（电力电子与电力传动专业论文）教育机器人嵌入式平台设计.pdfVIP

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ef r o n tf i e l di ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，i n t e l l i g e n tr o b o t i so n es t u d yo fh i g h l yi n t e g r a t i o n ，p r e c e d i n gf u t u r i t y ，i n n o v a t i v ep r a c t i c e ，w h i c h i sr i c hi ne d u c a t i o nr e s o u r c e e d u r o b o ti nt h i sp a p e ri so n ek i n do fi n t e l l i g e n t r 曲o t w h i c hi ss p e c i a la p p l i e di ne d u c a t i o nd o , r a i n e 踯一r c b 凹c a nb eu s e di nr o b o t c l a s s r o o mt e a c h i n g , o rb ea p p l l e di nv a r i o u sa f t e rs c h o o la c t i v i t yo rc o m p e t i t i o n i t e ma so n ek i n do fr o b o tp l a t f o r m ，a n di sf u i io fa p p l i c a t i o nv a l u e t h em a i nt a s k o ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ha n dd e s i g ne m b e d d e de d u r o b o tp l a t f o r m f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r e s e n ta p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hs t a t u so f e d u r 0 嘎y r 。b r i n g sf o r t ht h es e v e r a lb a s i ca r t i f i c a li n t e l l i g e n c eo fe d u r o b o t ，a n d g i v e sm a n ys e n s o ri m p l e m e n tp r o j e c t s i nc o n t r a s tt om u l t i p l eh a r d w a r ep l a t f o 珊s ，t h i sp a p e ra n a l y s e se d u r o b o t s b o t t o mc o n t r o lr e q u i r e m e n ta n dm a k e sac o n s t r u c t i r es y s t e md e s i g nb a s e do n r m p l a t f o r m a r mh a v el o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hp e r f o f i n a n c ea n dg o o dp r o p o r t i o no f p e r f o r m a n c ea n dp r i c e c o n s i d e r i n gt h er e s p e c t so f 既m - r o b o t sn o d u l a r i z a t i o na n de x p a n s i b i l i t y ， t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h en e t w o r ka n a l y s i sp r o j e c tb a s e do ni 。cb u s o nt h e o n es i d e ，t h em o d eo fb u se x p a n d i n gs i m p l i f i e sp o r tc o n n e c t i n g ，a n dm a k e s e x p a n s i b i l i t ys t r o n g e r ；o nt h eo t h e rs i d e ，u s i n gi z cb u sa st h ee x p a n d i n gb u s i m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n ds p e e do fb u sc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ru s e sl u c i d r e g i s t e ra d d r e s ss p a c em a p p i n ga si t si d e a ，d e s i g n si nd e t a i lt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sb e t w e e nd i f f e r e n tm o d u l e sb a s e do n1 2 cb u s 。