DSP六自由度机械手

1、 北京信息科技大学毕业设计（论文） 题 目： 关节机器人DSP运动控制器设计 学 院： 自动化学院 专 业： 智能科学与技术 学生姓名： *班级/学号 智能0802 指导老师/督导老师： * 起止时间：2012 年 2月20 日至2012 年 6月15日摘 要摘 要随着电子控制技术的发展，机器人控制技术也不断的推陈出新，作为机器人控制技术的集中体现，机器人运动控制器就显得尤为重要，它从一定程度上影响着机器人的发展，如何实现机器人有效控制，使其具有更好的控制精度和实时性，已成为近年来研究的热门领域。对于机器人的控制主要体现在对机器人的关节即舵机的控制上，所以，关节机器人可以作为一个很好的研究对象

2、。本文首先对关节机器人以及机器人控制器进行概述，接着进一步对机器人运动学进行了一定分析，通过关节机器人控制器开发平台重点研究了关节机器人控制器的控制电路硬件设计。通过EDA工具软件的仿真和设计，最终制成一块能够控制和驱动1.3V-7V之间的所有舵机的基于TMS320F2812的机器人控制器硬件电路。在DSP开发工具CCS下编写代码使该控制器系统不仅可以实现对关节机器人关节的运动控制，同样该系统可以进行一些简单的二次开发，具有一定的实用价值。关键词:关节机器人；机器人控制器；TMS320F2812； EDA；CCS；AbstractAbstractWith the development of

3、the electronic control technology, robot control technology is frequently implemented. As the embodiment of the robot control technology, the motion controller is particularly important. It influences the development of the robot to some extent. How to realize the effective control of the robot and

4、make it possesses better control precision and real-time have become a hot research topic in recent years. The control of the robot is mainly reflected in the joint of the robot, that is, the steering gear. Therefore, the articulated robot can be a very good object for research.This paper first summ

5、arizes the articulated robot and robotic controller, and then analyzes the robot kinematics. We put emphasis on the hardware design of the controller for the articulated robot through the development platform of the articulated robot controller. Through the simulation and design of the EDA tool soft

6、ware, we make a hardware circuit that can control all the steering gear between 1.3 V to 7 V, based on TMS320F2812 controller hardware circuit finally. Writing code under CCS, the DSP development tool, makes the controller system can not only realize motion control on the joint of robot, but also ca

7、n carry on some simple secondary development, which proves certain practical value.Key words: Joint robot; Robotic controller; TMS320F2812;EDA;CCS;目 录目录摘 要Abstract第一章 绪论11.1关节机器人概述11.1.1关节机器人特点11.1.2关节机器人发展及应用前景11.2机器人控制器概述21.2.1机器人控制器类型21.2.2机器人控制器展望21.3本文研究内容及结构3第二章 关节机器人运动学分析42.1关节型机器人运动学和动力学概述42

8、.2机器人正运动学方程的D-H表示法42.3机器人的逆运动学解72.4本章小结11第三章 关节机器人控制器开发平台123.1 Protel99SE123.2 Multisim123.3 TMS320F2812133.3.1 DSP芯片的基本工作原理133.3.2 DSP芯片的总体结构和总线结构13第四章 DSP运动控制器系统设计154.1 电源电路154.2 复位电路194.3 JTAG204.4 串口224.5 舵机驱动电路234.5.1 舵机工作、控制原理234.5.2 舵机驱动电路设计244.6 控制器系统电路板设计需注意问题254.6.1 关于各个库的问题264.6.2 关于数字地与模

9、拟地的隔离问题264.6.3 有关干扰问题274.6.4 有关滤波电容的问题284.7 控制器系统硬件电路28第五章 软件设计305.1 DSP开发软件介绍305.2 PWM波形产生原理305.3 程序流程设计33结束语36参考文献37I关节机器人DSP运动控制器设计第一章 绪论在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，

10、推动企业和社会生产力发展的有效手段。机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。 工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的

11、时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。1.1关节机器人概述1.1.1关节机器人特点关节型机器人也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中应用最广泛的一种工业机器人。随着工业技术的发展，关节型机器人已经集成机械、计算机、电子、传感器、人工神经网络、控制和系统工程等多学科先进技术，逐渐成为现代制造业重要的自动化装备。关节型机器人适用于诸多工业领域的机械自动化作业，比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。关节型机器人技术发展是很快的，在20世纪60年代毫无疑问还是一种独特的

