【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)通道全部用于脈沖輸出。~，（b）。 電壓跟隨器和AD模塊本文使用AD轉(zhuǎn)換器結(jié)合電壓跟隨器來(lái)采集并處理外部模擬信號(hào)，目標(biāo)控制系統(tǒng)需要處理的模擬信號(hào)主要包括三路傾角傳感器的輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)管道機(jī)器人的傾斜角、爬坡角和擺桿傾角的測(cè)量任務(wù)。電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常碰到要處理模擬量的情況，為了能夠讓數(shù)字處理器處理模擬信號(hào)，就必須用到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)嵌12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC12，，因此外部模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)分壓處理之后才能交由ADC12模塊處理。但是，如果將外部信號(hào)直接連接至分壓電路，可能會(huì)出現(xiàn)電壓下降，造成測(cè)量偏差。因此，本文在外部輸入信號(hào)和AD轉(zhuǎn)換模塊之間添加了電壓跟隨器模塊，電壓跟隨器可以實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路的隔離，對(duì)于后級(jí)電路，電壓跟隨器相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，而對(duì)于前級(jí)電路它相當(dāng)于開路。 電壓跟隨器模塊原理圖，電壓跟隨電路的核心是LM358芯片，該芯片內(nèi)部包含兩路獨(dú)立的運(yùn)算放大器，這兩路放大器具有高增益、可內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。圖中的電容C2C3C38起到濾除高頻干擾的作用，電阻R18和R1R20和R21分別構(gòu)成兩組分壓電路。圖中、和分別為運(yùn)算放大器的同向端、反向端和輸出端的電壓，運(yùn)算放大器具有如下輸出特性： （），將運(yùn)算放大器的反向端與輸出端短接，那么與時(shí)刻保持相等，且不會(huì)超過(guò)電源電壓，由于放大增益A趨向于無(wú)窮大，與之差必然為0，那么與必然也保持時(shí)刻相等，即起到電壓跟隨作用。 由運(yùn)放構(gòu)建電壓跟隨器的原理圖電壓跟隨器模塊和分壓電阻電路實(shí)現(xiàn)外部模擬信號(hào)的接收與分壓，而模擬信號(hào)數(shù)字化的任務(wù)由MSP430F149單片機(jī)的ADC12模塊來(lái)完成。所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓，其數(shù)字輸出表示輸入模擬量相對(duì)于這個(gè)基準(zhǔn)電壓的比率。MSP430F149單片機(jī)的ADC12模塊內(nèi)置參考電源，參考電壓有6種，可編程選擇，分別為和的組合，其中可以為（模擬電源正端）、（A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部參考電源的輸出正端）及（外部參考源的正輸入端），而包括（模擬電源負(fù)端）和（A/D轉(zhuǎn)換器參考電源負(fù)端——內(nèi)部或外部）兩種，本文選擇和作為正負(fù)參考電壓，根據(jù)模塊需求，本文將MSP430F149的引腳接電源電壓（），而引腳接地。 JTAG接口模塊功能層主控板使用JTAG接口實(shí)現(xiàn)程序調(diào)試與下載，JTAG調(diào)試接口主要包括TDI、TDO、TCK、TMS四個(gè)引腳，其中TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入引腳，TDI、TDO分別為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳，TMS為測(cè)試模式選擇引腳，對(duì)于目標(biāo)控制系統(tǒng)，JTAG接口的這四個(gè)引腳分別與MSP430F149單片機(jī)的同名引腳相連。 JTAG接口原理圖 主要外圍模塊及其編程接口 步進(jìn)電機(jī)模塊目標(biāo)控制系統(tǒng)使用兩路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人移動(dòng)，通過(guò)協(xié)調(diào)兩路步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成不同的動(dòng)作。從圖中可以看出，控制器輸出的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，在經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)化放大之后，才能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由環(huán)形分配器和功率放大器兩部分組成[44,45]，環(huán)形分配器負(fù)責(zé)把來(lái)自單片機(jī)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為環(huán)形脈沖，環(huán)形脈沖再經(jīng)過(guò)功率放大器放大后，即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。此外，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般帶有細(xì)分電路，即借助微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)更精確地控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大提高步進(jìn)電機(jī)的步矩分辨率，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，避免低頻共振，同時(shí)也降低了運(yùn)行噪聲[46]。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型本系統(tǒng)使用的是常州安科特公司的23HS2430型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，配備DM542型細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。