基于TMS320F2812的机械手控制平台.doc

题 目： 基于DSP的机械手控制系统 摘要:本项目对基于步进电机的机械手控制平台进行了设计。机械手硬件以TMS320F2812 DSP芯片为控制核心，由水平方向转动的腰部步进电机、垂直方向转动的手臂步进电机和电磁吸棒三部分组成，机械手臂均能360度任意转动。机械手软件包括主控程序、电机运行程序、键盘中断程序、液晶显示接口程序。操作者能通过手动、循环自动和远程遥控等多种控制形式来控制机械手的运行。Abstruct:The robot control platform based on stepper motor is designed.TMS320F2812 DSP chip is used as control core in the platform.The plat form is consisted of horizontal stepper motor, vertical stepper motor and electromagnetic absorptionrods. The arm of the robot can rotate in 360 degree. The software of robot platform is consisted of master control program, the program of the motor to run, Keyboardinterrupt program and LCDinterface program. The platform can be controlled by manual control ,cycle automatic and remote control 1. 引言机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，完成按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。以往机械手大多以PLC可编程控制器为控制核心，但是成本太贵，在一些小型工厂不宜使用，而TI公司的C2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特点于一身，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法，在电机控制领域得到了广泛的应用。能够基本满足许多工厂的任务要求，使用2812芯片的机械手系统因为体积小，价格便宜，可以在大量的场合使用。机械手精确的角度把握，使得流水作业质量大大提升。2. 系统方案 2.1机械手控制系统功能概述机械手模型如图2-1所示：图2-1 机械手模型1. 水平方向的腰部步进电机360度全方位运动，垂直方向的手臂步进电机可以360度全方位运动，机械手在两个自由度内角度任意变换，角步速度、精度均可调，使得机械手臂能精确到位。2. 液晶显示屏记录转动圈速和运行时间，显示当前运行情况，根据任务的不同，机械手抓举部分可以选用电磁吸棒，机械抓等，具有很强的通用性。操作者可通过手动、循环自动和远程遥控多种形式控制机械手。2.2总体设计 根据设计功能要求，基于DSP的机械手控制系统的结构框图如图2-2所示。如图2-2 基于DSP的机械手的结构框图基于DSP的机械手控制系统的主要功能模块为：DSP最小系统、步进电机驱动电路、按键电路、显示电路和电源电路。2.3具体方案1.核心控制芯片 系统需要选用一个控制芯片来控制整个系统的运行，有如下三种方案： 方案一：采用PLC可编程控制器 优 点：寿命长，运行可靠，可多台同时控制，技术已经成熟，在大型机械手中广泛使用。缺 点：体积大，价格昂贵，编程限制于梯形图，算法繁琐。方案二：采用STC89C51单片机优 点：体积小，价格便宜，编程简单缺 点: 扩展能力有限，输出口较少。 方案三：采用TMS320F2812 DSP控制优 点：体积小，运行可靠，输出端口多，可供多台同时使用，编程语言先进，算法简单，能通过算法使机械手精确定位。缺 点：芯片推出时间不长，技术可能不成熟。考虑到多台步进电机之间的协调操作，所以采用DSP2812为本次设计的核心芯片。2步进电机驱动电路 由于要使用两台功率不一样的步进电机，而DSP芯片产生的电流很小，驱动不了步进电机，所以需要步进电机驱动电路，步进电机驱动电路通常可以采用如下方案实现： 方案一：利用达林顿管ULN2003放大电路来驱动步进电机 优 点：驱动电路简单，驱动小功率电机足够 缺 点：驱动电流比较小，驱动步进电机时需考虑步进电机驱动电流。 