a n di n c r e a s e st h ep r o t o c o l s e f f i c i e n c ya n dt h ec o d e sc u r r e n c y o nt h es i d eo fi m b e d d e dp l a t f 0 1 1 sb o t t o ms o f t w a r e ，t h i sp a p e ru s e st h e l ic 0 s - i ia si t sr t o sp l a t f o r m , a n de n h a n c e st h er e a l t i m eq u a l i t ya n ds t 曲i l i t y a n dt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a lm e a n so fp r o g r a m m i n gb a s e do n c 0 6 一i i 。a n d g i v e sm a t e r i a le x a m p l ei na p p l i c a t i o n l a s t l y ，u s i n gt h ep r o g r a m m i n gi n t e r f a c ea n dm e t h o do fr o b o l a bs o f t w a r eo fl f t u o c o m p a n yf o rr e f e r e n c e ，a n di n t e g r a t i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t s p l a t f o r m ， t h ep a p e ra d v a n c e st h ed e v e l o p i n gt h o u g h to fg r a p h i cs o f t w a r ep r o g r a m m i n go fi t s o w n k e y w o r d s e d u c a t i o nr o b o t 、a r m 、l cb u s 、hc o s i i 、l a b v i e w 、g r a p h i cp r o g r a m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：径盔之 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学，中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：j 垒勉导师签名：微日期：型蚴 第一牵绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 自从2 0 世纪6 0 年代初世界第一台机器人诞生以后。机器人技术得到了迅速地发展。 当今机器人技术的发展趋势有两个突出的特点：1 ) 机器人的应用领域的越来越广泛；2 ) 机器人的性能的越来越先进。8 6 3 ”计划是我国关于高技术的中长期研究发展计划，机器 人技术就是其自动化领域的主题之一。在2 1 世纪，机器人技术的进步将会对科学与技术的 发展产生重要的影响。 有专家提出：2 0 世纪8 0 年代是p c ( c 人计算机) 时代；2 0 世纪9 0 年代是i n t e r n e t ( 网络) 时代；2 1 世纪初将进入p r ( 个人机器人) 时代个人机器人将是2 1 世纪的科 技制高点之一。为了适应未来科技社会对人才培养的需要，在教育部门制订的普通高中课程 标准中，将“简易机器人制作”作为选修课程。在中小学中，机器人作为课外活动已经轰 轰烈烈的开展起来了，还有一些学校已经将机器人教学作为课程而搬进了课堂。 智能机器人作为信息技术发展的前沿领域，是一门具有高度综合性、前瞻未来性、创 新实践性的学科，蕴含着极其丰富的教育资源。将智能机器人设计成为一个通用的教育平 台，用于机器人教学和参加各类科技创新和比赛活动，使学生比较全面，综合的了解现代 工业设计、机械、电子、传感器、计算机软硬件、仿生学、人工智能等诸多领域的先进技 术，并亲身接触和体验现代高科技，在学生在获得科技知识和提高实践能力的同时。激发 了他们的创新意识和培养了他们的团队合作精神，这个平台我们称之为教育机器人。目前， 教育机器人受到了社会上的仁人志士、教育工作者以及学生的普遍欢迎 1 2 教育机器人应用现状 机器人教育对高科技社会的巨大作用和影响己经引起了美国、欧洲、日本等发达国家 和亚洲各国的高度重视，也得到了我国教育界的极大关注。