12、设备，现在关节型机器人己经和计算机辅助设计(CAD)系统、计算机辅助制造(CAM)系统结合在一起应用，成为现代制造业必备的一种自动化工具。关节型机器人有三个主要的特征：机电一体化、适应性和通用性。机电一体化是说关节型机器人具有机电一体化特点，因此集成了多学科的技术。尤其是第三代智能关节型机器人，不仅能够通过传感器获取外部环境信息，还具有人工智能的特点。关节型机器人的适应性是指在机器人执行任务的过程中不管环境如何变化，机器人都能够自动完成指定的任务，即要求机器人具有人工感知的能力。通用性是指关节型机器人能够执行各种不同能力的功能并且能够完成各种各样的简单的任务。因此通用性意味着机器人具有可变的几

13、何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构；或者说，在机械结构上允许机器人执行不同的任务或者以不同的方式完成同一工作。1.1.2关节机器人发展及应用前景现代机器人出现于20世纪中期，当时数字计算机己经出现，电子技术也有了长足的发展，在产业领域出现了受计算机控制的可编程的数控机床，与机器人相关的控制技术和零部件的加工业有了扎实的基础。另外，人类需要开发自动机械，替代人去从事一些恶劣环境下的作业。正是在这一背景下，机器人技术的研究与应用得到了快速发展。我国的机器人技术起步较晚，在“七五”计划中才把机器人列为国家重点科研规划内容，在863计划的支持下，机器人基础理论、基础元器件研究才全面展开。我国

14、第一个机器人研究示范工程1986年在沈阳建立。截至2007年底，已有130多台喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线获得规模应用。近几年我国在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制达到了国际前沿领域，缩小了与世界先进水平的差距。现代科学及机器人技术的发展，使机器人在各行业中广泛地应用。随着机器人技术的推广，机器人的种类越来越多，对机器人的要求越来越高，用于一些特殊场合(如放射性、高温、有毒、深水、高空等)的关节型机器人受到人们的青睐。1.2机器人控制器概述1.2.1机器人控制器类型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

15、脏, 决定了机器人性能的优劣。从机器人控制算法的处理方式来看, 可分为串行、 并行两种结构类型。1. 串行处理结构所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。 2. 并行处理结构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。关于机器人控制器并行处理技术, 人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现。 1982 年J.Y.S.Luh 首次提出机器人动力学并行处理问题, 这是因为关节型机器人的动力学方程是一组非线性强耦合的二阶微分方程, 计算十分复杂。 提高机器人动力学算法计算速度也为实现复杂的控制算法如: 计算力矩法、 非线性前馈法、

16、自适应控制法等打下基础. 开发并行算法的途径之一就是改造串行算法, 使之并行化, 然后将算法映射到并行结构。 一般有两种方式, 一是考虑给定的并行处理器结构, 根据处理器结构所支持的计算模型, 开发算法的并行性； 二是首先开发算法的并行性, 然后设计支持该算法的并行处理器结构，以达到最佳并行效率。1.2.2机器人控制器展望随着机器人控制技术的发展, 针对结构封闭的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PC 开发的具有开放式结构、

17、 网络功能的机器人控制器.我国 863 计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。在设计具有开放式结构的机器人控制器时，设计过程中要尽可能做到模块化。 模块化是系统设计和建立的一种现代方法, 按模块化方法设计, 系统由多种功能模块组成, 各模块完整而单一。 这样建立起来的系统, 不仅性能好、 开发周期短而且成本较低.模块化还使系统开放, 易于修改、 重构和添加配置功能。由于适用于机器人控制的软、 硬件种类繁多和现代技术的飞速发展, 开发一个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难, 但应用现有技术, 如工业PC 良好的开放性、 安全性和联网性, 标准的实时多任务操作系统, 标准的总线结构,

