【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 然后啟動(dòng)升降電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)升降。圖 6 棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)物圖 Ratchet physical figure93 機(jī)器人自控部分設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于 STM32 單片機(jī)的手動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由中央處理模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電子方向盤模塊、電子剎車模塊、棘輪模塊、LM629 模塊、單片機(jī)模塊、串口模塊、電子油門模塊、通信模塊、與電源模塊等模塊組成。中央處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它與其它各個(gè)模塊之間通過不同電路和接口協(xié)議進(jìn)行相連。電子方向盤模塊、電子油門模塊、電子剎車、按鍵模塊等傳感器輸入部分對(duì)系統(tǒng)外界信息進(jìn)行采集和處理后，將數(shù)據(jù)通過電平信號(hào)、PWM 信號(hào)等方式發(fā)送到中央處理模塊。然后按照通信協(xié)議，接口協(xié)議等要求和其他模塊進(jìn)行信息交換，由中央處理模塊根據(jù)軟件設(shè)計(jì)中的流程圖和所設(shè)計(jì)的算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。從而得到相關(guān)的最優(yōu)輸出操作，通過輸出 PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）波的方式向單片機(jī)模塊發(fā)命令，單片機(jī)模塊再通過串口通信控制 LM629 模塊從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過電平控制啟動(dòng)模塊的狀態(tài)。從而達(dá)到對(duì)手動(dòng)機(jī)器人各部分的控制。其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方框圖如圖 7 所示。圖 7 系統(tǒng)方框圖 Schematic Block Diagram10 各模塊硬件部分設(shè)計(jì) 中央處理模塊中央處理模塊是整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人的核心環(huán)節(jié)。它是實(shí)現(xiàn)信息處理、命令輸出與智能算法等的平臺(tái)。本設(shè)計(jì)對(duì)中央處理模塊有以下三種方案：方案一：采用 ATMEL 公司研制的基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位低功耗 CMOS 微處理器 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控板。AVR 單片機(jī)是高速嵌入式單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理速度快、中斷響應(yīng)迅速。其次，AVR 單片機(jī)高性能、低功耗，且其快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，很大程度上優(yōu)化了目標(biāo)代碼所占用的存儲(chǔ)空間，也在一定程度下提高了程序的執(zhí)行效率，部分型號(hào) FLASH 非常大，特別適用于使用高級(jí)語言進(jìn)行開發(fā)。 但是 AVR 系列單片機(jī)都不具備硬件正交增量編碼器功能。方案二：采用 ARM 公司研制的基于最新 Cortex?M3 內(nèi)核的 32 位 ARM7 微處理器STM32 開發(fā)板。 STM32 系列基于專求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM Cortex?M3 內(nèi)核。STM32 專門為工業(yè)控制設(shè)計(jì)擁有比 AVR 單片機(jī)更高的性能且工業(yè)控制硬件功能更加豐富（具有 DMA、硬件正交增量編碼器等） ，并且開發(fā)工具齊全，開發(fā)環(huán)境更優(yōu)越。 方案三：根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人控制性能的要求，在使用方向盤控制底盤電機(jī)的同時(shí)，按鍵也能控制升降電機(jī)和氣動(dòng)裝置。如果僅僅使用一塊 STM32 芯片執(zhí)行所有程序會(huì)造成程序編寫復(fù)雜、芯片負(fù)載過高（堆棧溢出） 、響應(yīng)速度緩慢、端口配置沖突（如TIM8 和 TIM1 不能同時(shí)使用）等問題。這與機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求不符故采用 2 塊STM32 芯片做分級(jí)系統(tǒng)。共同構(gòu)成中央處理單元從而具有并行處理的能力。這樣在串口通信的前提下既保證了手動(dòng)機(jī)器人各個(gè)模塊控制靈活性，又同時(shí)保證了中央處理模塊的響應(yīng)速度和處理能力。由于 STM32 單片機(jī)具有更優(yōu)良的性能，同時(shí)分級(jí)系統(tǒng)擁有更高效的控制性能和并行處理能力，所以我們最終選擇方案三作為本設(shè)計(jì)的中央處理模塊。本設(shè)計(jì)采用 ARM 公司研制的 STM32。STM32 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3 內(nèi)核。