国内外机器人赛事不断。引人 注目 f l l 机器人世锦赛：1 9 9 8 由美国非盈利组织f i r s t 发起。目前有1 0 多个国家( 英国、 法国，德国，北欧5 国家、新加坡、韩国、中国) 及美国的4 6 个州参加该活动。每年秋 天，由教育专家及科学家们精心设计的f l l 挑战题目将通过网络全球同步公布。各国区域 选拔赛在年底举行，总决赛于4 - 5 月在美国举行竞赛内容包括主题研究和机器人挑战2 个项目，参赛队可以有8 - 1 0 周的时间准备比赛。 国际机器人奥林匹克竞赛：主要是亚太国家参与的一项国际机器人赛事，2 0 0 2 年中国 北京成功举办了第四届比赛，有包括韩国、新加坡、中国大陆、香港、台湾、菲律宾、泰 国在内的七个国家和地区参加了这一赛事，比赛取得圆满成功。 机器人世界杯：该赛事是科学家和研究人员交流新技术、新信息的好机会。同时，高 娱乐性的比赛会为学生和广大观众传递科技知识，激发他们对科学的兴趣。r o b o c u p 组织 向人们提出新目标：希望在涉及的所有学科和领域，包括电子、机械和人工智能等方面， 都必须有质的突破和创新。2 0 0 2 年首次引入青少年机器人杯赛事 在国外，1 9 8 0 年，第一届全日本机器人走迷宫比赛；1 9 9 2 年，第一届美国人工智能学 东南大学硕士学位论文 会移动机器人比赛：1 9 9 4 年，美国三一学院第一届全球家用机器人灭火比赛；1 9 9 6 年，第 一届f i i l a 机器人足球比赛；1 9 9 7 年，第一届r o b o c 【j p 机器人足球比赛：1 9 9 8 年，第一届 国际海洋机器人竞赛；2 0 0 1 年，日本政府举办第一届国际机器人节，举行了十几项各种机 器人比赛：2 0 0 4 年，全球有一百多项各种机器人竞赛；参加人员从小学生、中学生、大学 生、研究生到研究者。教育智能机器人是目前欧美国家流行的用于培养学生动手能力，计 算机应用能力，和创新思维的学习工具 在国内，2 0 0 0 年，f t i l a 中国区比赛；2 0 0 2 年，c c t v 杯机器人比赛；2 0 0 3 年，中国中 小学生电脑制作大赛智能机器人比赛；2 0 0 4 年，第五届全国中小学电脑制作大赛；还有近 几年各省、市组织各种类型机器人比赛。 1 3 论文研究的内容 论文的主要工作在于教育机器人( e d u - r o b o t ) 嵌入式平台的设计，主要涉及到以下几 个方面： 1 ) 进行了关于e d u - r o b o t 搭建模型的探讨 2 ) 分析了e d u - 脚的人工智能及其实现方式 3 ) 基于a 删开发平台的硬件电路设计，传感器电路分析，基于总线方式的拓扑结构 4 ) 基于uc o s - i i 对e d u r o b o t 的底层嵌入式系统编程 5 ) 基于l a b v i e - 7 1 开发基于p c 机的e d u r o b o l a b 图形化编程软件 1 4 论文研究的意义 在国家进行新一轮课程改革之际，进行教育机器人的设计与应用研究，具有重要的理 论与现实意义。一方面可以丰富我国教育机器人研究的理论，为广大从事这方面研究的人 员提供参考：另一方面为中国教育改革提供一种新的思路，从加强工程领域方面的教育来 培养学生的实践能力与创新精神。我们开发的教育机器人e d u - r o b o t 不仅可以作为学生进 行机器人教育的平台，还可以用来参加各种机器人竞赛，从而为广大对机器人教育感兴趣 的师生提供了一种新的教育工具。 2 第二章e d u r o b o t 嵌入式平台概述 第二章e d u r o b o t 嵌入式平台概述 2 1 国内外教育机器人研究现状 国外教育机器人开发的比较早，典型的有美国乐高机器人和德国慧鱼机器人。 1 9 9 8 年，乐高( l e g o ) 推出机器人( - i n d s t o r m r o b o l a b ) 套件，马上风靡全世界，以 容易使用、任意拼装及开放性马上吸引了大量的机器人爱好者。乐高“课堂机器人”是一 种优秀的科技教育产品，这一独创性的教育工具是由美国麻省理工大学、美国t o f t s 大学、 乐高公司和美国国家仪器公司共同开发研究的它将模型搭建和计算机编程有效的结合在 一起，使孩子们能够设计自己的机器人，在计算机上编写程序，然后通过与计算机相连的 红外发射器将程序下载到机器人的大脑一r c x 微型电脑中，启动r c x 的开关。机器人就可 以完全脱离计算机，按下载程序的指令独立运动起来。例如通过使用光电传感器。学生可 以让机器人沿着一定的路线前进，或者固绕某一物体转动、或者藏在暗处等。 图2 - - 1 沿墙壁行走的l e g o 机器人 慧鱼创意组合模型“六面可拼接体”以其牢周的拼接方式，良好的拓展性。丰富的知 识性和趣味性日益博得广大青少年乃至成人广泛的认可和钟爱。 相比而言，国内教育机器人的研发起步比较晚，即使有产品推出来也只是在某个地区 或者某几个学校小范围的试用，还不是很成熟。 论文研究的e d u - r o b o t 了沿用了l e g o 机器人的长处：采用轮式驱动，模型搭建，计算 机编程相比同类产品e d u r o b o t 的优点体现在以下几个方面： 1 ) 采用a i l i l 作为删- r o b o t 的核心控制器，低功耗且性能突出。 