6 8 0 8 本身不具备串行口，因此 不能和p c 机直接进行通讯。这使得对机器人操作、编程只能通过机器人自身 配备的小键盘进行，这种不友好的人机界面给机器人操作带来很大困难。此外 它的封闭式的集中控制结构使得机器人不能采用分层式的计算模式，不能借助 p c 机提高计算效率，弥补自身计算能力的不足。 ( 2 ) 二级c p u 结构、主从式控制方式一级c p u 为主机，担当系统管理、 机器人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨 迹插补，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级c p u 读取：二级c p u 完成全部关节位置数字控制。上海交通大学研制的防爆机器 人控制器，采用两个p l c 作为上、下位机】，控制系统结构如图卜6 所示 图i - 6 基 p l c 的防爆机器人控制系统结构框图 f i g 1 6t h ec o n t r o ls y s t e mo f a n t i r i o tm o b i l er o b o t 此防爆机器人的控制系统主要由上、下位机两部分组成。上位机p l c ( c p u 2 2 4 1 用于整个系统的启停控制，控制台上一系列控制按钮，控制台将希望的机器人 的动作传到上位机的p l c 和上位i 扩展模块( e m 2 2 1 ) - 罩，操纵秆将电位器的位置 通过p l c 的扩展a d 模块( e m 2 3 1 ) 将模拟量转化为数字量，通过上位p l c 和下 位p l c ( c p u 2 2 4 ) 的通讯，将这些数据传输到下位p l c 。下位机的p l c 一方面接 收上位机传来的指令，并和o 扩展模块( e m 2 2 2 ) - - 起通过继电器组对直流电机 驱动器进行控制，完成操作者希望的机器人的动作：另一方面，从工作现场采 哈尔滨工业大学工学硕卜学位论文 集到温度、位置、角度等模拟信号，通过模拟量扩展模块( e m 2 31 ) 将其模拟量 转换为数字量。通过与上位机p l c 的通讯，将这些数据传送到上位p l c 上。这 类系统的两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一个 松耦合的关系。对采用更多的c p u 进一步分散功能是很困难的。 ( 3 ) 多c p u 结构、分布式控制方式目前，普遍采用这种上、下位机二级 分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机 由多c p u 组成，每个c p u 控制一个关节运动，这些c p u 和主控机联系是通过总 线形式的紧耦合“”。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些 多c p u 系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构，即每个处 理器承担固定任务。目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 2 并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，能满足机器 人控制的实时性要求。构造并行处理结构的机器人控制器的计算机系统一般采 用以下方式： ( 1 ) 开发机器人控制专用v l s i 1 3 】【“】设计专用v l s i 能充分利用机器人控 制算法的并行性，依靠芯片内的并行体系结构易于解决机器人控制算法中大量 出现的计算，能大大提高运动学、动力学方程的计算速度。但由于芯片是根据 具体的算法来设计的，当算法改变时，芯片则不能使用，因此采用这种方式构 造的控制器不通用，更不利于系统的维护与开发。 ( 2 ) 利用通用的微处理器如8 0 5 1 ，这种方案价格低廉，可通过硬件实现 较多功能。但微处理器所需的周边器件较多，要加上存储器编码器信号处理 及d a 转换电路，很难实现多传感器信号采集及多电机的控制。 ( 3 ) 利用有并行处理能力的芯片式计算机如d s p 等，构成并行处理网 络，随着数字信号芯片速度的不断提高，高速数字信号处理器( d s p ) 在信息处 理的各个方面得到广泛应用d s 。d s p 以极快的数字运算速度见长，基于d s p 的机器人控制器，采用流水线的设计方案，提高了控制器性能。美国密西根州 立大学研制的小型双足爬行机器人采用单片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为控制器 ”“，如图1 7 所示，一个d s p 控制三个直流伺服电机、两个真空泵、两个阀 门，并且处理来自各传感器的信息。时间管理器e v a 输出三个p w m ，通过全 桥驱动电路对电机进行驱动。控制个电机的比较寄存器在每个采样周期内按 p i d 计算值进行更新，而且可通过正交编码脉冲电路读取编码器的信息，各传 感器通过d s p 的i o 管脚进行开关控制。 哈尔滨工业大学工学硕“卜学位论文 图l 一7 控制系统结构圈 f i g 1 - 7t h ed i a g r a mo fc o n t r o l l e r 美国密西根大学移动机器人实验室在1 9 9 9 年研制的微型移动机器人控制器 m c i b ，其面积只有块磁盘大小，如图1 - 8 。它采用3 片m o t o r o l a 生产的8 位微 处理器m c 6 8 h c l1 为c p u ，m c i b 作为p c 机与执行机构和传感器的接口，通过 并口与p c 机相连，m c i b 根据p c 机的指令，执行一些实时任务，主6 8 h c l l 控 n 4 个直流电机，两个从6 8 h c l l 分别处理8 路传感器信息，然后把经过处理的 信息传达给p c 机，这样缩短了p c 控制传感器和执行机构的时间1 1 7 3 。 