DM542驅(qū)動(dòng)器有6路控制端口，用以接收單片機(jī)的控制信號(hào)。 DM542驅(qū)動(dòng)器的控制端口引腳名稱信號(hào)功能PLS+步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入正端PLS步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入負(fù)端DIR+步進(jìn)方向信號(hào)輸入正端DIR步進(jìn)方向信號(hào)輸入負(fù)端ENA+使能信號(hào)輸入正端ENA使能信號(hào)輸入負(fù)端在使用中，將標(biāo)號(hào)為“+”的引腳連接，構(gòu)成共陽(yáng)極接法，或者將標(biāo)號(hào)為“”的引腳接到一起，構(gòu)成共陰極接法。本文采用的是共陽(yáng)極接法，圖中PLS引腳用于接收單片機(jī)的脈沖信號(hào)，該引腳每收到一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步，要求脈沖頻率小于40000Hz（10000P/r）。DIR用于接收單片機(jī)的方向信號(hào)，可以通過(guò)改變?cè)撘_的高低電平實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。ENA是使能控制引腳，其為高電平時(shí)，使能打開，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，ENA為低電平時(shí)，使能關(guān)閉，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入自由狀態(tài)。從圖中可以看出，DM542驅(qū)動(dòng)器使用20~50V直流電壓源供電，驅(qū)動(dòng)器的A+、A、B+、B分別接步進(jìn)電機(jī)A、B兩相繞組的正負(fù)極。 步進(jìn)電機(jī)接線圖控制系統(tǒng)要求模塊功能內(nèi)聚、低耦合，將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能封裝為一個(gè)統(tǒng)一的接口函數(shù)不僅能滿足內(nèi)聚性要求，也給后續(xù)運(yùn)動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)很大的方便?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)至少需要脈沖、方向、使能三個(gè)信號(hào)，接口函數(shù)必須包含這三方面的信息，另外由于要控制的步進(jìn)電機(jī)不止一個(gè)，則要求在接口函數(shù)中能夠指定電機(jī)ID。根據(jù)上述要求，本文設(shè)計(jì)了如下的步進(jìn)電機(jī)接口函數(shù)原型：Void StepMotor（int ID， int ena， int dir， int speed）該函數(shù)的四個(gè)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)電機(jī)ID、使能開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)前三個(gè)參數(shù)可以直接確定單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口的邏輯電平，第四個(gè)參數(shù)需要轉(zhuǎn)化為定時(shí)器模塊的輸出脈沖頻率?？梢酝ㄟ^(guò)DM542驅(qū)動(dòng)器的撥碼開關(guān)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的步距角，176。，因此DM542驅(qū)動(dòng)器每接收10000個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈。、。StepMotor接口的函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下圖所示。 步進(jìn)電機(jī)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn) 直流電機(jī)模塊目標(biāo)控制系統(tǒng)包含兩路直流電機(jī)，分別負(fù)責(zé)擺桿的擺動(dòng)和放射源沿?cái)[桿的軸向移動(dòng)。兩路直流電機(jī)與傾角傳感器、超聲波傳感器相互協(xié)作，可以完成管道半徑測(cè)量和放射源中心定位等控制任務(wù)。直流電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、變速性能好、過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[47]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)開關(guān)、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制，比較常用的策略是用專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合脈沖寬度調(diào)制方法[47,48]。（a）所示的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)器主要由恒壓恒流橋式驅(qū)動(dòng)芯片L298N、光耦隔離電路、二極管雙H橋等部分組成。驅(qū)動(dòng)器中方向控制引腳和使能引腳與單片機(jī)相連，接收單片機(jī)控制信號(hào)。光電耦合器可以隔離單片機(jī)與L298N控制芯片，起到保護(hù)單片機(jī)的作用[48]。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包含兩路直流電機(jī)接口M1和M2，直流電機(jī)通過(guò)二極管構(gòu)成的H橋續(xù)流電路與L298N芯片連接。 （a）L298N驅(qū)動(dòng)器 （b）L298N芯片 L298N驅(qū)動(dòng)器L298N是ST公司生產(chǎn)的一款高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，（b）所示15腳Multiwatt封裝[49]。