2 ) 采用c 0 s - i i 作为底层控制软件的操作系统，性能稳定且实时性好 3 ) 采用i c 总线的进行模块化扩展，将扩展接口智能化和单一化。 4 ) 图形化编程界面加速使用者的二次开发。 东南大学硕士学位论文 2 2e d u - r o b o t 的人工智能及其实现方式 e d u r o b o t 是一个易于拼装和模块搭建的智能机器人，有着较高的人工智能，能在传 感器的配合下，自动的完成一些基本功能，如避障，寻迹等。充分利用这些基本功能，就 能实现各种各样看似复杂的任务，比如灭火机器入就用到了避障，寻迹，寻找目标等功能 下面将分类讲述这些基本功能以及实现的方法 2 2 1 避障 机器人在前进、转弯和后退的途中，要能正确且及时的发现障碍，以免发生碰撞对车 体造成冲击，然后采取绕过障碍继续前进或者停止前进等待命令等策略避障 e d u r o b a r r 采用了三种常见的检测障碍的方法： 1 ) 超声波测距 超声波传感器包括发射头和接收头，也有将这两者台在一起即能发射又能接收。超声 波发射头发出3 4 0 米秒的超声波，经障碍物反射后又被超声波接收头接收到，通过精确的 测量发射和接收的时间差，可以用公式：距离= 3 4 0 米秒时间差( 秒) 2 ，得到 机器人与障碍物间的距离，当距离较近时就得采取避障措施了 2 ) 红外传感器测距 红外传感器也包括发射头和接收头，接收头可以分为两种： 2 1 ) 普通的接收头凡是红外光都能接收到，输出信号是模拟量。红外发射头发出的 红外光经障碍物反射后又被红外接收头接收到，传感器与障碍物间的距离变化时就会引起 反射光强度的变化，这样输出信号就表现出电压的高低。 2 2 ) 一体化的接收头只能接收3 8 k h z 调制的红外光，红外发射头在发射时要进过 3 8 k l | l z 载波的调制，一体化接收头输出信号是数字量。这种传感器只能用于定性的判断是 否在测距范围内，从而判断是否要避障，不太适合用于避障。 3 ) 触点开关传感器 机器人用的触点开关是一种机械开关，通常安装在机器人的最外侧。在发生碰撞时使 开关闭合或打开，发出一个需要避障的电信号。触点开关带有自恢复弹簧结构，所以在碰 撞时对机器人有一定的缓冲保护作用。触点开关的机械特性使得其不会受到环境的干扰， 如电磁干扰。光线的干扰等，而且电路非常简单。故可靠性非常高。 2 2 2 避悬崖 机器人在较高的桌面上自由移动或者下楼梯时，需要能检测到桌子的边缘，防止掉下 去捧坏。可以将用于避障的几个传感器安装机器人小车的底部，就可以实现避悬崖的功能 2 2 3 寻迹 寻迹可分为被动寻迹和主动寻迹。 被动寻迹就是沿着指定路线移动，比如机器人大赛中常见的沿着白纸上的黑线走完整 个路程，其中黑线是连续的。但有很多转弯，还有分岔和死角，要求机器人小车不能偏离 黑线，走完路程且用时最短的获胜。被动寻迹可以用安装在小车底部的一个或多个红外传 4 第二章e d u - r o b o t 嵌入式平台概述 感器实现，下面以两个红外传感器为例讲述寻迹的原理，参见示意图2 - - 2 ： 图2 2 机器人寻迹示意图 机器人在p l 位置出发时，红外传感器1 在黑线位置，红外传感器2 在空白纸处，机器 人始终保持这个位置直线前进，如果是前方是左拐弯，机器人在p 2 位置能通过红外传感器 2 识别出来；如果是前方是右拐弯，机器人在p 3 位置能通过红外传感器1 识别出来； 主动寻迹就是通过试探的方法找到出路或者目标物，比如机器人大赛中常见的走迷宫， 灭火机器人等。它的原理就是沿着墙壁走，遇到障碍按照某个固定的方向转弯，利用穷举 法完成比赛任务。这里要实现的功能有两个：避障和沿着墙壁走。由于是短距离的避障， 所以在机器人的前侧和后侧各装一个触点传感器就可以实现。沿着墙壁走实现起来也很简 单。只需要在机器人的左前方安装一个红外传感器就行了，参见示意图2 3 ： 2 2 4 寻找目标 图2 - - 3 沿墙壁行走的机器人 在有些场合下，机器人需要先寻找目标，再进一步采取行动，例如足球机器人比赛， 机器人需要先找到球的位置，再做出进攻或者防守的反应；灭火机器人需要先找到蜡烛， 才能将之吹灭。这些目标都能给传感器一些特殊的信号，例如足球本身是一个红外发光体。 当红外接收头对准它时，就能收到很强的红外信号，使机器人可以定位足球的位置并接近 它。 2 2 5 定位和描图 以机器人的起跑位置为坐标原点，让机器人移动到某个给定坐标点。或者机器人移动 到某个位置后报出当前坐标，这就是机器人的定位功能。 如果让机器人在一个封闭的房间内沿着墙壁行走，并给出经过位置的坐标，就能实现 自动绘图的功能 e d t l r o b o t 采用左右轮分别驱动的方式移动，如果左右轮的方向相同，转速相同，就 能实现直线运动；如果一个轮子不转，另一个轮子转动，就能实现以不转的轮子为中心转 弯如果两个轮子以相同的转速、相反的方向转动，就能实现原地转弯。我们只要分别精 东南大学硕士学位论文 确的测量出轮子转过的角度，就能计算出机器人小车前进的距离和转过的角度，从而可以 描述出完整的轨迹。 测量车轮或者电机转过的角度，方法有很多种： 1 ) 如果是步进电机。只需要对脉冲计数就能知道电机转过的角度，不需要任何的传感 器反馈电路 2 ) 如果是普通直流永磁电机，可以用光电开关实现测角度。在机器人小车轮子的轴上 安装一个辅助的圆盘。