[硕士论文精品]基于dsp与usb的移动机器人运动控制系统研究与开发

山东大学硕士学位论文摘要移动机器人是机器人领域的一个重要的发展方向，越来越广泛地应用于工业、农业、军事、教育等人类社会的各个方面。移动机器人是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，运动控制系统是其非常重要的一环。基于DSP与USB的移动机器人运动控制系统的研究与开发对移动机器人向高速、高精度、开放化、智能化、网络化的方向发展，具有重要的理论意义与应用价值。本文首先讨论了移动机器人研究的发展、现状及趋势，详细介绍了运动控制器的类型及选择，并指出了本课题的主要研究内容。接着本文讨论了本移动机器人整体结构、平台组成以及其运动控制系统的设计方案，提出了以DSP数字信号处理器为核心、采用USB通用串行总线与PC机进行通信、在实时嵌入式操作系统I上COSII下进行软件编程的运动控制系统的设计方法。然后对本移动机器人运动控制系统各个模块的硬件电路设计进行了详细介绍，包括DSP芯片的特点及选型、电源电路、DSP最小系统电路、无线数据收发模块、USB通信模块、USB芯片及DSP之间的接口电路以及电机驱动模块等。在软件实现方面，讨论了实时嵌入式操作系统GCOSII在TMS320LF2407DSP上的移植，对移动机器人运动控制进行了任务分配，介绍了各任务的功能及具体实现，并对USB接口芯片AN2131QC单片机的固件设计及装载进行了介绍。本文还设计开发了一种移动机器人多超声波传感器环境探测系统，包括单路超声波传感器测距的硬件电路设计和程序设计、多超声波传感器的结构设计。关键词移动机器人；运动控制系统；DSP；USB山东大学硕士学位论文ABSTRACTTHEMOBILEROBOT，ANIMPORTANTBRANCHOFTHEFIELDOFROBOT，ISOFGREATINTERESTBECAUSEITSWIDEAPPLICATIONINVARIOUSFIELDS，SUCHASINDUSTRY,AGRICULTURE，MILITARYANDEDUCATIONTHEMOBILEROBOTISAKINDOFCOMPOSITIVESYSTEMTHATINTEGRATESENVIRONMENTPERCEPTION，DECISIONMAKINGANDMOTIONCONTR01THEMOTIONCONTROLSYSTEMISANIMPORTANTFACTOROFMOBILEROBOTSTHERESEARCHANDDEVELOPMENTOFMOBILEROBOTSMOTIONCONTROLSYSTEMBASEDONDSPANDUSBISOFGREATTHEORETICALSIGNIFICANCEANDAPPLICATIONVALUETOTHEDEVELOPMENTOFMOBILEROBOTSTOWARDSTHEWAYOFHIGHSPEED，HIGHPRECISION，INTELLIGENTANDNETWORKFIRSTLY，THEPAPERDISCUSSESTHEDEVELOPMENTSTATUSANDTRENDOFMOBILEROBOTSRESEARCH，ANDINTRODUCESTHETYPESANDTHESELECTIONOFMOTIONCONTROLLERSINDETAILANDTHEPAPERINTRODUCESTHEMAINCONTENTOFTHISPROJECTTHENTHEPAPERGIVESANINTRODUCTIONOFTHESTRUCTUREOFTHEMOBILEROBOT，ANDTHEENTIRETYDESIGNOFTHEMOBILEROBOTSCONTROLSYSTEMTHEDSPDIGITALSIGNALPROCESSORISSELECTEDASTHECOREOFTHEMOTIONCONTROLSYSTEMOFTHEMOBILEROBOT，ANDTHEMOTIONCONTROLSYSTEMADOPTUSBUNIVERSALSERIALBUSTOCOMMUNICATEWITHTHEPC，ANDTHESOFRWAREISDESIGNEDBASEDONTHEREALIZATIONOFREALTIMEOPERATIONSYSTEMLICOSIIINDSPAFTERTHATTHEPAPERGIVESADETAILEDDESIGNOFEACHPARTOFTHEHARDWARESYSTEMOFTHEMOTIONCONTROLSYSTEM，INCLUDINGTHECHARACTERISTICSANDSELECTIONOFDSP，THEPOWERCIRCUIT，THEMINIMUMSYSTEMOFDSP，THEWIRELESSDATARECEIVINGANDSENDING，USB，THECOMMUNICATIONBETWEENUSBCHIPANDDSP，ANDTHEMOTORDRIVER，ETCINTHEPARTOFTHEREALIZATIONOFSOFTWARESYSTEM，ITMAINLYCONCENTRATESONTHETRANSPLANTATIONOFRTOSILCOSIIINTMS320LF2407DSPASWELLASEACHTASKSFUNCTIONANDITSSPECIFICREALIZATIONINADDITION，THEDESIGNANDLOADINGOFFIRMWAREOFTHEUSBCHIPAN2131QCAREINTRODUCEDIII山东大学硕士学位论文THEPAPERALSOGIVESADETAILEDDESIGNOFTHEULTRASONICCIRCUMSTANCEEXPLORATIONSYSTEMOFTHEMOBILEROBOT，INCLUDINGTHEDESIGNOFTHEHARDWAREANDSOFTWAREOFTELEMETERBASEDONSINGLEULTRASONICSENSOR，ANDTHEDESIGNOFTHESTRUCTUREOFMULTIULTRASONICSENSORSKEYWORDSMOBILEROBOT；MOTIONCONTROLSYSTEM；DSP；USBIV原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名之副日期堕互于关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定论文作者签名爿生红导师签名日期山东大学硕士学位论文11引言第一章绪论机器人是现代科学技术发展的必然产物。国际标准化组织ISO对机器人的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务“【11。机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在年60代，就已经开始了关于移动机器人的研究【2】。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式、履带式、腿式，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射【3】。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。12移动机器人研究概况121国内外移动机器人发展对移动机器人的研究始于60年代末期。SRI斯坦福研究院的NILSNILSSEN和CHARLESROSEN等人，在1966年至1972年中研造出了取名SHAKEY的自主移动机器人【4，51。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、路径规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整，非结构化环境内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人，其中最著名是名为GENERALELECTRIEQUADRUPEDL拘步行器人【6】。70年代末，随着计算机的应用和传感山东大学硕士学位论文技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。美国国防部DARPA的支持下，由卡内基梅隆大学、斯坦福大学和麻省理工学院等单位开展的ALV陆地自主车辆研究【7】；能源部制定的为期10年的机器人和智能系统计划，以及后来的空间机器人计划【8】；日本通产省的极限环境下作业机器人计划和人形机器人计划【9】；欧洲尤里卡中心的机器人计划【LO】等。除此之外，一大批世界著名的公司不惜投入重金，纷纷开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。移动机器人向实用化、系列化、智能化进军。涌现出许许多多智能移动机器人。如卡内基梅隆大学的NAVLAB系列移动机器人系统【11】德VAMORSP和CARAVELLE系统【121；日本本田公司的P系列和ASIMO人型机器人【13，1Q；日本索尼的SDR3X人型机器人和AIBO娱乐型机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果【61。我国在自主式移动机器人方面的研究工作起步较晚，大多数研究尚处于单项研究阶段。1986年，国家“八六三”计划自动化领域智能机器人主题确定立项，开始从事智能机器人的研制。几乎同时国防科工委也自“八五”起，投资支持AGVAUTOMATICGUIDEDVEHICLE方面的研究工作。目前，在单体平台的总体技术水平与性能上，己接近或部分超越国际领先水平。然而与西方发达国家相比，无论是研究规模、投资强度、技术水平，还是成果应用程度与效益等方面，尚存在明显差距【”】。122移动机器人研究发展趋势现在，移动机器人正在向更智能，更实用的方向发展，对移动机器人及其关键技术研究的趋势包括现场与服务机器人继续开拓新的应用领域，研制新的机型，进行更多、更复杂、更符合实际的现场试验，积累更多的经验，吸取更多的教训，为实用化奠定坚实的基础【16】。高完整性机器人机器人工作时，不仅要与周围的设备共同工作，而2山东大学硕士学位论文且要与人一同工作，所以研制高完整性的机器人，有可能使其早日实用化【171。多移动机器人系统多移动机器人系统的研究和实现已经成为机器入学的研究热点，这也是移动机器人发展的必然趋势【181。主动环境目前制造一个完全自主的机器人是很困难的。就象人一样，需要帮助，需要借助外界的力量来完成自己的使命。因此，提出主动环境的概念，即环境能为机器人提供所需的信息。所以，研究移动机器人与环境之间的有机结合，将会使其早日走向实用【L91。