頻率達(dá)到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；以 16 位產(chǎn)品的價(jià)格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的性能是 16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。STM32 功耗 36mA，是 32 位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于 。CortexM3 是一款低功耗處理器，具有門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點(diǎn)，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該處理器采用 ARMv7M 架構(gòu)。CortexM3 處理器整合了以下組件：11(1) ARMv7M：Thumb2 ISA 子集，包含所有基本的 16 位和 32 位 Thumb2 指令，(2) 硬件除法指令， SDIV 和 UDIV（Thumb2 指令）(3) 處理模式（ handler mode）和線程模式（thread mode）(4) 可中斷可繼續(xù)（interruptiblecontinued ）的 LDM/STM，PUSH/POP，實(shí)現(xiàn)低中斷延遲。(5) 自動(dòng)保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)低延遲地進(jìn)入和退出中斷服務(wù)程序(6) 支持 ARMv6 架構(gòu) BE8/LE(7) ARMv6 非對(duì)齊訪問(8) 嵌套向量中斷控制器（NVIC） 。它與處理器內(nèi)核緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)低延遲中斷處理，并具有以下特性： 外部中斷可配置為 1～240 個(gè)優(yōu)先級(jí)位可配置為 3～8 位 中斷優(yōu)先級(jí)可動(dòng)態(tài)地重新配置 優(yōu)先級(jí)分組。分為占先中斷等級(jí)和非占先中斷等級(jí) 支持末尾連鎖（tailchaining）和遲來（late arrival）中斷。這樣，在兩個(gè)中斷之間沒有多余的狀態(tài)保存和狀態(tài)恢復(fù)指令的情況下，使能背對(duì)背中斷（backtoback interrupt）處理。(9) 處理器狀態(tài)在進(jìn)入中斷時(shí)自動(dòng)保存，中斷退出時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，不需要多余的指令。 圖 8 STM32 外形 The STM32 shape Figure12 圖 9 STM32 引腳圖 STM32 pin diagram STM32 最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)電路是處理器芯片能工作所必需的電路結(jié)構(gòu)，包括電源電路、復(fù)位電路、晶振以及調(diào)試接口（這里是 JLink 接口） 。因?yàn)?STM32 內(nèi)部包含 128KB 的 FLASH 以及 32KB 的 SRAM，滿足設(shè)計(jì)需要，所以不再進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。如下圖所示是STM32F103VET6 的最小工作系統(tǒng)原理圖。 BT1CR20holder43ESK+V5nFpX8MHz(witsck)O_I/gbyxv[]圖 10 STM32 最小系統(tǒng) STM32 Minimum System13 通信模塊通信方式的選擇：由于串行通信方式具有使用線路少，成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了并行通信中多條線路的特性不一致，因而被廣泛的采用。在串行通信時(shí)，要求通信雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同設(shè)備可以方便的連接起來通信。RS232C（remended standard，一種推薦串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)）是目前最常用的一種串行通信接口。由于串口通信的優(yōu)勢(shì)和普及性，其技術(shù)已經(jīng)趨于普及和成熟，本設(shè)計(jì)亦選擇串口通信方式。在本設(shè)計(jì)中串口通信模塊使用在中央處理模塊內(nèi)部分級(jí)系統(tǒng)之間通信和單片機(jī)模塊 PC 通信分別使用了 MAX232 和 MAX323 兩種芯片做電平轉(zhuǎn)換，因其功能相似、端口相同、典型電路一致故選取 MAX232 介紹。MAX232 芯片是美信公司為 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v 單電源供電。MAX232 芯片的作用是將單片機(jī)輸出的 TTL 電平轉(zhuǎn)換成 PC 機(jī)能接收的 232 電平或?qū)C 機(jī)輸出的 232 電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的 TTL 電平。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v 和 12v 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 11114 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中 13 腳（R1IN） 、12 腳（R1OUT） 、11 腳（T1IN） 、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN） 、9 腳（R2OUT） 、10 腳（T2IN） 、7 腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、T2OUT輸出；DP9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT 輸出。