圆盘上开有很多相同夹角的长方形槽，槽的个数取决于机械加工精 度和安装工艺。个数越多控制精度越好，参见示意图2 4 ： 律的同秘圃落 图2 4 测转角示意图( 一) 车轮转动时圆盘也一起转动，长方形槽在光电传感器的中心位置时，发射的光线能被 接收端收到，反之就收不到。每转过一个槽就产生一个脉冲，通过对脉冲计数就可以计算 出轮子转过的角度，如果再加上计时，就能计算出转速和加速度等实时数据。 测转角还可以利用红外模块来实现，参见示意图2 5 ： 7 图2 - - 5 测转角示意图( 二) 利用红外光在白色区域和黑色区域的反射强度不同，轮子转动时，红外接收头就能收 到强弱不同的红外信号，输出电压经过比较器后就能产生可用于计数的脉冲信号 2 2 6 遥控操作和机器人队列操作 删一r o b 0 r r 的主控制模块具有无线通讯功能，可以通过操作者遥控完成任务，也可以 通过计算机远程遥控。 多台e d u - r o b o t 可以通过相互通讯实现团队合作，例如保持队列阵形移动等 6 第二章e d u - r o b o t 嵌入式平台概述 2 3 对e d u - r o b o t 二次开发的步骤 f j ) u - r o b o t 是一个开放的平台，广泛用于教育领域，它的二次开发可分为四个步骤： 第一步：使用e m i - r o b o t 的主控制器设计机器人 主控制器是e b b - r o b o t 系统的核心部分，使用e d u r o b o l a b 软件及主控制器，学生们 可以创造、搭建、编程真正的机器人，让它运动、做动作、甚至自己去“想”。为主控制 器编写程序，通过各种输入( 传感器) 与输出( 马达与灯等) 对周围环境做出响应。有多 种传感器可供选择。如触动传感器、光电传感器、温度传感器、角度传感器等。 第二步：在p c 机上为机器人编写程序 为主控制器编写控制程序的e d u - r o b o l a b 软件是一个简单、直观、易学的编程环境， 是以美国国家仪器公司的l a b v i e w ，流行于测量和自动化领域的图形化编程软件为基础开 发的。在计算机上为机器人编写好程序。程序一旦下载到主控制器，机器人就脱离计算机， 根据程序指令，按照周围环境的输入信息来做出判断。决定下一步如何行动，完全智能化 当然，如果机器人未按预先设计的行动。即程序编写不够完善时，可以在计算机上修改原 程序，再下载，运行机器人进行测试，直到机器人完全按要求工作为止 第兰步：下载程序到主控制器 使用e o u r o b o l a b 编程软件在计算机上编写好程序，然后通过计算机的串口以i s p 的 方式下载到主控制器。 第四步：运行程序，测试机器人是否按要求工作 学生可以通过运行程序，马上知道机器人是否按设计的行动。如果机器人没有按要求 的做，可通过检查机器人搭建及程序编写是否正确来修正错误。这一过程不仅锻炼学生分 析问题、解决问题的能力；而且培养学生逻辑分析能力、团队合作精神与交流能力 2 4 开展e d u - r o b o t 活动的意义 传统的教学方式与教材倾向于就一个给定的问题，告诉孩子们一个既定的答案，限制 孩子天性的发挥。孩子们往往处于这样一种感觉状态：解决问题的途径只有一个这样， 孩子们的创造性就得不到适当的开发导致的结果是孩子们只是接受已有的知识体系，而 不是主动去探讨、去发现新的东西。 机器人活动主题不仅有趣，更提供开放性的问题解决方案，学生可以用不同的方法达 到同一项目标，从而鼓励学生充分发挥想象力、创造力，培养学生的开发性思维。使用 e d u - r o b o t 系列教学工具，学生们将有机会： 探讨有趣的、具有挑战性的主题 通过动手实践获取知识 学习多学科知识，如机械设计、电子工程及信息技术等 学生在课堂中的整个构思，设计和开发过程俨然是实际工作和生活中的真实体验。他 们就像真正的工程师一样，针对项目主题，进行研究、策划、设计、组装和测试。学生们 以小组为单位，设计自己的机器人，并为机器人编写程序，让它完成自己想让他做的事情 通过鼓励孩子们主动探索、动手实践，让他们亲身体验抽象的理论如何变成了触手可 及的答案。享受成功的兴奋在活动中，学生不仅可以学到有关机械电子、计算机等技 术知识，更可帮助他们培养良好的生活习惯、掌握技能：与人的沟通与合作对他人的尊 重、毅力与自信心的树立及时间的合理分配、利用等，知道自己的兴趣所在，为将来走上 社会，面对新的挑战做好充分的准备。 7 东南大学硕士学位论文 第三章e d u - r o b o t 嵌入式平台硬件设计 本文研究的机器人是一个用于教育领域的并具有较高人工智能的高科技产品，它借助 传感器感知外界环境并将这些信息反馈到中央处理器进行决策，最后在执行机构得到输出。 其中传感器电路、处理器和输出执行机构能都属于这个平台的硬件设计部分。另外，教育 机器人需要一个友好的人机接口和具有远程通信的能力本章将详细阐述各电路模块的设 计要点，并给出系统的整体方案设计。 3 1e d u - r o b o t 嵌入式系统的硬件平台设计 3 1 1 嵌入式平台选型 现在我们设计一个嵌入式系统，首先应该根据需求分析考虑采用何种平台，然后再细 化各个功能模块，最后才是具体电路的实现。嵌入式系统中常用的平台有： i ) 基于8 位单片机的平台，如5 1 系列，6 8 h 系列，p i c ，a v r 等，入门级的微处理器， 运算能力一般，价格低，应用广泛； 2 ) 基于1 6 位或3 2 位d s p 的平台，t i 和 d 有很多型号，处理器采用哈佛结构设计。 