人与机器人融合充分发挥人的智能，发展监控技术和良好的人机交互技术，甚至人机融入一体，是移动机器人走向实用的又一个途径【201。智能技术应用于移动机器人研究的各个方面，涉及传统人工智能和新的人工智能。目前还没有一个理论可以用来完全指导研究智能的实现技术。今后的发展，除了继续寻找新的智能技术之外，主要是各种技术的综合运用，相互补充。移动机器人要走向人类的日常生活，必须综合运用智能技术。包夸括智能运动控制技术、智能规划技术、智能行为技术以及它们的学习机制。这是机器人学中的关键基础研究【21，221。13运动控制系统的类型及选择运动控制技术是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，是移动J机器人研究极其重要的一部分。作为现代化设备的核心控制部件，开放性、可靠性是衡量其是否能够在工业界立足的关键。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标【231。根据运动控制器的核心技术方案，运动控制器主要可分为基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编程控制器型、基于通用计算机型、基于专用集成电路ASIC型、基于可编程逻辑器件型和基于数字信号处理器DSP型等。微控制器MCU，即单片计算机将CPU、RAM、ROM或EPROM、IO等集成在一块芯片上，具有集成度高、速度快、功耗低、抗干扰能力强、重量轻、体积小、功能强、价格低等诸多优点。但由于其处理速度和能力有限，难以实现先进控制算法和满足运算量较大的实时信号处理的需要，不适用于高精度、高速度控制场合，只能应用在低速点位控制和对轨迹要求不高的运山东大学硕士学位论文动控制场合【241。可编程逻辑控制器PLC是以微处理器为基础，在硬件接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。这种控制方式具有体积小、可靠性高、成本较低、通用性强、开发周期短、安装维护简便、在工业现场抗干扰能力强等优点。但PLC是以循环扫描方式工作，由于受至UPLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，被控制电机不能在高频下工作，转速较慢，且不能实现复杂的运动关系，故一般只应用在点位控制和单轴运动控制等场合【251。通用计算机作为运动控制器，利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，并且控制软件的修改也很方便。但由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法；同时，系统体积过大，难以应用于工业现场。因此，这种实现方法一般用作上位机，与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统【23】O专用运动控制芯片具有系统使用元件少、集成度高、可靠性好等优点，同时又保持了模拟控制系统的快速响应能力。专用运动控制芯片价格便宜，使系统成本较低。但由于受专用运动控制芯片本身的限制，这种方法也有一些缺点为了保证较高的系统响应速度而将软件算法固化在芯片内部，降低了系统的灵活性，不具有扩展能力；受芯片制作工艺的限制，现有的芯片很难实现复杂的控制算法和功能；用户不能对芯片进行编程，很难实现系统的升级；由于芯片本身算法的限制，系统的控制精度较低，难以实现高性能、高精度的应用场合【261。使用可编程器件来实现运动控制的优点有系统主要功能都可以在一片可编程器件中实现，从而减少了所需的元器件个数；由于可编程器件具有系统可编程的特性，因而具有良好的扩展性和可维护性，因此只需要修改软件就可以实现系统的升级；系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理，容易开发，通用性强。但是由于使用可编程逻辑器件实现的控制算法越复杂，器件内部需要的晶体管门数就越多，成本就越高，因此一般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成较简单的运动控制系统。数字信号处理器，除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作，在处理器结构、4山东大学硕士学位论文指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进。数字信号处理器的长足进步，为以低成本实现高性能运算提供了可能。特别是在运动控制领域，大量的精密运算能够在短时间内完成，从而使高性能、小型化的运动控制器的设计成为现实【131。采用数字信号处理器作为运动控制器核心具有以下的优点由于DSP高速的运算能力，所以能实时实现许多先进的复杂控制算法，如自适应和最优多变量控制、重复控制、学习算法、神经网络、遗传算法、模糊逻辑控制和其它控制方法；运动控制系统通常用PWM技术控制开关功率整流器，而通过DSP来实现产生PWM和电子换向可以去掉DA转换器，因而与电流驱动的双极功率晶体管相比，减少了元件数目以及功耗和驱动系统的体积，这种方法提高了供给电压的利用率，同时降低了电动机电流中的谐波分量；运动控制系统中故障诊断和处理一直是处理器的重要任务之一，而DSPO邕够方便地实现实时监控，而且DSP还可以实现其他功能，如与上位机的通信、现场总线等27281。