图1 - 8 微型机器人控制器 f i g 1 - 8m c i b 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 该课题主要的研究内容和完成的任务有： ( 1 ) 控制器硬件电路设计针对防爆机器人的特点和需求，综合考虑各种 控制方案的优缺点，设计防爆机器人的主控制器。包括芯片选型、电源系统设 计、遥控器信号接收、通讯串口扩展和主从d s p 通讯等d s p 外围电路的设 计，重点研究防爆机器人驱动电机的控制，以及控制器与各功能控制模块通信 的实现。 ( 2 ) 软件设计根据防爆机器人的控制要求，编写防爆机器人移动平台和 作业臂电机的位置控制程序和速度控制程序，以及串口通信程序。 ( 3 ) 实验搭建防爆机器人实验平台，对控制器进行实验验证。实现防爆 机器人的基本动作，如防爆机器人移动平台的直线运动和差速回转运动，以及 作业臂的抓取动作。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章控制器硬件设计 2 1 防爆机器人系统 防爆机器人是一种地面移动机器人，有轮式的及履带式的，一般体积不 大，转向灵活，操作机主体一般是由一个多自由度机械手和一个可移动平台组 成，机械手可以排除爆炸物，并把爆炸物运走。防爆机器人在军事和民用领域 有广泛的应用前景。 ， 本课题研究的防爆机器人系统构成如图2 1 所示。系统包括：执行机构、 控制器、传感嚣模块和通讯模块。 蔓亟e f 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 i 一呈至三拦j 至三熏兰三字芝粤一 ! ； 垫翌竺竺 o “。一 塑! 墨竺 图2 - 1 机器人系统构成 f i g 。2 1t h es t r u c t u r eo f r o b o ts y s t e m 该机器人的执行机构由移动平台和作业臂组成。移动平台采用履带传动方 式，前后轴距为4 3 6 m m ，摆臂轴距为2 1 4 m m ，整个车体高度为3 3 0 m m ，其中 移动平台最高处为1 5 0 m m ，此机器人的重心在车体中轴线上偏前方3 0 m m 左 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 右的位置。移动平台采用直流伺服电机驱动。作业臂为两连杆三关节四自由 度，采用步进电机和涡轮蜗杆增力机构驱动各个关节。大臂转动角为1 6 5 度， 小臂转动角为1 8 9 度，手抓转动角为9 0 度，能够抓取0 5 公斤的物体，机械臂 作业半径为o 8 米左右。作业臂的各个关节采用混合式步进电机驱动。机器人 的机械本体如图2 - 2 所示。 圈2 - 2 机器人机械本体 f i g 2 - 2t h ea n t i - r i o tm o b i l er o b o t 机器人控制器是整个防爆机器人系统的核心，传感器模块和通讯模块与控 制器相互通信，向控制器提供定位信息和机器人控制指令，同时接收控制器发 出的控制指令。 传感器模块包括g p s 接收机、电子罗盘和超声传感器波阵列。机器人利 用g p s 、电子罗盘进行全局定位。通过超声波传感器阵列探测环境信息，进行 局部路径规划。 通讯模块以遥控器为主、g s m 无线模块为辅的工作方式控制防爆机器人运 动。无线通信模块根据自行定义的通信协议发送控制命令，将规划好的路径信 息传输给控制器，控制器经过动作规划，输出相应信号控制电机驱动器，驱动 机器人完成相应运动。 堕查堡三些查兰三耋堡圭兰堡墼兰 ：一：。；：一 2 2d s p 介绍 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，即数字信号处理器，是一种特别适 合于进行数字信号处理运算的微处理器。d s p 芯片内部采用程序和数据分开的 哈佛结构，具有专门的硬件乘法器和流水线操作。 世界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。 但是这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的肛pd 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 目前市场上应用最广泛的d s p 芯片当数美国德州仪器公司的一系列产品。 d s p 自诞生以来，在通讯与信息系统、信号处理、自动控制、雷达、军 事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域得到广泛应用【l 。本文选用的是 公司的2 0 0 0 系列的d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 。 、 2 2 id s p 芯片与通用处理器的比较 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作； ( 3 ) 专用的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期。这些特点使 得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部分运算( 例如 乘法) 能够在一个指令周期内完成。 ( 1 ) 哈佛结构 传统的微处理器大都采用冯诺曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体系，将指 令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址 来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐 率低。哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体系，其 主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，设置了程序和数据两条总 线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。 ( 2 ) 流水线 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增 强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 流水线具有四个独立的阶段：取指 令、指令译码、取操作数以及指令执行。由于四个阶段是独立的，所以指令执 行能完全重叠。图2 3 所示为一个司机流水线操作示意图。在每个指令周期 内，四个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。例如，在取第 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 n 个指令时，前一个指令即第n 1 个指令正在译码，而第n - 2 个指令则正在执 行。一般来说，流水线对用户是透明的。 c l k o u t 厂 厂 厂 厂 厂 ! ! !：! 取指令! i n 制n + l n + 2 1 n + 3 1 指令译码f n - ， ： n ： n + - ： n + 2 ： 取操作数i n - 2 j n - 1 j n i n + l i 指令执行： n 3 1 n - 21n 11n ! 图2 - 3 四级流水线操作 。 f i g 2 - 3 f o u r - l e v e lp i p e l i n eo p e r a t i o n ( 3 ) 专用的硬件乘法器 在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指 令周期来完成，这对于需要高速运算的实时系统来说是非常不利的。相比而 言，d s p 芯片的特征就是内部配置有个专用的硬件乘法器。由于具有专用的 硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成，速度比通用微处理器快许多倍。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个特征是采用特殊的指令。这些特殊指令能够实现循环寻 址、反转位寻址等一些在数字信号处理中非常有用的功能。一些特殊指令往往 只需要一两个指令周期就能完成。但如果用通用微处理器实现的话，往往需要 编制一段专门程序才能实现，这样给编程者带来很多不便，同时还增加了处理 器的处理时间，降低了处理能力。 ( 5 ) 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令加上集成 电路的优化设计，可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下。t m s 3 2 0 系列处 理器的指令周期已经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。快速的指令 周期使得d s p 芯片能够实时实现许多d s p 应用。 2 2 2d s p 芯片的选型及主要特点 本研究采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 微处理器作为机器人控制器。该芯片是 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的种定点d s p 芯片，集实时信号处理和控制器外设于 一身，适合电机数字化控制。采用该处理器构建控制系统，能够充分利用其丰 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 富的周边接口，使系统的结构大为简化，缩小了目标系统的体积，为控制系统 的小型化、集成化奠定了坚实的基础“。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 与其他处理器比较如表2 - 1 所示【2 u j 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 作为 专用电机控制而设计的d s p 芯片，与其他处理器比较，具有计算速度快、多 定时器、多p w m 通道等优点。所以，选择它作为防爆机器人控制器的处理器 非常有利于机器人的控制。 表2 - 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 与其它d s p 芯片的比较 t a b l e2 - 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e n2 4 0 6a n do t h e rd s p c h i p s ， i n t e lm o t o r o l a t ip i ca v r 8 7 c 1 9 6 m cm c 6 8 h c l 6t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 6p i c l 6 f 8 4 t 9 0 s 8 5 3 5 处理速度 1 9 9 03 03 01 0 01 2 5 ( n s ) r a h i5 4 48 k2 5 k2 8 86 1 2 f l a s h8 k1 2 8 k3 2 k1 4 k r 8 k p 嘣通道 个数 841 651 0 定时器 个数 2145l s p i 模块 个数 ll1l s c i 模块 个数 121ll 2 3 防爆机器人控制器总体设计 控制器是实现防爆机器人运动控制的核心器件，通过控制器实现对防爆机 器人左右轮、越障臂和操作臂各电机的控制，以及与各个功能模块之间的通 信。