L298N包含A、B兩個(gè)通道的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于通道A，可以使用INPUTINPUTENA三個(gè)引腳控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于通道B，可以使用INPUTINPUTENB三個(gè)引腳控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 L298N芯片控制邏輯表電機(jī)EN AEN BINPUT1INPUT2INPUT3INPUT4狀態(tài)M1110正向101反向0停止M2110正向101反向0停止工程中一般使用PWM方式控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即通過(guò)控制電機(jī)通斷時(shí)間的比值，來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在目標(biāo)控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接在不同的主控板上，、、。本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)接口函數(shù)的原型為：void DCMotor（int ID，int，ena，int dir，int speed）DCMotor的第一個(gè)參數(shù)為電機(jī)ID，可以取值1或2，分別用于選擇第一路或者第二路直流電機(jī)；第二個(gè)參數(shù)控制直流電機(jī)的使能，1表示使能開，0表示使能關(guān)；第三個(gè)參數(shù)用于控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，取值1或0，對(duì)應(yīng)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；第四個(gè)參數(shù)用于控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，取值為0~100。DCMotor接口的函數(shù)體如下圖所示： 直流電機(jī)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn) 超聲波傳感器模塊目標(biāo)控制系統(tǒng)中包含四個(gè)超聲波傳感器，負(fù)責(zé)管道半徑測(cè)量、放射源初步定位、放射源三向定位等控制任務(wù)。超聲波的振動(dòng)頻率高于普通聲波，因此波長(zhǎng)較短，不易發(fā)生衍射，它能夠形成射線向前傳播，具有很好的方向性[50]。由于超聲波碰到分界面或雜質(zhì)能夠發(fā)生明顯反射，它在工業(yè)、民用、國(guó)防等方面常用于距離檢測(cè)。 超聲波傳感器該超聲波模塊包含4個(gè)引腳，其中Vcc與GND之間接5V電源。Trig引腳是超聲波傳感器的觸發(fā)控制端口，與單片機(jī)的邏輯輸出端口相連，單片機(jī)拉低該引腳電平并保持10181。s以上，則會(huì)觸發(fā)傳感器發(fā)射8個(gè)40kHz的超聲波脈沖。Echo引腳是超聲波傳感器的回響反饋端口，與單片機(jī)的邏輯輸入端口相連，向單片機(jī)反饋超聲波傳感器的工作狀態(tài)。常態(tài)下，Echo端口保持低電平，當(dāng)傳感器發(fā)射超聲波之后，該引腳立即跳至高電平并保持，直至收到回聲信號(hào)或者系統(tǒng)超時(shí)，才重新回到低電平。 超聲波傳感器的工作時(shí)序圖使用超聲波進(jìn)行測(cè)距，需要根據(jù)超聲波傳播的速度和時(shí)間計(jì)算出其傳播距離，反射面到發(fā)射端的距離即為超聲波傳播距離的一半。，回響信號(hào)保持高電平的時(shí)間t即為超聲波的傳播時(shí)間，而超聲波在空氣中的傳播速度v為340m/s，那么所測(cè)距離即為： （）為了方便對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行控制，需要一個(gè)啟動(dòng)接口，本文針對(duì)超聲波傳感器設(shè)計(jì)的接口函數(shù)原型為：void DistanceMeasure（int ID）DistanceMeasure函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，用于選擇對(duì)應(yīng)ID號(hào)的超聲波傳感器，目標(biāo)控制系統(tǒng)有四路超聲波傳感器，對(duì)應(yīng)的ID參數(shù)分別為4。DistanceMeasure負(fù)責(zé)對(duì)外提供超聲波傳感器的啟動(dòng)接口，具體距離計(jì)算在定時(shí)器中斷過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。在目標(biāo)控制系統(tǒng)中，、，只要拉高Trig引腳電平并保持10181。s以上，就可以觸發(fā)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，根據(jù)這一特點(diǎn)，圖中MicroDelay函數(shù)是用軟件延時(shí)方式實(shí)現(xiàn)的微秒級(jí)延時(shí)函數(shù)。 超聲波傳感器的啟動(dòng)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn) 傾角傳感器模塊為了保證管道機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行，控制系統(tǒng)需要具有自平衡功能，這就要求控制系統(tǒng)能夠獲取機(jī)器人的位姿狀態(tài)。目標(biāo)控制系統(tǒng)使用三路傾角傳感器分別采集機(jī)器人傾斜角、爬坡角和擺桿傾角信息。，其核心是SCA60C芯片。SCA60C模塊使用5V電壓源供電，輸入0~180176。傾角范圍，~。，Vo引腳為SCA60C的模擬電壓輸出端口，與主控板AD模塊的輸入端口相連，單片機(jī)首先將輸入的模擬電壓信號(hào)數(shù)字化，再由轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量計(jì)算出傾角數(shù)值。該傾角傳感器模塊載有LM393雙電壓比較器，用以實(shí)現(xiàn)傾斜警報(bào)功能，即當(dāng)傾斜角到達(dá)某個(gè)閾值后，模塊輸出警報(bào)電平。當(dāng)該傾角傳感器模塊左傾達(dá)到設(shè)定的閾值后，Do2輸出低電平，否則輸出高電平，同樣，當(dāng)該傾角傳感器模塊右傾達(dá)到設(shè)定的閾值后，Do1引腳輸出低電平，否則輸出高電平，DoDo2與單片機(jī)的邏輯輸入引腳相連。 