所以，本课题我们设计了基于数字信号处理器的移动机器人运动控制器。14课题研究的主要内容141本课题完成的主要工作在本课题中，在履带式移动机器人平台上，研究开发了基于数字信号处理器TMS320LF2407及具有USB通信功能的单片机AN2131QCD的移动机器人运动控制系统。主要研究内容有1移动机器人控制系统总体结构与运动控制系统硬件设计。2实时嵌入式操作系统I_LCOSII在TMS320LF2407上的移植及控制任务程序设计。3嵌入式PC与运动控制器之间USB通信的硬件及软件设计。4移动机器人多超声波传感器环境信息采集系统设计。5山东大学硕士学位论文142论文的章节安排本论文共分为六章，各章节的安排如下第一章绪论阐明课题的研究背景；综述了移动机器人发展过程、现状及趋势介绍了本论文的主要研究内容及论文的组织结构。第二章移动机器人体系结构分析介绍了移动机器人及其控制系统总体结构。第三章移动机器人运动控制系统硬件设计介绍了以2407DSP为核心的下位机运动控制电路的硬件设计。第四章移动机器人运动控制系统程序设计介绍了PCOSII工作原理以及如何在TMS320LF2407上移植，以及各任务程序的设计；介绍了负责上下位机之间USB通信的EZUSBAN2131单片机程序设计。第五章超声波环境信息采集系统设计介绍了超声波环境信息探测系统的硬件设计及程序设计。第六章总结和展望对论文的所做的工作进行了总结并对今后的工作做出了展望。6山东大学硕士学位论文第二章移动机器人平台体系结构分析机器人诞生以来，特别是工业机器人所采用的控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构而开发的，采用专用的计算机、专用的机器人语言、专用的操作系统、专用的微处理器【291。这种专用的系统很难集成外部的硬件和软件，对这种封闭式系统进行改造，基本是不可能的。随着科学技术的不断发展，现代化工业生产和机器人研究对机器人控制器开放性的要求越来越迫切。实际应用要求工业机器人具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种小批量的生产，为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人控制器具有开放机构和集成各种外部传感器的能力。本文设计了一种基于DSP和USB总线的开放式移动机器人控制系统。该机器人采用两级控制结构。以嵌入式PC作为上位计算机，完成功能选择、超声数据处理、轨迹生成等功能；以TI公司的TMS320LF2407数据信号处理器DSP为核心构造了机器人的运动控制器，其上包括了电机控制、超声环境信息采集、无线数据收发、USB总线控制器等模块。由于USB总线的即插即用特性及拓扑结构，使得该系统可以脱离PC工作，并且可以很方便的扩展视频、GPS等模块，体现了该系统的开放性。该系统充分应用了DSP运算的高速性和USB总线的高速及热插拔的特性，提高了系统的实时性和稳定性。操作者还可以采用遥控器或遥控PC，通过无线通信控制移动机器人。本履带式移动机器人平台是一种开放式平台，由机械本体、上位计算机控制系统、下位机驱动控制系统组成。其总体结构如图21所示。本移动机器人系统实物如图22所示。山东大学硕士学位论文移动机器人遥控设备图21移动机器人平台基本构成框图21移动机器人机械本体图22移动机器人实物图移动机器人机械结构主要由车体和电机等组成，这是整个移动机器人的基础部分。211车体我们设计的移动机器人车体类似坦克车体，采用钢板做车体的材料。整个车体为长方体形，高14CM，长40CM，宽30CM，重心低、行走平稳。本移动机器人是履带式的，履带和车轮分别采用机械工业上常用的同步带和同步轮。主动轮直接和电机相连，为车体提供动力。车体的两侧各有一套履带和车轮，两个主动轮分别由各自的电动机驱动，当两个电动机旋转同是正方向，并且速度相同时，车体向前运动；当两个电动机旋转同是反方向，山东大学硕士学位论文并且速度相同，车体向后运动；当两个电动机旋转方向相反时，车体会在原地转圈；当两个电动机旋转相同，而速度不同时，车体就朝旋转速度慢的那一侧的方向转弯。可以看出这种机械结构使得运动控制方法变的非常简单。212电机本实验平台移动机器人的电动机采用的是步进电机，与直流伺服电机相比，虽然在转速、转矩等性能上稍差一些，但价格相对便宜，控制方便，作为实验性机器人的行走机构，选择步进电机能够满足基本要求。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。现在使用的大多数为反应式、永磁式或混合式，在永磁式步迸电机中，它的转子是用永久磁钢做成的，也有通过滑环供电的直流激磁绕组制成；在反应式步进电机中，其转子由软磁材料制成齿状，转子的齿也称显极，转子中没有绕组。虽然步进电机的结构类型不同，但外部特性和控制方式是类似的。步进电机相数有二相、三相、四相、五相等。这里我们采用的步进电机是四通公司生产的56BYG250D型两相混合式步进电机。56BYG250D型电机结构设计紧凑，体积小，单位体积出力高。采用优质冷轧高矽片，优化磁路设计，磁损耗低，温升低。电机寿命长，不受电机堵转影响。