【正文】 S3C6410包含了 187個多功能輸入 /輸出端口管腳，這些管腳被分為（ ProtA）GPA（ ProtQ） GPQ17 個端口。 端口的管腳均可以設(shè)置成輸入或輸出本 次設(shè)計 選用端口 GPC 端口 ， GPC 包括管腳 GPC0～ GPC7選用 GPC0～ GPC5 作為控制信號 。 步進(jìn)電機選型為兩相四線型 42BYGH403 其額定電流為 器 ， 驅(qū)動器 HST3525 實現(xiàn)其輸入接口為脈沖信號和轉(zhuǎn)向信號 ，使能端懸空。 用武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 15 S3C2440 驅(qū)動 三 臺 42BYGH403 步進(jìn)電機的物理連接圖如圖 所示 ： 圖 系統(tǒng)接線 其中 S3C6410 的 I/O 輸出高電平為 3． 3V 為了能夠驅(qū)動 HST3525， 需用 3． 3V轉(zhuǎn) 5V 轉(zhuǎn)換電路 ， 其實現(xiàn)如圖 所示當(dāng) GPC0 的輸出是 0 的時候輸出會被拉成 5V 左右當(dāng) GPC0的輸出時 3． 3V 時由于三極管導(dǎo)通此時輸出被拉低成 0， 因此在給出 GPC 的輸出時還要注意將電平進(jìn)行反轉(zhuǎn) 。 圖 5V電路圖 USER IO 接口 USER IO口 為 OK6410開發(fā)板的擴(kuò)展口。（用到的 IO 口） GND GND SPIMOSIO3 – GPC2 SPICS0 GPC3 SPICLK0 GPC1 SPIMISCO0 GPC0 SPICS1 GPC7 SPIMISO1 GPC4 SPIMOSI1 GPC6 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 16 圖 USER IO SPICLK1 GPC5 UART 串口電路 本次設(shè)計使用 UART 接口實現(xiàn) RS232 通信的硬件電路。 S3C6410 的 UART 接口為 LVTTL 電平，邏輯“ 1”是高電平 2~，邏輯“ 0”是低電平 0~。而 RS232 接口的電平范圍是 15~+15V，采用負(fù)邏輯，即邏輯“ 1”為 3~15V，邏輯“ 0”為 +3~+15V。要使二者之間進(jìn)行正常通信，就必須要通過一個電平轉(zhuǎn)換電路將 TTL 高電平表示的“ 1”轉(zhuǎn)換成 RS232 的負(fù)電壓信號，把 TTL 低電平表示的“ 0”轉(zhuǎn)換成 RS232 的正電壓信號。在本設(shè)計中采用常見的電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX202 來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換， UART0 的電平轉(zhuǎn)換電路如圖 所示。 TXD0、 RXD0 分別連接 S3C6410 的 GPA GPA0。 RTSN0 與 CTSN0 為自動流量控制，本次設(shè)計沒有用到自動流量控制，在 UNCON0 寄存器中禁止自動流量控制。 圖 UART串口電路 按鍵電路 接有 10K 的上拉電阻，按下按鍵 I/O 口為低電平， GPNDAT 寄存器數(shù)據(jù)為 0。電路如圖 所示。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 17 圖 按鍵電路 三自由度 Delta 機器人位置分析 Delta 機器人機構(gòu)簡介 Delta 機器人由靜平臺（上平臺）、動平臺（下平臺）、 3 根主動桿、 3 個平行四邊形從動支鏈組成（結(jié)構(gòu)如圖 ）。基座平臺的三邊通過三條相同的運動鏈分別連接到運動平臺的三條邊上。每條運動鏈中有一個由四個球鉸與桿件組成的平行四邊形閉環(huán)，此閉環(huán)再與一個帶轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動臂相串聯(lián)，驅(qū)動臂的一端固定在靜平臺上，在電動機的驅(qū)動下作一定角度的反復(fù)擺動。這三條運動鏈決定了運動平臺的運動特性。運動平臺不能繞任何軸線旋轉(zhuǎn)，但可以在直角坐標(biāo)空間沿x,y,z 三個方向平移運動，即具有三個自由度 [12]。分析該機構(gòu) ,容易知道該機構(gòu)具有局部冗余自由度 ,即球鉸之間的連桿可以繞自身軸轉(zhuǎn)動，計算自由度時將四個球鉸中的兩個按虎克鉸考慮，以便消除局部自由 度的影響。 圖 Delta 機器人機構(gòu)圖 計算空間機構(gòu)自由度 KutzbachGrubler 公式可知： 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 18 式中： n 為機構(gòu)桿件數(shù)； g 為運動副個數(shù)； 為所有運動副自由度之和。