18、 标准接口等, 打破现有机器人控制器结构封闭的局面, 开发结构开放性、 功能模块化的标准化机器人控制器是完全可行的。1.3本文研究内容及结构本文主要研究的是一个6自由度的关节机器人，由底座、大臂、小臂、手腕等几部分组成，本文主要完成以下几方面的内容。针对小型教学用6自由度关节机器人，设计开发DSP运动控制器的硬件电路,使硬件电路能够正常工作。用DSP作为控制系统核心单元，控制关节器人各关节舵机动作，完成关节机器人的抓取、搬运和放置等动作。设计的硬件电路包括各芯片和舵机的电源电路、DSP控制电路、舵机驱动电路、串口通讯电路等。利用DSP高速信号处理能力与运算能力对机器人进行运动轨迹规划和插补计算

19、，有效的对机器人进行6轴联动控制，实现复杂的控制算法并获得优良的伺服性能。本文结构：第一章主要介绍了关节机器人以及关节机器人控制器的发展状况以及本文的研究方向。第二章主要以关节机器人的单关节建模为起点逐步讲解了多关节机器人的正向运动学和逆向运动学数学模型和求解方法。第三章主要讲解了关节机器人控制器开发平台。第四章重点讲解了关节机器人控制器的详细开发过程以及开发过程中需要注意的一些细节问题。第五章主要讲解了一些简单的关节机器人联动程序包括关节控制方法。第二章 关节机器人运动学分析2.1 关节型机器人运动学和动力学概述关节型机器人运动学就是建立各个操作臂与机械手空间的位置、姿态之间的关系，为分析机

20、器人的控制打好基础。机器人运动学包括两方面的问题:运动学正问题和运动学逆问题。两个问题的关系如图2.1所示：图2.1 机器人运动学正问题和逆问题关节型机器人动力学研究的是物体的运动与受力之间的关系。机器人动力学方程是机器人机械系统的运动方程，它表示机器人各关节位置、速度、加速度与各驱动力矩之间的关系。与机器人的运动学一样，机器人的动力学也有两个相反的问题:一是动力学正问题，即:已知机器人各关节的驱动力矩，求解机器人各关节的位置、速度、加速度。机器人的动力学正问题主要用于机器人的运动仿真。二是动力学逆问题，即:已知各关节的位置、速度、加速度，求各关节所需的驱动力及力矩。动力学逆问题是为了对机器人

21、的运动进行有效实时控制，以实现预期的轨迹运动。2.2机器人正运动学方程的D-H表示法Denavit-Hartenberg(D_H)模型表示了对机器人连杆和关节进行建模的一种非常简单的方法，可用于任何机器人构型，而不管机器人的结构顺序和复杂程度如何。它也可用于表示已经讨论过的在任何坐标中的变换，例如直角坐标、圆柱坐标、球坐标、欧拉角坐标及RPY坐标等。另外，它也可以用于表示全旋转的链式机器人、SCARA机器人或任何可能的关节和连杆组合。假设机器人由一系列关节和连杆组成。这些关节可能是滑动（线性）的或旋转（转动）的，它们可以按任意的顺序放置并处于任意的平面。连杆也可以是任意的长度（包括零），它可能

22、被弯曲或扭曲，也可能位于任意平面上。所以任何一组关节和连杆都可以构成一个我们想要建模和表示的机器人。为此，需要给每个关节指定一个参考坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节（一个坐标系到下一个坐标系）来进行变换的步骤。如果将从基座到第一个关节，再从第一个关节到第二个关节直至到最后一个关节的所有变换结合起来，就得到了机器人的总变换矩阵。图2.2 通用关节连杆组合的D-H表示假设一个机器人由任意多的连杆和关节以任意形式构成。见图2.2表示了三个顺序的关节和两个连杆。虽然这些关节和连杆并不一定与任何实际机器人的关节或连杆相似，但是他们非常常见，且能很容易地表示实际机器人的任何关节。这些关节可能是旋转

23、的、滑动的、或两者都有。尽管在实际情况下，机器人的关节通常只有一个自由度，但图2.2中的关节可以表示一个或两个自由度。见图2.2（a）表示了三个关节，每个关节都是可以转动或平移的。第一个关节指定为关节n，第二个关节为关节n+1，第三个关节为关节n+2。在这些关节的前后可能还有其他关节。连杆也是如此表示，连杆n位于关节n与n+1之间，连杆n+1位于关节n+1与n+2之间。为了用D-H表示法对机器人建模，所要做的第一件事是为每个关节指定一个本地的参考坐标系。因此，对于每个关节，都必须指定一个z轴和x轴，通常并不需要指定y轴，因为y轴总是垂直于x轴和z轴的。此外，D-H表示法根本就不用y轴。在图2.