技术数据如表21所示表2156BYG250D型步进电机技术数据空载启动静态相电相电保持定位转动惯相步距角频率重量型号相电阻感转矩转矩量数度半步方KG流AQMHNMHIMGEM2式翻Z56BYG250D2O918241554172O0730L460注表中电机空载启动频率的测试条件驱动电压为48VDC22移动机器人运动控制系统运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的移动机器人运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机和传感器反馈检测装置等部分组成【30，311。其中的运动控制器是指以中央逻辑9山东大学硕士学位论文控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。参照国内外已有的移动机器人，我们设计的移动机器人控制系统由上位计算机PC、以DSP为核心的运动控制器以及电机驱动器组成。控制系统的整体结构如图所示。图25移动机器人控制系统原理图该机器人系统采用模块化的设计思路，整个系统以计算机为硬件平台。计算机作为上位机，主要任务是将超声波等环境感知系统收集的数据进行融合，完成数据处理、轨迹规划、人机界面等功能，下位机运动控制器选择DSP为核心处理器，扩展了超声波环境信息采集模块、无线数据收发模块等。并在DSP中移植了实时嵌入式操作系统TTCOSII，很好的分配了系统资源，完成超声环境探测信息采集、无线控制命令信号接收、步进电机驱动器控制等各项任务，满足整个机器人系统的稳定性和实时性要求。计算机与运动控制器之间采用USB总线或无线数据收发进行通信，USB控制器和DSP之间采用双口RAM通信，保证了系统的实时性。10山东大学硕士学位论文第三章移动机器人运动控制系统硬件设计运动控制器作为移动机器人底层系统，直接影响了机器人的运动性能，所以运动控制器的合理设计对于机器人的运动性能起着至关重要的作用。一般来说，机器人下位机系统包含控制器和驱动器两部分，我们设计的控制器是包括以2407DSP为核心的主电路模块、超声波模块、无线数据收发模块、USB通信模块等，其中超声波模块将在第5章中详细介绍。以下将分别就各部分的设计做详细的说明。31数字信号处理器的特点及选型311数字信号处理器的特点数字信号处理器DSP是一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器，它除具备普通微处理器的高速运算速度和高性能控制功能外，针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作，在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进。DSP芯片一般具有如下特点在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据空间。片内有快速RAM，可通过独立的数据总线在两块中同时访问。具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。快速的中断处理和硬件IO支持。具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。可以并行执行多个操作。支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以并行执行【321。由于DSP的高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能都得以实现，且DSP将实时处理能力和控制的外设功能集于一身，基于DSP构成的运动控制器是一个单片系统，大幅度减少了外部元器件的数量，增加了系统的可靠性；同时，由于各种性能通过软件编程来实现，系统开放性、扩展性、维护性都很好。山东大学硕士学位论文312数字信号处理器选型从该研究课题的实际需要出发，在选择DSP芯片的时候，主要是按照如下的几条原则进行选择。1选择大公司的主流芯片。2DSP芯片内集成的控制器外设模块越多越好。3DSP的时钟频率要选择得当【331。目前，国内外占主流市场的DSP芯片主要是TI德州仪器1公司、ADI模拟器件公司和MOTOROLA等公司的产品。而TI是DSP芯片的领导者，占全球DSP芯片市场的约50，TI可以提供超过200种的DSP芯片，并还在不遗余力的发展新的DSP。TI在DSP的开发方面，也投入较大的力量，为客户提供优秀、先进和方便的开发工具。同时，TI在全球有许多THIRDPARTY公司帮助T1支持客户的开发，提供方便廉价的开发工具，并提供多种硬件和软件的方案。TI公司的产品形成了几个非常有特色的系列，大致可以分为2000系列，5000系列和6000系列，每一个系列适用于不同的场合。2000系列的DSP的主要特点是内部集成了很多电机控制所需的外设模块，同时还集成了一定容量的FLASH闪烁存储器和随机存储器RAM，时钟频率也不是特别高，所以该系列的DSPJE常适合应用在运动控制的场合。而5000系列和6000系列的DSP主要用在实时性要求非常苛刻的数字信号处理场合，如应用在多媒体或手机通信场合。所以，我们选择了TI公司2000系列中的TMS320LF2407。