目前实现电机驱动控制采用较多的一种方案是以8 0 3 1 、8 0 9 8 等微处理器 作为控制系统的c p u ，通过一些中大规模集成电路，如8 2 5 3 、8 2 5 4 等来控制 其脉冲输出频率和脉冲输出数，从而实现电机的速度和位鼍定位【2 l 】。但在这种 方案中微处理器所需周边器件较多，这样往往会影响到整个系统的稳定性、可 靠性田j ，而且对于该防爆机器人控制系统，这种方案显然不能满足对多电机， 多串口的控制应用。综合考虑市场上流行的各种处理器，我们选用t i 公司生 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 产的专用于电机数字化控制的d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 作为主处理器，该处理器 速度快和外设丰富的特点极大方便了防爆机器人控制器的设计。 防爆枧器入的控制器以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 数字信号处理器为核心，采用主从 双处理器分工控制模式，控制器总体结构框图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 控制器总体结构框图 f i g 2 - 4t h ed i a g r a mo f t h ec o n t r o l l e r 主d s p 接收并处理超声波传感器阵列驱动卡、g p s 接收机、电子罗盘和 g s m 无线模块的信息，从d s p 接收遥控器指令，完成机器人轨迹计算，产生 电机控制信号。 2 4 控制器的硬件电路与实现 控制器要求具有开放式集成化功耗小等性能，因此设计时，尽量选择功耗 小的专用功能芯片代替集成电路的搭建【2 3 1 。 2 4 1d s p 电源电路设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 d s p 有5 种电源引脚【2 4 】，分别为： 堕堡堡三兰奎兰三兰堡圭兰堡篓圣 ( 1 ) c p u 内核电源引脚； ( 2 ) i o 电源引脚； ( 3 ) p l l 电源引脚： ( 4 ) 模拟电路电源引脚，必须同数字电源分开； ( 5 ) f l a s h 编程电源引脚。 在本d s p 控制系统中，控制器电路板采用+ 5 v 供电，除f l a s h 编程电源为 + 5 v 外，其余各种供电电源都要求是+ 3 3 v ，这就需要将电路板上的电压从 + 5 v 转换为+ 3 3 v 。 本系统采用线性稳压器t p s 7 7 5 3 3 p w p ，将+ 5 v 转换为+ 3 3 v 电压给整个 控制板供电。线性稳压器t p s 7 7 5 3 3 p w p 最大输出电流为5 0 0 m a 2 5 1 ，可以满足 系统要求。该线性稳压器为主从两个t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 和串口扩展器s p 2 5 3 9 提 供电压，当控制器刚上电时，稳压器输出复位信号给d s p ，系统复位。 t p s 7 7 5 3 3 p w p 在+ 5 v 电源电压波动较大时仍能保持正常工作，并且当输出电 压降至正常值的9 2 9 8 时，可以输出复位信号给t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 进行复 位。电路如图2 - 5 所示。 图2 - 5 电源系统电路 f i g 2 7 5t h ep o w e rs y s t e m c i r c u i t d s p 芯片对工作电压的要求非常高，一般都要求电压偏差不超过5 ，即 电压偏差不能超过o 1 6 5 v 。否则，工作电压偏差超出这个范围，长时间工作容 易缩短寿命甚至于烧毁。因此，在电路中又设计了电压监控来实现对电压的实 时监控，以期电源能够为芯片提供合格而稳定的电压，并保证整个系统的可靠 运转。选择的是t p s 3 3 0 5 3 3 双路电压监控器，可同时监控+ 3 3 v 和+ 5 v 两路 电压，s e n s e l 监控+ 5 v ，s e n s e 2 监控+ 3 3 v ，当这两路的任何一路电压偏差 超出5 时，置r e s e t 低电平，系统复位，实现电路监控1 2 6 】。另外为了方便 堕查鎏三些查耋三兰堡圭兰堡鎏兰 。：；：。：；，。，。：；：一 调试，还设计了一个复位按钮，如图2 6 所示。 图2 - 6 手动复位电路 f i g 2 - 5 m a n u a lr e s e tc i r c u i t 此外，每个芯片的电源需加旁路电容0 , 0 1 - - 0 iuf 的瓷片电容，并在板子 的电源入口放置大电容4 7 1 0 “f 的钽电容，用于滤波抗干扰。 2 4 2d s p 时钟电路设计 正确的时钟对系统的可靠运行至关重要，d s p 控制系统有以下3 种时钟设 计方案驻7 】： ( 1 ) 内部振荡器最为常用； ( 2 ) 外部振荡器需要考虑电平匹配阅题； ( 3 ) 片上集成p l l 锁相环电路，对输入时钟进行倍频或分频。 