多级流水线指令，主频商，运算能力强，多用于数字信号处理 3 ) 基于p l d 器件的平台，c p l d 用于小系统，f p g 用于大系统，用于数字逻辑控制； 4 ) 基于3 2 位a 蹦的平台，有a r m 7 系列，a 硎9 系列等，性能出众，功耗低，已经遍 及工业控制、消费类电子、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。世界上知名 半导体公司都在使用a r m 技术，a r m 已经成为了当今嵌入式系统的应用主流。 教育机器人是一个具有较高人工智能的高科技产品，需要完成各种传感器信号量的采 集和分析，并能实时地做出反应，同时还要进行大量的数据通讯和其它操作t 所以要求c p u 的主频比较高，运算能力比较强。为了提高实时性，需要在程序中嵌入实时操作系统。这 就要求有较大的r l i 和r o m 容量。另外，机器人是以干电池作为电源供电的，所以要求系 统的功耗尽量小。综合上述因素。我们采用了代表当今主流技术的，性价比突出的a 蹦作 为教育机器人嵌入式系统的平台。 3 1 2a r m 处理器简介 ( 1 ) a r m 处理器的结构和特点 a r m 处理器采用r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ，精简指令集) 结构，与 传统c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集) 相比，具有如下的特点i 采用固定长度的指令格式，指令归整，简单，基本寻址方式有2 3 种。 使用单周期指令，便于流水线操作执行 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器操作，只有加载存储指令可以访问存储器。 所有的指令都可以根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理 在循环处理中使用地址的增减来提高运行效率 8 第三章e d u - r o b o t 嵌入式平台硬件设计 由于a r x 处理器具有上述结构上的特点，使得它具备了很多优点： 体积小、低功耗、低成本、高性能。 支持t h u m b ( 1 6 位) a r x ( 3 2 位) 双指令集。能很好的兼容8 位、1 6 位器件 大量使用寄存器，指令执行速度快，并且大多数数据操作都在寄存器中完成。 寻址方式灵活简单，执行效率高。 ( 2 ) a 蹦处理器系列 删处理器目前包括下面几个系列： a 髓7 系列 a 啪系列 a 删9 e 系列 a r m l o e 系列 i n t e l 的x s c a l e 系列 i n t e l 的s t r o n g a r t l 系列 其中，a 硼7 ，a 跚9 ，a p 瑚9 e 和a p 瑚1 0 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相 对独特的性能来满足不同应用领域的需求。 ( 3 ) a r m 7 t d m i 处理器 a 蹦7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，a r m ? 处理器具有如下的特点： 能够提供0 删i p s 姗z 的三级流水线结构，代码密度高，并兼容1 6 位的t h u m b 指令 指令系统与a r x 9 ，a r x 9 e 和a r m l 0 e 系列兼容，便于产品升级。 主频最高可达1 3 0 t i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的应用场合 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 对操作系统的支持广泛。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。如移动机器人产品。 a r m 7 系列处理器包括以下几种类型的核：a i 瑚t t i ) m i ，a r m 7 2 0 t ，a p 珈? e j 。其中，a r m t t i ) m i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器。t d m i 的基本含义是： t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ： d ：支持片上d e b u g ； 内嵌硬件乘法器( x u l t i p l i e r ) ； i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点 ( 3 一1 ) 指令流水线 蹦7 t 蹦i 使用3 级流水线，以提高处理器指令的流动速度指令的执行分为三个阶段： 取指、译码和执行具体的操作参见图3 - - l ： 图3 1a r m t t d m i 单周期指令的三级流水线操作 当正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令可以进行译码，且第三条指 令从存储器取指程序计数器指向正在取指的指令，而不是正在执行的指令 9 东南大学硕士学位论文 ( 3 - - 2 ) 存储器访问 a r m 只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据可以是8 位( 字节) 、 1 6 位( 半字) 和3 2 位( 字) 。