TMS320LF2407型号的DSP主要具有如下的特点1高性能、静态CMOS工艺技术，使得供电电压降到33V，减小了控制器的功耗。2执行速度提高到40MIPS，从而提高了实时控制能力。3片内集成了高达32K字的FLASH，15K字的数据程序RAM，544字的双口RAMDARAM和2K字的单口RAMSARAM。42个事件管理器模块EVA和EVB。每个事件管理器有两个16位通用定时器，8个16位PWM脉宽调制通道，一对正交编码脉冲电路QEP接口。5可扩展192K字的外部存储器。包括64K字数据存储空间、64K字程序存储空间和64K字的I0寻址空间。12山东大学硕士学位论文6，一个CAN模块、SCI模块、一个16位串行外设SPI接口和16通道的可编程10位ADC、40个通用IO和5个外部中断【3234,351。由于TMS320LF2407具有的这些特点，且这款DSP是TI公司的主流芯片，技术成熟，性能稳定。所以TMS320LF2407完全满足这个移动机器人运动控制系统的要求。32以TMS320LF2407为核心的主电路模块设计这一部分电路包括电源电路、TMS320LF2407的最小系统、JTAG电路、SCI电路、外部RAM扩展电路等。321电源电路设计在我们设计的电路中，需要33V和5V两种电压等级，而给整个系统供电的是移动机器人上的12V蓄电池。在这里，我们选择了三端稳压器件7805提供5V电源以及低压差电压调节器AMSLLL733提供33V电源。电源电路原理图如图31所示。78XX79XX系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DCDC转换器，简单易用，价格低廉。三端稳压器件7805主要用来提供5V的稳压电源并实现过压保护、过流保护、过热保护；它的性能很稳定；能够实现1A以上的输出电流；器件具有良好的温度系数；最高输入电压可达35V，因此产品的应用范围很广泛；可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题；78XX79XX系列三端稳压器件输出电压误差精度分别为士3和5。LLL7是一个低压差电压调节器系列。其压差在12V输出，负载电流为800MA时为12V；它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现125“138V输出电压范围；另外还有5个固定电压输出18V、25V、285V、33V和5V的型号。1117提供电流限制和热保护；电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在士1以内。AMSLLL733可提供33V的稳压电源；使用节省空间的SOT223封装；输出电流可达800MA；线性调整率02MAX；负载调整率04MAX；温度范围O125。山东大学硕士学位论文C13LOOLLF，50V图3一L电源电路原理图在整个电路中有33V和5V两种电源电压混用，所以在电路设计中还涉及到电平转换的问题。在设计33V和5V的逻辑器件之间的接口时应考虑以下5种情况1相同供电电压的TTL器件驱动CMOS器件时，TTL器件的输出高电平可能达不到CMOS器件的输入高电平的最小值。33VTTL器件的VOH是24V，33VCMOS器件的VIH是08VCC33X08264V；5VTTL器件的VOH是24V，5VCMOS器件的VIH是O7VCC35V。为了可靠地传输数据，可以将TTL器件的输出端上拉。有些CMOS工艺制造的器件兼容TTL电平，这样就可以与相同供电电压的TTL器件直接接口，不需要上拉。2相同供电电压的CMOS器件驱动TTL器件，电平匹配，数据能可靠地传输。3不同供电电压的TTL器件驱动CMOS器件时，TTL器件的输出高电平也可能达不到CMOS器件的输入高电平的最小值。33VTTL器件的VOH是24V，5VCMOS器件的VIH是O7VCC35V，电平不匹配；5VTLL器件的VOH是24V，33VCMOS器件的VIH是O8VCC264V，可以将5VTTL器件的输出端上拉，达到电平匹配的目的。4不同供电电压的CMOS器件驱动TTL器件时，在输入端具有5V容限14山东大学硕士学位论文的情况下，电平匹配，数据能可靠地传输。5不同供电电压TTL器件在输入端具有5V容限的情况下可以直接接口；不同供电电压的CMOS器件由于电平不匹配不能直接接口【321。在我们设计的电路中，选择收发器74LVC245来将5V输入转换成33V输出，来实现5V器件驱动33V器件。在33V器件驱动5VCMOS器件时，选用高速达林顿管阵列ULN2003，使33V信号变成5V信号。322TMS320LF2407的最小系统电路设计TMS320LF2407使用33V电源供电，FLASH编程电压为5V。在这个电路中由AMSLLL733提供33V电源，由7805提供5V电源。TMS320LF2407内部带有复位电路，因此可以直接在RS复位引脚外面连接一个上拉电阻即可，这对于简化外围电路、减少电路板尺寸是很有用处的。但是为了调试方便，我采用了如图中所示的手动复位电路，当调试的时候可以很方便的进行手动复位。如图32所示。图32复位电路原理图TMS320LF2407运行速度可达40MIPS，由于2407内部有锁相环电路，可以从一个较低的外部时钟通过锁相环倍频电路实现内部倍频，这对于整个电路板的电磁兼容性是很有好处的，所以外部晶振选择10MHZ就可以了。