方案二：采用L298组成的驱动电路 优 点：驱动能力比2003强，能带动大功率步进电机，基本不用考虑电流问题。 缺 点：电路较为复杂。 比较以上两个方案，考虑到这次设计需要使用一台12V/0.4A的步进电机，所以采用方案二选用L298组成的驱动电路。3显示接口电路因为需要显示步进电机转动模式，以及圈数、精度等情况，所以需要显示模块，可以采用以下方案实现： 方案一：采用六位LED数码管 优 点：电路简单，不需编程只需一个译码器 缺 点：显示数据太少，只能显示单位数字，不能充分说明步进电机的实时数据。方案二：采用液晶显示屏12864优 点：因为可以多行显示，可以充分显示步进电机的实时数据。缺 点：电路较为复杂，需要编程，成本较高。考虑到本次需要使用多台步进电机，所以需要显示的数据比较多，用数码管实现不方便，所以采用液晶屏12864组成的显示模块。4.电源电路 机械手由步进电机组成，所以需要两台功率不一样的步进电机，可以采用如下两个电机驱动电源方案： 方案一：采用CW7812稳压电路 优 点：电路简单，只需稳压芯片和电容滤波即可，内部包含电流限制、有过流保护和安全区保护，基本不会损坏。 缺 点：最大输出电流1.5A，驱动能力有限，如果使用，每台步进电机都将配一套12V电源。 方案二：采用LM2596开关电压调节器 优 点：输出电流能达到3A，驱动能力强，完全满足两台步进电机 缺 点：与CW7812稳压电路相比，电路较复杂。考虑到要使用两台电机，输出电流比较大，后期不能带动别的电机，适用性差，所以选用LM2596直流斩波电路。2.4版面设计考虑到系统的稳定性，DSP工作频率高受外部易干扰，所以单独把CPU主控电路设计为一块PCB板，步进电机驱动电路、按键电路单独设计为一块PCB板，电源为一块PCB板。如此设计还可使CPU控制卡用在别的场合，使它的通用性更强。3. 系统硬件设计基于DSP的机械手控制系统主要由DSP最小系统、步进电机驱动电路、按键电路、显示电路和电源电路等组成。3.1 DSP2812最小系统DSP最小应用系统包括了时钟电路、复位电路、SRAM、JTAG仿真接口电路及D/A转换电路，电路原理图如图3-1所示。电路主要由DSP2812、30M无源晶振和电源芯片TPS767D318等组成，外加少量电阻、电容和电感。TPS767D318为+5V输入，可产生+3.3V和1.8V的输出电压供DSP使用；同时该芯片产生的复位信号也可供JTAG仿真口使用，另外还需加一个14脚的JTAG仿真口以便烧写程序。该系统不管是在仿真模式下，还是在实时运行模式下都可正常使用。图3-1 DSP2812最小系统原理图3.1.1 TMS320F2812芯片TMS320F2812 DSP芯片是在原有TMS320C2XX系列芯片的基础上推出的，它是目前TI公司C2000系列中较高档的一款DSP芯片。它的主频为150MHZ,内含事件管理器、AD转换，总体性价比高。它可以广泛应用于工业马达驱动，数字电源系统，光网络技术，轮胎压力测试系统，显示屏技术，汽车电子动力转向装置，打印机办公产品和一些潮流的产品开发等等。振荡器、锁相环主要为处理器CPU及相关外设提供可编程的时钟，每个外设的时钟都可以通过相应的寄存器进行编程设置;看门狗可以监控程序的运行状态，提高系统的可靠性。DSP除了提供基本的锁相环电路外，还可以根据处理器内部外设单元的工作要求配置需要的时钟信号。处理器还将集成的外设分成高速和低速两组，可以方便地设置不同模块的工作频率，从而提高处理器的灵活性和可靠性。3.1.2 时钟电路设计如图3-1所示时钟电路，因为TMS320F2812 DSP内置振荡器电路，只需外加晶体和负载电容即可以产生时钟基准来满足TMS320F2812 DSP的时钟输入要求。TMS320F2812 DSP带有片内锁相环（PLL）时钟模块，其最大的预设比例因子为5，因此只要配置U2为30MHz的晶振就可以满足DSP的频率工作要求，电容C2、C3都为10pF。3.1.3 复位电路设计DSP有三种复位方式：上电复位、手动复位、软件复位，前两种是通过硬件电路实现的复位，后一种是通过指令方式实现的复位。 图3-1所示复位电路，利用RC电路的延迟特性给出复位所需要的低电平时间。在上电瞬间，由于电容C上的电压不能突变，所以通过电阻R进行充电，充电时间有RC的乘积值决定，一般要求大于5个外部时钟周期，可根据具体情况选择。为防止复位不完全，参数可选择大一些。 其中电阻R5为10K，电容C6为10F。按钮的作用是当按钮按下时，将电容C上的电荷通过按钮串接的电阻释放掉，使电容C上的电压降为零；当按钮松开时，电容C的充电过程与上电复位相同，从而实现手动按钮复位。