字必须是4 字节边界对准，半字必须是2 字节边界对准 ( 3 3 ) 嵌入式i c e - r t 逻辑 嵌入式i c e - r t 逻辑为a 删7 t 蹦i 核提供了集成的片上调试支持，可以利用i c e - r t 逻辑 来编程断点或观察断点出现的条件。嵌入式i c e - r t 逻辑包含调试通信通道( d c c ，d e b u g c o m m u n i c a t i o n s c h a n n e l ) 。d c c 用于在目标处理器和调试器之问传送信息。嵌入式i c e - r t 逻辑通过j t a g 接口( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 进行控制 ( 3 4 ) a r m 7 t d m i 操作模式 髓7 t 咖1 支持7 种操作模式： 用户模式：这是程序正常的运行状态。 快速中断模式：为快速数据传输或通道处理设计。 中断模式：用于通用的中断操作 监控模式：操作系统的保护模式。 终止模式：取数据或指令错误后进入该模式。 系统模式：操作系统中有特权的用户模式 未定义模式：当有未定义的指令被执行时进入该模式。 模式之间的切换可以通过软件控制，多数的用户程序都是在用户模式下运行，进入非 用户模式一般都是完成操作系统中的一些操作。 ( 3 5 ) a r m 7 t d m l 的寄存器 a r m 7 t d m i 共有3 7 个寄存器，其中3 1 个为3 2 位通用寄存器，6 个为状态寄存器。但是 这些寄存器不能同时被访问，处理器的状态和操作模式决定了哪些寄存器可以被访问 ( 4 ) a r m 嵌入式系统 a r m 体系处理器被广泛应用于嵌入式系统的原因基于以下几点： 高性能的r i s c 处理器内核，低功耗。 兼容3 2 位和1 6 位指令，灵活的外部设备扩展方式。 大量系统软件和应用软件。 高性能和低功耗是嵌入式系统的应用复杂性和应用环境所需要的。兼容1 6 位指令能够 降低系统开销，这对于比较简单的应用而言非常重要。通过各种总线，包括先进高性能总 线a h b ( a d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) 、先进系统总线a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和先 进外围总线a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) ，a r m 体系处理器能够集成各种外围设备，提 高s o c 集成程度。a r m 体系的成功使得许多软件已经能够运行在a r m 体系处理器上，而这 也将促进更多的软件被移植或开发，包括操作系统、中间件和各种应用程序 3 i 3 基于a r m 7 t d m i 内核的微处理器l p c 2 1 3 x 简介 论文结合教育机器人的实际应用，采用了一款p h i l i p sa r w 4 7 处理器l 1 屯2 1 3 2 ，属于 l p c 2 1 3 x 系列，它们的区别主要在于存储器容量的不同，具体性能参见表3 一l ： l p c 2 1 3 1 2 1 3 2 2 1 3 4 2 1 3 6 2 1 3 8 徽控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - sc p u ，并带有3 2 k b 、6 4 k b 、1 2 8 k b 、2 5 6 k b 和5 1 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运 行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性 能的损失却很小。 较小的封装和很低的功耗使l p c 2 1 3 x 特别适用于访问控制和p o s 机等小型应用中： l o 第三章e d u - r o b o t 嵌入式平台硬件设计 由于内置了宽范围的串行通信接口和8 ，1 6 ，3 2 k b 的片内s r a m ，它们也非常适合于通信网 关、协议转换器、软件m o d m 、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和 强大的处理功能。多个3 2 位定时器、1 个或2 个1 0 位8 路的a d c 、1 0 位d a c 、p w m 通 道、4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用 以及医疗系统。 