晶振及PLL锁相环电路如图33所示。这里我们选用了10MHZ的有源晶振，这样可以减少电路板上的噪声，避免外部电路干扰时钟，同时也避免了高频时钟干扰电路板上其他电路。TMS320LF2407的PLL锁相环电路使用外部滤波器电路回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件为R4、C17和C14，电容C17和C14必须是无极性的。滤波器电路回路连接到DSP芯片的PLLF和PLLF2引脚上。由于这里选用10MHZ的外部振荡器，所以根山东大学硕士学位论文据TMS320LF2407的芯片资料，R4、C17和C14的值分别选为1LQ，068肛F，00159F271。X1VCCNCVCCVSSCLKJROSCILLL卜铲图33晶振及PLL锁相环电路原理图另外TMS320LF2407的几个关键引脚需要特殊处理。PLLVCCA需要加33V电平；BOOTENXF要加10K的上拉电阻；CLOCKOUT扩展出来以供测试用；MPMC需要使用一个跳线，用来选择这个引脚接高电平还是低电平；VCCP也需要使用跳线，选择接5V还是地；READYENA144VISOE需要加47K的上拉电阻，PDPINTAPDPINTBXINTLXINT2也需要加10K的上拉电阻。TMS320LF2407电路的调试、升级以及FLASH烧写是通过JTAG电路，在我们设计时，留出了JTAG调试接口。JTAG电路如图34所示。VCC47K图34JTAG电路原理图323SCI异步串行通信电路设计TMS320LF2407的串行通信接口SCI模块是一个标准的通用异步串行口UAI玎，可以和RS232格式的设备接口。SCL支持DSP与其他异步串口采用标准不归零NRZ模式进行异步串行数字通信。具体功能如下1半双工或全双工操作；16山东大学硕士学位论文2可设定18个数据位，L或2个停止位；3接受器和发送器双级缓冲；4通过波特率选择寄存器可选择64K种不同的波特率；5对接收的数据进行间断检测、奇偶性、超时和桢错误检查；6有空闲线和地址位两种多处理器通信方式【271。由于TMS320LF2407的高电平为33V，所以在这里，我们选用了MAX3232芯片。MAX3232是高电平为3OV到55V，低功耗，最高波特率达1MBPS的RS232转换器。电路原理图如图35所示。324存储器扩展图35SCI串行通信接口原理图尽管TMS320LF2407片内拥有32K字的FLASH，15K字的数据程序RAM，544字的双口RAMDARAM和2K字的单口RAMSARAM，但为了系统的调试方便，通常进行片外存储器的扩展。TMS320LF2407的时钟周期为25NS，因此，外部存储器的存取时间必须和TMS320LF2407相匹配。这里我们选用了IS61LV6416，它是33V供电64K字高速CMOS静态RAM。其特点如下1高速的访问周期8、10、12以及15NS；2CMOS低功耗操作工作时250MW，不工作时250“W；3与TTL电平兼容；4单独33V供电；17山东大学硕士学位论文5全静态工作不需要外部时钟；6三态输出；7数据高低字节控制；8可在工业温度环境下工作。TMS320LF2407采用16位的地址线和16位的数据线，不需要数据的高低字节分时操作，所以将IS61LV6416的UB及LB引脚接地即可。其片选信号CE由DSP的DS及PS共同得到，所以，这64K字的片外RAM即可作为程序存储器，又可作为数据存储器。硬件连接如图36所示，其中RAMCEDSPSA15。D776RAMCED68I00CE、D59IOLD4LO1，02VCC11IVCCD313I0312LID214IC14GNDD115I05一17DWEDO16I06、忱D829I0719930I08VCC33IVCCD1031脚34D1132IOLO；NDD1235L，U39D1336IO2LBD14373D1538IO4UB40IO54LD妨A844OE。A943A0ALO42AL。A727A2A626A3，U8C。A525A4沁A424A5_A321A6L蛄A220A72274LS00AL19A8NC23A018A9NCA155A10NC28U8AA144ALLDSLI广、A133A12PS2一KA122J一1A474LS00。ALLI1，I面12掣L、ALS13HP些巡图36DSP外部RAM扩展电路原理图33无线数据收发模块设计我们研究开发的移动机器人控制系统还包含了无线数据收发模块，可以在脱离上位机的情况下与手持遥控器或遥控PC机组合成一个遥控式移动机器人，并将移动机器人自身的状态及采集到的信息以无线的方式发送到遥控PC山东大学硕士学位论文机等。331无线数据收发模块这里我们选用了STR5型无线数据收发模块。STR系列无线数据收发模块采用挪威NORDICVLSIASA公司研制开发的无线通信核心技术，其优点如下1通信速率高最高可达20KBPS，并可根据用户要求在1200BPS，2400BPS，4800BPS，9600BPS可以任意选订；2模块采用低功率发射，高灵敏度接收方案，功耗极低；3工作电压低，十分有利于电池供电；4与单片机串口连接，程序编写十分简单；5通信数据不需要进行曼切斯特编码，程序简洁，通信效率高；6使用频率为ISM工业、科学、医疗频段，不需要申请频率使用许可证；7采用特殊的结构及布板设计，抗干扰能力强，接受误码率低；8体积小，安装方便，极容易内置于系统之中；9选用优质精密器件，严格调试，批量产品性能参数十分统一【36】；STR5型无线数据收发模块采用NORDIC公司的RFNR401芯片和ATMEL公司微功率单片机，内置具有高抗干扰性能的军用纠错信道编码技术，其性能参数见表31。