防爆机器人控制器采用最后一种方案，如图2 7 所示，删s 3 2 0 l f 2 4 0 6 使 用芯片内部锁相环( p l l ) 电路，通过软件设置，对外部晶体进行倍频得到系 统时钟。控制器的输入时钟为1 2 m h z ，经p l l 锁相环电路2 倍频后，系统时 钟为2 4 m h z 。 p l l 模块使用外部滤波器电路来抑制信号抖动和电磁干扰，使信号抖动和 干扰影响最小。滤波器电路回路的元器件r l 、c l 、c 2 根据输入时钟的大小选 取，而且c 卜c 2 必须是无极性电容。本控制系统输入时钟为1 2 m h z ，故选取 电阻r 1 1 3 f 、电容c i 、c 2 分别为o 4 7 心和o 0 1 心，误差均在允许范围内口”。 零 p l l p x t a l p l l f o s c p l l 选择 ( s c s r i f 1 1 ：9 】) 图2 7 锁相环的时钟模块电路图 f i g 2 - 7p l l c l o c km o d u l eb l o c kd i a g r a m 另外，布线时所有p l l 连线必须尽可能短，且p l l v c c a 和离其最近的v s s 之间需接一个o 1 心的低通滤波电容。 2 4 3s c i 串行口通讯电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 内嵌串行通信接口( s c i ) 模块，支持d s p 与其他使用标 准格式的异步串行外设之间的通信。本设计利用s c i 模块完成主d s p 与超声 波传感器阵列驱动卡、g p s 接收机、电子罗盘和g s m 无线模块的通信，由于 d s p 只有一个异步串口，而实际需要5 路串行接口，故需要扩展串口。这里采 用低功耗专用串行口扩展芯片s p 2 5 3 9 h s o 将主d s p 的r s 2 3 2 串行口扩展成5 个全新的全双工r s 2 3 2 串行口1 2 9 1 ，如图2 8 所示。所有串行口可以同时独立 与超声波传感器阵列驱动卡、g p s 接收机、电子罗盘和g s m 无线模块进行异 步串行通信。s p 2 5 3 9 将一个母串口5 扩展成五个子串口0 、1 、2 、3 、4 ，母串 口的输入( r x 5 ) 和输出( t x 5 ) 分别连接主d s p 的输出( s c i t x d ) 和输入 ( s c i r x d ) 管脚。s p 2 5 3 9 的输出地址管脚a d r 0 0 2 连接主d s p 的输入地 址管脚s c ia d r l 0 2 ( i o p f 4 、i o p f 3 、i o p f 2 ) ，s p 2 5 3 9 的输入地址管脚 a d r l 0 2 连接主d s p 的输出地址管脚s c ia d r o o 2 ( i o p b 4 、i o p b 5 、 i o p c 0 ) 。 堕堡堡三些奎耋三兰堡! ：兰堡篁兰：一 图2 - 8 串口扩展电路原理图 f i g 2 - 8t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x t e n d e ds c i 主d s p 通过中断方式接收来自s p 2 5 3 9 母串口的数据。串口中断发生时，主 d s p 中断子程序首先读取该数据对应的串口输入地址信息( 即s c ia d r l 2 、 s c ia d r j l 、s c ia d 砒o 三位输入地址的状态信息) ，然后根据输入地址的编 码，执行相应串口处理程序。主d s p 接收来自母串口的数据时序如图2 - 9 所示 图2 - 9 d s p 接收来自母串口的数据时序图 f i g 2 - 9t h er xs c h e d u l i n gb e t w e e nd s p a n ds p 2 5 3 9 发送数据时，主d s p 首先设置对应的串口输出地址信息( 即s c ia d r 0 2 、 s c ia d r 0 1 、s c ia d r o o 三位输出地址的状态信息) ，然后将欲发送的数据 由主d s p 串口发送到s p 2 5 3 9 。主d s p 向子串口发送数据时，默认条件下，主 d s p 的波特率为各子串口的波特率得六倍，由于主d s p 的速度比各子串口的速 度快许多，主d s p 可通过延时指令来匹配母串口和各子串口间的数据传输。主 d s p 向母串口发送数据的时序如图2 1 0 所示。 堕查鎏三些查兰三兰堡! ! ；兰堡篁圣 图2 1 0d s p 向母串1 5 1 发送数据时序图 f i g 2 - 1 0t h e t x s c h e d u l i n gb e t w e e nd s p a n ds p 2 5 3 9 d s p 芯片引脚和r s 2 3 2 接口逻辑电平不同，我们选用m a x 2 3 2 芯片进行电 平转换。m a x 2 3 2 芯片+ 5 v 供电，功耗低且集成度高，具有两个接受和发送通 道，整个电路简单、可靠性高，如图2 11 所示。 图2 - 1 1 串行通信接口电路 f i g 2 - 11t h ei n t e r f a c ec i r c u i to f r s - 2 3 2 2 4 4 遥控器接口电路 遥控收发模块选用p t r 2 0 0 0 ，p t r 2 0 0 0 与d s p 控制器的接口电路如图2 1 2 所示，d o 与d i 为p t r 2 0 0 0 d e 数据输出和数据输入引脚，分别与从d s p 的 s