24、2（a）中，角表示绕z轴的旋转角，d表示在z轴上两条相邻的公垂线之间的距离，a表示每一条公垂线的长度（也叫关节偏移量），角表示两个相邻的z轴之间的角度 （也叫关节扭转）。通常，只有和d是关节变量。下面我们来研究如何将一个参考坐标系变换到下一个参考坐标系。假设现在位于本地坐标系，那么通过以下四步标准运动即可到达下一个本地坐标系。（1）绕轴旋转（见图2.2（a）与（b）所示），它使得和互相平行，因为和都是垂直于轴的，因此绕轴旋转使它们平行（并且共面）。（2）沿轴平移距离，使得和共线（见图2.2（c）所示）。因为和已经平行并且垂直于，沿着移动则可使它们互相重叠在一起。（3）沿轴平移的距离，使得和的原

25、点重合（见图2.2（d）和（e）所示）。这是两个参考坐标系的原点处在同一位置。（4）将轴绕轴旋转，使得轴与轴对准（见图2.2（f）所示）。这时坐标系n和n+1完全相同（见图2.2（g）所示）。至此，我们成功地从一个坐标系变换到了下一个坐标系。在n+1和n+2坐标系间严格地按照同样的四个运动顺序可以将一个坐标变换到下一个坐标系。如有必要，可以重复以上步骤，就可以实现一系列相邻坐标系之间的变换。从参考坐标系开始，我们可以将其转换到机器人的基座，然后到第一个关节，第二个关节，直至末端执行器。这里比较好的一点是，在任何两个坐标系之间的变换均可采用与前面相同的运动步骤。通过右乘表示四个运动的四个矩阵就可

26、以得到变换矩阵A，矩阵A表示了四个依次的运动。由于所有的变换都是相对于当前坐标系的（即他们都是相对于当前的本地坐标系来测量与执行），因此所有的矩阵都是右乘。从而得到结果如下：即： （2.1）比如，一般机器人的关节2与关节3之间的变换可以简化为： （2.2）在机器人的基座上，可以从第一个关节开始变换到第二个关节，然后到第三个，再到机器人的手，最终到末端执行器。若把每个变换定义为，则可以得到许多表示变换的矩阵。在机器人的基座与手之间的总变换则为： （2.3）其中n是关节数。对于一个具有六个自由度的机器人而言，有6个A矩阵。为了简化A矩阵的计算，可以制作一张关节和连杆参数的表格，其中每个连杆和关节的

27、参数值可从机器人的原理示意图上确定，并且可将这些参数代入A矩阵。见表2.1可用于这个目的（其中表中的数据为举例数据）。在以下几个例子中，我们将建立必要的坐标系，填写参数表，并将这些数值代入A矩阵。首先从简单的机器人开始，以后再考虑复杂的机器人。表2.1 D-H参数表da19000020d10-9030d2a1040009051000a206500002.3机器人的逆运动学解为了使机器人手臂处于期望的位姿，如果有了逆运动学解就能确定每个关节的值。现在你可能已经注意到，前面的运动方程中有许多角度的耦合，这就使得无法从矩阵中提取足够的元素来求解单个的正弦和余弦项以计算角度。为使角度解耦，可例行地用单

28、个矩阵左乘矩阵，使得方程右边不再包括这个角度，于是可以找到产生角度的正弦值和余弦值的元素，并进而求得相应的角度。图2.3 简单6自由度机械手臂这里概要地给出了这个方法，并将用到如图2.3中的简单6自由度机械手臂。虽然所给出的解决方法只针对这一给定构型的机器人，但也可以类似地用于其它机器人。正如在图2.3中看到的，表示机器人的方程为： （2.4）为了书写方便，将上面的矩阵表示为RHS(Right-Hand Side)。这里再次将机器人的期望位姿表示为： （2.5）为了求解角度，从开始，依次用左乘上述两个矩阵，得到： （2.6） （2.7） （2.8）根据方程的第3行第4列元素为0，有： （2.9