表31STR5性能参数序号技术指标技术参数备注1调制方式FSK2工作频率43392MHZ3信道数L4功能双向发射接收半双工5稳频方式PLL6电源33525VDCTTL接口7发射功率10DBM8接收灵敏度105DBM9工作电压352V19山东大学硕士学位论文10接口速率1200BPS4800BPS11用户接口方式TTLRS232RS485接口可选12发射电流I，TCOSII采用抢占式内核，不支持时间片轮选法，它是一个基于优先级的实时操作系统。每一个任务都必须由程序设计者赋予一个明确的与其他任务不同的优先级。进入就绪态的优先级最高的任务首先获得CPU的使用权，等它交出CPU后，其他任务才可以调度执行。因此，各个任务优先级的分配就显山东大学硕士学位论文得尤为重要【461。42UCOSII在TMS320LF2407上的移植I工COSII的大部分代码是由C语言写的，且其在设计时就已经充分考虑了可移植性，所以PCOSII的移植相对来说是比较容易的。要使PCOSII正常运行，处理器必须满足以下要求1处理器的C编译器能产生可重入代码。2用C语言就可以打开和关闭中断。3处理器支持中断，并且能产生定时中断通常在10至100HZ之间。4处理器支持能够容纳一定量数据可能是几千字节的硬件堆栈。5处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指企【47】VOTMS320LF2407及其编译器CCS2CODECOMPOSERSTUDIO满足PCOSII运行的条件。I上COSII操作系统的组成文件分为三类，一类是与处理器无关的代码文件，另一类是处理器有关的代码文件以及ITCOSII与应用相关的设置文件。移植所需要做的工作仅仅是修改部分与处理器有关的文件。这类文件包括OSCPUH，OSCPUAASM，OSCPUCC等三个文件【461。TMS320LF2407芯片本身的堆栈只有8级，从AR0到AR7。而其C编译器将内部寄存器AR0、ARL保留，ARL作为堆栈指针SP，AR0被作为堆栈中的临时变量指针FP。CCS编译软件里，中断要调用TI库函数ISAVE保存所有寄存器，各寄存器压入堆栈的先后顺序为空字、STI、ST0、ACCH、ACCL、PREGH、PREGL、TREG、ARO、AR2、AR3、AR4、AR5、AR6、AR7、TOS、6个硬件堆栈，共22个。返回时“跳转”至UIREST函数，恢复这些寄存器的值，顺序与ISAVE相反。这里用“跳转”而不是调用，是因为IREST执行完后不一定能返回到开始执行时的地址【481。421移植OSCPUCC文件PCOSII的移植需要用户编写OSCPUCC中的六个函数OSTASKSTKINIT；OSTASKCREATEHOOK；OSTASKDELHOOK；OSTASKSWHOOK；山东大学硕士学位论文OSTASKSTATH00K；OSTIMETICKHOOK。实际需要编写的只有OSTASKSTKINIT函数，其他五个函数需要声明，但不一定有实际内容。OSTASKSTKINIT0该函数是任务堆栈初始化函数，在我们使OSTASKCREAT函数创建任务的时候被调用。TMS320LF2407的堆栈是从低地址往高地址递增的。该函数首先获取该任务栈的栈项地址。然后对该地址进行递增并赋初值。从栈顶地址开始的前两个地址分别装载栈顶地址，数据区地址，第三个地址保留。后面依次为STL、ST0、ACCH、ACCL、PREGH、PREGL、TREG、AR0、AR2、AR3、AR4、AR5、AR6、AR7、TOS寄存器值，TOS装载的是中断的返回地址或任务起始地址，后面再保留6个硬件堆栈地址。该函数返回堆栈指针值，即最尾的地址。如程序41所示。程序41VOIDOSTASKSTKINITVOIDTASKVOID木PD，VOID宰PDATA，VOID幸PTOS，INTL6UOPTINTL6USTK；OPTOPT；STKINT16U木PTOS；STKINT16UPDATA；STK；事STKINTL6U0X2000；STKINTL6U0X2200；STKINTL6U0X0000；STKINTL6UOX0000；事STKINT16U0X0000；奉STKINTL6U0X0000；宰STKINTL6U0X0000；奉防止编译时警告奉宰加载堆栈地址母压栈数据区地址奉严保留一个字，任务汇编代码将返回地址弹出到这里拳STL2000HARBARL辜ST02200HARPARL不使能中断，DP0严ACCH0幸木ACCL0掌净PREGHQ|PREGL0|T0|37山东大学硕士学位论文PTOSSTK；宰STKINT16U0X0000；奉STKINTL6U0X0000；幸STKINTL6U0X0000；木STKINTL6U0X0000；乖STKINTL6U0X0000；宰STKINTL6U0X0000；宰STKINTL6U0X0000；木STKINTL6UTASK；宰STKINTL6UTASK；乖STKINTL6UTASK；木STKINTL6UTASK；牛STKINTL6UTA