3.1.4 SRAM设计在电机系统的实验阶段，实时控制软件必须经过反复调试和不断优化，而DSP内部自带的RAM一共只有18K16位，对于复杂的控制算法将不能胜任，如果直接把不完善的程序烧入到DSP芯片内部的Flash中，这样频繁地烧写和擦除Flash不仅会浪费调试的时间，而且还会影响Flash的使用寿命。采用的外部SRAM芯片是ISSI公司的IS61LV6416，IS61LV6416有16根数据总线和16根地址总线，最大存储空间为64K16位，同时具有10ns的快速读写速度。IS61LV6416为静态随机存储器，一般由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路组成。外扩RAM设计电路图如图3-2所示。图3-2 外扩RAM设计电路图3.1.5 D/A转换电路设计系统中设置了两路D/A输出通道，用来在试验过程中检测相关的物理量，将需要观测的量如电压、电流、转速、磁链、转矩等DSP的计算结果转化成模拟量，用示波器观测结果，将使调试过程更加直接和感性。D/A转换器电路连接如图3-3所示。图3-3 D/A转换器电路连接图当5V电源电压工作时，TLC7528C的数字输入提供TTL兼容性。TLC7528C可以用5V至15V范围内的任何电源电压工作；但是5V以上输入逻辑电平不与TTL兼容。3.2步进电机驱动电路步进电机的驱动模块采用SGS-THMOSON Microelectronics所生产的双全桥步进电机专用驱动芯片L298N,经过总线驱动器的步进电机驱动信号后，经过光耦隔离接入L298N再接入步进电机控制信号端。步进电机驱动电路如图3-4所示。图3-4 步进电机驱动电路L298N内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑准备信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接通过电流来调节输出电压。3.3显示接口电路显示模块采用的是LCD12864液晶模块，具有显示当前步进电机运行状态，显示电机运行步数，以及当前速度标志。12864显示模块接口电路如图3-5所示。图3-5 12864显示模块电路用12864多行显示对当前步进电气运行状况时时进行监控，因为涉及多台步进电机，需要显示的数据较多，所以选择采用可以多行显示的12864液晶显示屏。3.4电源模块220V交流电经过整流，滤波，稳压，输出一路5V，一路12V稳定电压。如图3-6电源电路所示。图3-6 电源电路TPS767D318电源电路如图3-7所示。当采用双电源器件芯片设计系统时，需要考虑系统上电或掉电操作过程中内核和I/O供电的相对电压和上电次序。通常情况下，在芯片内部内核和外部I/O模块采用独立的供电结构，如果在上电或掉电过程中两个电压的供电起点和上升速度不同，就会在独立的结构（内核和外部I/O模块）之间产生电流，从而影响系统初始化状态，甚至影响器件的寿命，而且隔离模块之间的电流还会触发器件本身的闭锁保护，尽管TI公司的DSP上电过程中允许两种供电有一定的时间差。为了提高系统的稳定性和延长器件的使用寿命，在设计时必须考虑上电、掉电次序问题。对于DSP内核和外设供电次序控制可以采用多种方法，主要有两种方法：采用分离原件P通道MOSFET管和TI公司提供的电源分配开关。5V再用CW7805稳压芯片，电路简单，供给电源芯片TPS767D318。输出1.8V/3.3V电压。另外一路采用LM2596直流斩波，恒定输出12V电压提供给两台步进电机，图3-8为LM2596直流斩波电路。图3-7 TPS767D318电源电路图3-8 LM2596直流斩波电路4. 系统软件设计系统软件主要实现步进电机在运行时的调速、步数、运行顺序。在整个系统中用到了TMS320F2812芯片的主要资源有：通用定时器、GPIOA口、GPIOB口等。系统软件包括以下模块：主程序、键盘中断处理程序、液晶显示程序、电机运行程序。4.1主程序为了实现系统处理数据和控制的实时性，系统主要功能在中断程序中完成，主程序的功能是实现系统初始化、LCD显示系统启动信息和开启中断等功能。主控程序流程图如图4-1所示。系统初始化中，完成的任务：1.系统时钟配置为30MHZ；2.将GPIOA口设置为普通IO口，将GPIOB口设置为普通IO口，将GPIOD口设置为普通IO口；3.对初始值进行清零初始化；4.对LCD液晶显示屏进行初始化控制；5.开启系统总中断；图4-1 主控程序流程图4.2 键盘中断处理程序 图4-2 键盘中断处理程序流程图 键盘中断处理程序流程图如图4-2所示。键盘中断处理程序用来实现对键盘有键按下时键值的读取。键盘接口占用的是TMS320F2812的GPIOD口的资源，当有键按下时，定时器向CPU发出中断请求，CPU进