29、）根据第1行第4列元素和第2行第4列元素，可得： （2.10）整理上面两个方程并对两边平方，然后将平方值相加，得： （2.11）根据式三角函数方程 （2.12）可得： （2.13）于是： （2.14）在这个方程中，除和外，每个变量都是已知的，和将在后面求出。已知： （2.15）于是可得： （2.16）因为关节2，3和4都是平行的，左乘和的逆不会产生有用的结果。下一步左乘的逆，结果为： （2.17）乘开后可得： （2.18）根据式以上结果，矩阵的3元素 （2.19） 由此可计算和，如前面所讨论过的，它们可用来计算。现在再参照式（2.11），并在这里重复使用它就可计算角的正弦和余弦值。具体步骤如下

30、： （2.20）由于以及，可得： （2.21）上面两个方程中包含两个未知数，求解和，可得： （2.22）尽管这个方程较复杂，但它的所有元素都是已知的，因此可以计算得到： （2.23）既然和已知，进而可得： （2.24）因为式（2.19）中的有两个解，所以也有两个解。根据式（2.18）中的第1行第3列元素和第2行第3列元素，可以得到：和 （2.25） （2.26）也许已注意到，因为对于没有解耦方程，所以必须用矩阵的逆左乘式（2.18）来对它解耦。这样做后可得到： （2.27）根据式（2.27）中的第2行第1列元素和第2行第2列元素，得到： （2.28）至此找到了6个方程，它们合在一起给出了机器人

31、置于任何期望位姿时所需的关节值。虽然这种方法仅适用于给定的机器人，但也可采取类似的方法来处理其他的机器人。值得注意的是，仅仅因为机器人的最后三个关节交于一个公共点才使得这个方法有可能求解，否则就不能用这个方法来求解，而只能直接求解矩阵或通过计算矩阵的逆来求解未知的量。大多数工业机器人都有相交的腕关节。2.4本章小结通过以上对机器人运动学中的正、逆运动分析，可以看到如何对关节机器人建立数学模型，然后通过正、逆运动学来求解关节机器人在多级联动时各个关节在空间所处的姿态，对于各个关节舵机姿态的控制主要通过机器人运动控制器来实现，由于求解正、逆运动学不仅涉及到大量的运算，在实际应用中还必须要求整体系统

32、的实时性，所以要求所用的机器人运动控制器不仅具有较强的数学运算能力而且能够并行输出多路控制信号，在这种情况下，一般的单片机就很难胜任，所以必须考虑运用运算能力更强的控制器来达到对于多关节机器人的控制。 第三章 关节机器人控制器开发平台本文中对于关节机器人控制器的设计方面主要用到的EDA软件有Protel99SE，multisim10，在硬件方面主要用到的控制器为TI公司的TMS320F2812.下面主要对本文中所用到的软件以及芯片进行介绍。3.1 Protel99SEProtel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，

33、以及这之间的所有 分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。Protel 设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统，具有高度的集成性与扩展性。Protel 99 SE主要由原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成。1原理图设计系统 这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计。它可以为印制电路板设计提供网络表。该编辑器除了具有强大的原理图编辑功能以外，其分层组织设计功能、设计同步器、丰富的电气设计检验功能及强大而完善的打印输出功能，

34、使用户可以轻松完成所需的设计任务。 2印制电路板设计系统 它是一个功能强大的印制电路板设计编辑器，具有非常专业的交互式布线及元件布局的特点，用于印制电路板（PCB）的设计并最终产生PCB文件，直接关系到印制电路板的生产。Protel99SE的印制电路板设计系统可以进行多达32层信号层、16层内部电源/接地层的布线设计，交互式的元件布置工具极大 地减少了印制板设计的时间。 同时它还包含一个具有专业水准的PCB信号完整性分析工具、功能强大的打印管理系统、一个先进的PCB三维视图预览工具。 此外，Protel99SE还包含一个功能强大的模/数混合信号仿真器，使设计者可以方便地在设计中对一组混合信号进

35、行仿真分析。 同时，它还提供了一个高效、通用的可编程逻辑器件设计工具。3.2 Multisim Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学

36、教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。3.3 TMS320F2812TI公司的 TMS32OF2812DSP数字信号控制芯片，不仅具有比一般单片机更快的处理速度，而且具有适合电机控制的专属硬件电路和外设。另外，如今DSP控制器芯片的成本不断降低，单片TMS320F28X系列的DSP控制器的价格与普通单片机的价格已不相上下，这为DSP的应用更是注入的无穷的生命力。3.3.1 DSP芯片的基本工作原理无论是微处理器、单片机还是DSP控制器，它们的基本工作原理是一致的，不外乎要做的工作