第三部分是供電。15 腳 DNG、16 腳 VCC（+5v） 。圖 11 為 MAX232 接線圖。其中 P8 為向外傳輸數(shù)據(jù)的接口。14圖 11 MAX232 電路圖 Circuit diagram of MAX232 LM629 驅(qū)動(dòng)模塊 伺服模塊組成：采用 ATmega32L 作為模塊主芯片,LM629 作為輔助芯片（主要用于 PID 調(diào)節(jié)） ，編碼盤來采樣的數(shù)據(jù)來組合成一個(gè)電機(jī)伺服系統(tǒng)。圖 12 伺服系統(tǒng)模塊原理圖 Servo system module schematic LM629 的功能和工作原理LM629是美國(guó)半導(dǎo)體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的一款專用運(yùn)動(dòng)控制器，它是全數(shù)字式的專用運(yùn)動(dòng)處理器。一個(gè)芯片內(nèi)集成了數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制器的全部功能，使得設(shè)計(jì)一個(gè)快速、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)變得輕松、容易。LM629是NMOS結(jié)構(gòu)，采用28引腳雙列直插式封裝（見圖2） ，使用6MHz或者8MHz和5V電源工作。圖 13 LM629 LM629 LM629 特性（1） 內(nèi)部有 32 bit 的位置、速度和加速度寄存器；（2） l6 bit 可編程數(shù)字 PID 控制器；（3） 可編程微分項(xiàng)采樣時(shí)間間隔；15（4） 8 bit 分辨率的 PWM 輸出；（5） 內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器；（6） 可以進(jìn)行位置和速度控制；（7） 速度、位置和數(shù)字 PID 控制器參數(shù)可以在控制過程中改變；（8） 實(shí)時(shí)可編程中斷；（9） 可對(duì)增量式光電編碼盤的輸出進(jìn)行 4 倍頻處理； DC 電氣特性 表 1 LM629 DC 電氣特性 Table1 DC Electricity characteristic of the LM629最小值 典型值 最大值 單位供電 V消耗電流 110 mA輸入邏輯高電平 V輸入邏輯低電平 V輸入電流 10 μs μA輸出邏輯高電平 500 V輸出邏輯低電平 V輸出電流 10 10 μA AC 電氣特性表 2 LM629 AC 電氣特性 Table2 AC Electricity characteristic of the LM629 引腳定義 最小值 典型值 最大值 單位輸入時(shí)鐘 fclk 6 6 8 MHz采樣信號(hào)周期 16\fclk μS駐留時(shí)間 8\fclk V時(shí)鐘脈沖寬度 57 nS時(shí)鐘周期 166 nS復(fù)位脈沖寬度 8\fclk μS16圖 14 LM629 引腳定義圖 Lead feet definition of the LM629表 3 LM629 引腳定義 Table3 Lead feet definition of the LM629LM629 引腳 引腳名字 I/O 應(yīng)用說明1 IN Input 編碼 IN 信號(hào)2 A Input 編碼 A 信3 B Input 編碼 B 信411 D7D0 Input 數(shù)據(jù)端口12 CS IO 讀寫片選13 RD Input 讀控制端口14 GND GND 電源地15 WR Input 寫控制端口16 PS Input 數(shù)據(jù)命令的片選控制端口17 HI Output 中斷輸出端口18 PWM_SING Output 方向信號(hào)輸出端口19 PWM_MAG Output PWM 信號(hào)輸出端口2025 NC 不用26 CLK Output 系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)輸入27 RST Output 復(fù)位信號(hào)輸入端口28 VDD Power 電源端口 LM629 工作原理 如圖 4，利用個(gè)增量式光電編碼盤來反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置。來自增量式光電編碼盤的位置信號(hào) A，B 經(jīng) LM629 四倍頻，提高分辨率。 A，B 邏輯狀態(tài)每變化一次， LM629 內(nèi)的位置寄存器加(減)1。編碼盤的 A，B，C 信號(hào)同為低電平時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)Index（見圖 14）信號(hào)送入 Index 寄存器，記錄電動(dòng)機(jī)的絕對(duì)位置。實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制方式： 在位置控制方式時(shí)，單片機(jī)送來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629 利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行軌跡如圖 6（a)所示。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，上述參數(shù)允許更改，產(chǎn)生如圖 6(b)所示的軌跡。 速度控制方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持這個(gè)速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度有擾動(dòng)