l p c 2 1 3 xr a mf l a s h最大i o 串行接口 a dd a 频率 l p c 2 1 3 18 k 3 2 k6 0 m4 7 2 x u a r t 1 2 c ，s p i 8 x 1 0 b i t l p c 2 1 3 21 6 k6 4 k6 0 m4 7 2 x u a r t ，1 2 c ，s p i 8 x 1 0 b i t1 x l o b i t l p c 2 1 3 41 6 k1 2 8 k6 0 m4 7 2 x u a r t ，1 2 c ，s p i 8 x l o b i tl x l o b i t l p c 2 1 3 63 2 k2 5 6 k6 0 m4 7 2 x u a r t ，1 2 c ，s p i d u a l8 xl o b i t 1 x l o b i t l p c 2 1 3 83 2 k 5 1 2 k6 0 m4 7 2 x u a r t ，1 2 c ，s p i d u a l8 xl o b i t1 x l o b i t l p c 2 1 3 x 的主要特性： 1 6 3 2 位a r m 7 t 蹦i s 核。超小l q f p 6 4 封装。 8 1 6 3 2 k b 的片内静态r a m 和3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器。 1 2 8 位宽度接n 加速器可实现高达6 0 m h z 工作频率。 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程在应用编程( i s p i a p ) 单个f l a s h 扇区或整 片擦除时间为4 0 0 m s ，2 5 6 字节行编程时间为1 m s 踟b e d d e d i c er t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进行实时调试和 高速跟踪。 1 个( l p c 2 1 3 l 3 2 ) 或2 个( l p c 2 1 3 4 3 6 3 8 ) 8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟 输入，每个通道的转换时间低至2 4 4 u s 。 1 个1 0 位的d 转换器，可产生不同的模拟输出( l p c 2 1 3 2 3 4 3 6 3 8 ) 2 个3 2 位定时器) k 部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p i b t 单元( 6 路输出) 和看门狗。 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0k b i t s ) 、s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p 。 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址。 小型的l 姐f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i 0 口( 可承受5 v 电压) 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。 通过片内p l l ( 1 0 0 u s 的设置时间) 可实现最大为6 0 删z 的c p u 操作频率 低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。 通过外部中断或b o d 将处理器从掉电模式中唤醒。 单电源，具有上电复位( p o r ) 和掉电检测( 咖) 电路 3 1 4a r m 平台最小系统设计 a r m 处理器可以工作的最小系统一般由电源、复位电路、系统时钟等构成，考虑到删 调试方便，把j t a g 和串口i s p 也包括进来。 ( 1 ) 供电设计 l p c 2 1 3 x 采用单电源供电方案，内核和1 0 供电都是3 3 v 机器人采用6 节5 号电池供 东南大学硕士学位论文 电，直接驱动电机等功耗较大的负载，控制电源先用7 8 0 5 稳压至5 v ，再使用l d o 芯片( 低 压差电源芯片) 稳压输出3 3 v 。l d o 采用了l h l l l 7 3 3 ，其特点为输出电流大，精度高， 稳定性高，功耗低具体电路参见图3 2 ： 图3 2 系统供电设计 ( 2 ) 系统时钟 采用外部时钟源，时钟频率为l o 2 5 m h z ，内部p l l 电路可调整时钟，c p u 最大操作时 钟频率为6 0 m h z 。振荡器输出频率称为f o s c ，a r m 处理器时钟频率称为f c c l k ，系统时钟电 路如图3 - - 3 所示，1 l i 欧姆电阻并联，使系统更容易起振 图3 3 系统时钟 ( 3 ) 复位电路 a r m 芯片的复位需要两个信号：n r s t 和n t r s t ，图3 - - 4 利用7 4 h c l 2 5 的三态门实现了 即可上电复位，又可以j t a 6 复位 图3 4 系统复位电路 “) j t a g 接口电路 a r m 7 t d m i 处理器的高级调试特性使应用程序、操作系统和硬件开发变得更加容易通 过a r m 7 t d m i 处理器j t a g 接口，在调试时可以实现如下功能： 暂停程序的执行 检查和修改内