37、是:l)读取数据：从存储器、FO接口等地方读取数；2)运算：按照某种规律进行运算；3)存放数据：把数据存放到存储器、FO接口等地方。因此，在其工作过程中数据流与地址流占统治地位。为了实现数据流、地址流的有序管理和控制，采用数据总线和地址总线是一种最佳的结构方式。数据总线和地址总线像两条高速公路，数据信息与地址信息分别在其上快速地流动。中央处理单元，程序存储器、数据存储器和内部外设等功能模块分别挂接在数据总线和地址总线上。中央处理单元是控制中心，由它指挥。当前时刻谁可以占用数据总线或地址总线，同时它还可以进行有关的运算；程序存储器是物理芯片与人的交接面，由人编写程序指令并写入到程序存储器中，体现

38、了人的意志，中央处理单元只能根据程序的流程进行指挥不能随意发挥；数据存储器用于记录工作过程中的原始数据、中间结果和最后结论;内部外设是集成在芯片内部的与外部世界进行信息交换的功能模块，一般包括FO、I/O、串行通信等。另外，数据总线和地址总线一般情况下都延伸到芯片外部(到引脚上)。 一般微处理器的数据总线和地址总线是单总线方式，相当于一辆车在只有一条道的高速公路上跑，这辆车分时地为大家服务。DSP芯片与此不同，采用多总线方式，相当是多条道的高速公路，这样多辆车可以同时在其上行驶，极大地加快了运行速度。这实质上是一种并行机制。数据和地址是贯穿任何一种微处理器设计、编程的两个基本概念，特别是地址，

39、它就是数据源、专用寄存器、FO的代表。每一个存储器、寄存器都有地址，对于可编程的功能模块(片内的或片外的)它也有地址，对可编程的功能模块的操作，实际上是对它的寄存器(控制的、数据的等)进行操作，这些寄存器必须有唯一地址，否则会引起工作混乱。劝于片内外设的功能模块各寄存器的地址是由芯片厂家确定的。片内外设的功能模块各寄存器的地址与所连接的外部地址总线有关，即给每个功能模块分配地址，一旦完成设计好印刷电路也就被固定了下来。3.3.2 DSP芯片的总体结构和总线结构DSP芯片总体结构一是采用多组总线结构实现并行处理机制，允许CPU同时进行程序指令和存储数据的访问；二是采用独立的累加器和乘法器，使得复

40、杂的乘法运算能快速进行；三是累加器和乘法器分别连接了比例移位器，使得许多复杂运算或者运算后的定标能在一条指令中完成；四是有丰富的寻址方式，可方便灵活的编程；五是有完善的片内外设，可以构成完整的单片系统。总线结构是计算机体系结构中最基本的结构，它提供了一种标准的接口方式。功能模块之间的信息交换，都可解释为“在什么地址存放数据”或“从什么地址取回数据”。数据地址成为密不可分的一对伙伴。具备数据与地址接口方式的功能模块都可以挂接到数据/地址总线上。数据/地址总线是双向的，为了保证数据通畅流动，要在中央处理单元统一指挥下按节拍进行工作。一般情况下，总线的操作时序分为四个独立的阶段：取指令(P)、指令译

41、码(T)、取操作数(D)和执行指令(E)，这四个阶段分别面向程序读、数据读和数据写。DSP芯片采用了多组总线的结构。其中内部地址总线分为三条总线:(l)程序读地址总线 (PAB)，提供读程序的地址；(2)数据读地址总线 (DRAB)，提供读数据存储器的地址；(3)数据写地址总线(DWAB)，提供写数据存储器的地址。内部数据总线也对应分为三条总线:(l)程序读数据总线 (PRDB)，将指令代码中的立即数以及表信息传送到CPU；(2)数据读数据总线(DRDB)，将数据存储器的数据传送道CPU；(3)数据写数据总线(DWDB)，将处理后的数据传送到数据存储器和程序存储器。由于DSP芯片采用了多组总线