SCA60C單軸傾角傳感器本文使用MSP430F149內(nèi)嵌的ADC12模塊將傾角傳感器輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，、。其中，傾斜處理過(guò)程在P1端口的中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，對(duì)于ADC12模塊，參考電壓負(fù)端接地。，超過(guò)了ADC12模塊的量程，目標(biāo)控制系統(tǒng)使用電壓跟隨器和分壓電路，~3V區(qū)間。MSP430F149中ADC12模塊的輸入端口與單片機(jī)的P6端口復(fù)用，、。目標(biāo)系統(tǒng)的功能層主控板有兩塊，共4個(gè)模擬輸入端口，除了其中1路用于電源電量檢測(cè)，其他3個(gè)端口用于傾角測(cè)量。針對(duì)ADC12模塊，本文設(shè)計(jì)的接口函數(shù)原型為：int ADCtl（int ID）ADCtl函數(shù)也是只有一個(gè)參數(shù)ID，取值1或2，用于選擇外部模擬信號(hào)的輸入通道。ADCtl函數(shù)的返回值為int類型，該值即為模擬信號(hào)數(shù)字化之后的結(jié)果。ADCtl接口的函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下圖所示： 傾角傳感器接口函數(shù)實(shí)現(xiàn) 本章小結(jié)本章研究了管道檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，首先基于第2章提出的三層結(jié)構(gòu)模型，給出了目標(biāo)控制系統(tǒng)的硬件組成，接著根據(jù)系統(tǒng)需求，為功能層選擇了MSP430F149單片機(jī)作為其主控芯片，然后在此基礎(chǔ)上詳細(xì)討論了功能層主控板的PCB設(shè)計(jì)過(guò)程，最后分析了步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、超聲波傳感器和傾角傳感器四個(gè)主要外圍模塊的工作原理，并對(duì)其編程接口進(jìn)行設(shè)計(jì)封裝。本章的研究設(shè)計(jì)結(jié)果為下一章的軟件算法設(shè)計(jì)提供了硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。634 管道檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文的管道檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)涉及多層次、多模塊的相互協(xié)作，任何模塊出錯(cuò)都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)異常，這就要求每個(gè)模塊必須按照一個(gè)共同的可靠規(guī)則協(xié)同工作，這個(gè)規(guī)則就是由軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)和維護(hù)的。因此，軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本章從指令通訊機(jī)制、運(yùn)動(dòng)控制算法和編程實(shí)現(xiàn)三個(gè)角度對(duì)控制系統(tǒng)展開軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，還必須滿足健壯性、可靠性和實(shí)用性的要求。 管道檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總體上可以分為三個(gè)軟件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即HMI層子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通訊層子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能層子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與控制系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)模型相對(duì)應(yīng)。三個(gè)軟件子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，功能內(nèi)聚，在同一套指令通訊機(jī)制的指導(dǎo)下，形成一個(gè)有機(jī)整體，完成自平衡和放射源中心定位等系統(tǒng)功能。本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。從圖中可以看出，運(yùn)動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)是軟件設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。目標(biāo)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：（1）基本運(yùn)動(dòng)控制?；具\(yùn)動(dòng)是其他運(yùn)動(dòng)控制策略得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，目標(biāo)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四種，基本運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方法是控制兩路步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作。（2）自平衡控制策略。主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從傾斜狀態(tài)到平衡狀態(tài)的改變，其基本思想是根據(jù)傾角傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)組合機(jī)器人的各個(gè)基本運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿的改變，達(dá)到自平衡的目的。（3）放射源中心定位策略。主