42、结构，这将允许CPU同时进行程序指令和存储数据的访问，因而在其内部可以实现四级逻辑流水线，这种并行机制可使得4条指令同时在一个周期内处于激活状态，而在任一周期都有执行指令(E)的操作，就好像一个周期可以完成一条指令。四级流水线是逻辑上的，大部分情况下对用户来说也是不可见的。第四章 DSP运动控制器系统设计系统整体硬件构成图如下图4.1所示：TMS320F2812电源电路复位电路JTAG串口舵机驱动电路舵机 图4.1 系统整体硬件构成图4.1电源电路由于本控制系统需要驱动数字舵机，所以外部输入采用8V可充电电池。又由于TMS320F2812的工作电压被设计成3.3V，因为这样可以减少芯片损耗。但

43、在设计DSP系统时，除了设计DSP芯片与其他外围芯片的接口，需要将常用的5V直流电源转换成3.3V。可以采用可调的直流电源直接获得3.3V电压，但电压的稳定性很难得到保证。另外，还可采用专门的电源芯片。由于2812与一般的DSP不同，2812的上电次序是外围先上电，内核后上电，也就是3.3V先上电，1.8V后上电。下面将对8V到5V，以及5V到3.3V和1.8V分开进行讲解。1. 8V到5V稳压电路设计电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78xx 系列和负电压输出79xx系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。 用78/79

44、系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。同时78xx系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间，所以可以采用该系列的稳压芯片作为8V到5V之间的电压转换以及稳压。由于该控制器系统设计并非工业要求，所以可以采用7805固定输出稳压电路，实际中的电路图如下图4.2所示.图4.

45、2 7805固定输出稳压电路2. 5V到3.3V和1.8V电路设计TMS320F2812的内核和I/O采用双供电方式，在设计系统时必须保证如果其中的一种电压低于要求的操作电压，则另一个电压的供电时间不能超出要求的时间。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

46、DSP上电过程中允许两种供电有一定的时间差，但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。应用双供电DSP平台系统，在I/O供电之前每个DSP内核供电电流都比较大。引起电流过大的原因只要是由于DSP内核没有正确地初始化，一旦CPU检测到内部的时钟脉冲，这种超大电流就会停止。随着PLL开始工作，I/O上电，产生的时钟脉冲将降低上述的超大电流，从而使供电回到正常范围。减小内核和I/O供电的时间间隔可以减小这种大吸收电流对系统的影响。双电源供电模块可以消除两个电源之间的延时。此外，还可以采用肖特基二极管钳制内核和I/O的电源以满足系统的供电需求。双电源供电系统原理图

47、如图4.3所示.I/O电压调节器内核电压调节器I/ODVDD内核CVDDDC输入图4.3双电源供电系统原理图实际上在DSP系统设计时，防止DSP的I/O引脚同外设之间的总线冲突是系统设计的一个重要方面，需要控制内核和I/O的上电次序。由于总线控制逻辑位于DSP内核模块，I/O供电先于内核供电会使DSP和外设同时配置成输出功能引脚。如果DSP与外设输出的电平相反将会产生总线冲突。在F2812中 ,对上电顺序有严格要求，F2812需要芯片外设必须先于内核上电，一般的稳压芯片难以实现对电压上电顺序的控制，为了满足系统对上电顺序的要求，这里采用TI的DSP供电芯片TPS767D318。TPS767D3

48、18为双通道输出的可控电源转换芯片，可以通过控制转换使能端从而控制输出电压的顺序。TPS767D318具有以下特性：1) 提供双通道输出电压；2) 每个通道最大可以提供1A的输出电流；3) 每个通道都有独立的使能信号，可以独立工作；4) 具有很快的瞬态响应特性；5) 最低的静态电流为85A；6) 每个通道内部都具有热保护功能；7) 负载和温度对输出电压影响很小，最大误差2。TPS767D318的芯片引脚图如图4.4所示。图4.4 TPS767D318芯片引脚图TPS767D318的芯片引脚说明见表4.1所示表4.1 TPS767D318芯片引脚说明引脚名引脚号输入输出状态功能描述1GND3通道

49、1地4I通道1使能1IN5、6I通道1输入2GND9通道2地10I通道2使能2IN11、12I通道2输入2OUT17、18O通道2输出电压22O通道2复位信号1OUT23、24O通道1输出电压1FB/NC25I通道1的反馈校正或悬空280通道1复位信号TPS767D318的具体硬件设计如图4.5所示，F2812的供电电压为3.3V和1.8V，上电顺序先后为3.3V、1.8V。设计的基本思想是，5V电经过C1、C6滤波后分别接通道1、通道2的输入端，通道1、通道2的使能端以及地端，分别接地，使通道1、通道2被使能，D1二极管作为钳位二极管来钳制内核和I/O电源，当芯片输出1.8V和3.3V电压后

50、D2、D3分别被导通，由于D2、D3的压降都为0.7V，所以此时通道1和通道2之间的压降为1.4V，又由于通道1和通道2之间的输出电压分别为1.8V和3.3V，所以经过D1、D2压降之后通道1向外的实际输出电压为1.9V，由于二极管的导通需要一定的时间，所以3.3V先于1.8V为F2812供电。图4.5 电源电路图4.2复位电路通常情况下复位电路包括上电复位、手动复位、电源监测复位以及看门狗复位等，无论哪种复位，器基本功能都是为了保障系统能够正常的启动。在电路设计时，手动和上电复位主要考虑能够手动去抖、上电复位时间保证等方面。而电源监测则主要是通过对系统电源进行监测，一旦出现超出设定的标准阈值

51、则使处理器复位，重新运行防止系统跑飞而不能正常工作。看门狗系统主要是完成系统软件程序监测，采用固定时间触发看门狗定时器方式，使看门狗一只处于计数状态，一旦系统软件出现一场而在看门狗计数周期内没有对其清零操作，则认为系统软件故障而产生复位信号使CPU复位。复位电路采用手动复位，其电路图如图4.6所示：图4.6 复位电路图由于F2812复位信号必须维持最少200ms低电平，所以C111选用了10uf的钽电容，这样保了200ms的低电平，用Multisim对4.2.1手动复位电路图进行仿真，仿真图以及结果如图4.7、4.8所示：图4.7 手动复位仿真图图4.8手动复位仿真结果图从结果图上可以看出低电

52、平时间持续802.291ms,完全满足F2812要求的>200ms的要求，所以该手动复位设计满足要求。4.3 JTAGJTAG是联合测试工作组（Joint Test Action Group）的简称，是在名为标准测试访问端口和边界扫描结构的IEEE的标准1149.1的常用名称。此标准用于测试访问端口，使用边界扫描的方法来测试印刷电路板。1990年JTAG正式由IEEE的1149.1-1990号文档标准化，在1994年，加入了补充文档对边界扫描描述语言（BSDL）进行了说明。从那时开始，这个标准被全球的电子企业广泛采用。边界扫描几乎成为了JTAG的同义词。在设计印刷电路版时，目前最主要用在

53、测试集成电路的副区块，而且也提供一个在嵌入式系统很有用的调试机制，提供一个在系统中方便的"后门"。当使用一些调试工具像电路内模拟器用JTAG当做讯号传输的机制，使得程式设计师可以经由JTAG去读取整合在CPU上的调试模组。调试模组可以让程式设计师调试嵌入式系统中的软件 。JTAG的接口是一种特殊的4/5个接脚接口连到芯片上 ，所以在电路版上的很多芯片可以将他们的JTAG接脚通过Daisy Chain的方式连在一起，并且Probe只需连接到一个“JTAG端口”就可以访问一块电路板上的所有IC。这些连接引脚是：1) TDI（测试数据输入）2) TDO（测试数据输出）3) TCK

54、（测试时钟）4) TMS（测试模式选择）5) TRST（测试复位）可选。如图4.9所示即为通过JTAG访问多块IC结构图。图4.9 JTAG访问多块IC结构图因为只有一条数据线，通信协议有必要像其他串行设备接口，如SPI一样为串行传输。时钟由TCK引脚输入。配置是通过TMS引脚采用状态机的 形式一次操作一位来实现的。每一位数据在每个TCK时钟脉冲下分别由TDI和TDO引脚传入或传出。可以通过加载不同的命令模式来读取芯片的标识，对输入 引脚采样，驱动（或悬空）输出引脚，操控芯片功能，或者旁路（将TDI与TDO连通以在逻辑上短接多个芯片的链路）。TCK的工作频率依芯片的不同而不 同，但其通常工作在10-100MHz（每位10-100ns）。当在集成电路中进行边界扫描时，被处理的信号是在同一块IC的不同功能模块间的，而不是不同IC之间的。TRST引脚是一个可选的相对待测逻辑低电平有效的复位开关通常是异步