得出 位置反解分析 求解位置反解即給定運動平臺的中心點在基座坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，求解基座平臺的三個控制電機的旋轉(zhuǎn)角度，也就是三個驅(qū)動臂對基座平臺的張角。運動學(xué)逆問題的求解是機器人控制的關(guān)鍵，因為只有使各關(guān)節(jié)變量按反解中求得的值運動，才能使末端操作器達(dá)到所要求的位姿。 為了方便求解三自由度平臺的空間位置關(guān)系，研究平臺的運動規(guī)律，需要將機構(gòu)稍加改造?？紤]到運動平臺只有平動而無轉(zhuǎn)動，相對靜平臺姿態(tài)固定，機構(gòu)中所有平行四邊形框架始終為平面四邊形，不會扭曲為空間四邊形。在此條件下，平行四邊形左右兩邊的運動與上下兩邊中點的連線的運動完全相同。 因此，在運動分析時，可以將機構(gòu)精簡為圖 所示。 固定平臺是為以 O 為中心，動平臺為以 為中心。三根主動桿為圖中的 ，長度均為 Lb；從動桿為圖中 ,長度均為 La。首先，為了計算方便，建立運動模型圖如圖 所示。由圖可以看出，在固定平臺上建立坐標(biāo)系 OX Y Z，動平臺上建立坐標(biāo)系 ，為電機驅(qū)動臂對基座平臺的張角。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 19 圖 結(jié)構(gòu)示意圖 設(shè)， ， ，則點 在坐標(biāo)系 OX Y Z 中的位置矢量為： 其中， 。 也可以得到點 在坐標(biāo)系 中的位置矢量： 其中， 。 根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系，則 點在坐標(biāo)系 OX Y Z 中的位置矢量為： 假設(shè)矢量 在坐標(biāo)系 OX Y Z 中 ,則矢量 在坐標(biāo)系 OX Y Z可表示為： 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 20 因此，根據(jù) ，可推導(dǎo)出下列公式： (1) 為運動學(xué)逆解公式。上式整理簡化，得 . (2) 。 式中均為已知量，所以等式 (2)即為關(guān)于 的一元二次方程。 因此，當(dāng)給定機器人運動平臺的位置根據(jù)下式直接可求出電機的輸入，即驅(qū)動臂的張角。 式 (3)中的經(jīng)一系列的計算后可得到： 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 21 位置反解數(shù)值算例 通過上面的分析得到了 Delta 三自由度并聯(lián)機器人的位置反解計算公式，下面就以本次設(shè)計的 Delta 機器人的機構(gòu)參數(shù)進(jìn)行實例計算。 本次設(shè)計 Delta 機器人機構(gòu)各參數(shù)為： R = 42mm， r = 18mm， La = 243mm，Lb = 120mm，動平臺的位置 (x,y,z) = (50,50,100)(mm),經(jīng)計算得： 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 22 A1 = B1 = C1 = A2 = B2 = C2 = A3 = B3 = 148 C3 = 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 23 3 控制系統(tǒng)實現(xiàn) 控制系統(tǒng)控制流程 圖 控制系統(tǒng)流程圖 工作總流程： 用戶輸入坐標(biāo)命令傳遞給解算函數(shù)，解算函數(shù) (x,y,z） (α ,β ,γ )，經(jīng)解算函數(shù)反解后將所需運轉(zhuǎn)步數(shù)傳遞到串口，串口將命令更新保存在機器狀態(tài)中。每 2ms 機械運動控制程序運行一次，判斷 步進(jìn)電機 還需運轉(zhuǎn)步數(shù)及方向，傳遞給電機驅(qū)動，步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，機械臂移動到對應(yīng)坐標(biāo)點。 S3C6410 初始化 S3C6410 的啟動代碼的作用為硬件的初始化及調(diào)用 C 函數(shù)。硬件初始化流程如圖 所示。 用戶 PC 串口服務(wù)程序 機械運動控制程序（中斷內(nèi)） 坐 標(biāo) 反 解 解 算 函 數(shù)(x,y,z)=(α ,β ,γ ) 步進(jìn)電機驅(qū)動程序（定時中斷內(nèi)） 步進(jìn)電機驅(qū)動 步進(jìn)電機驅(qū)動 步進(jìn)電機驅(qū)動 步進(jìn)電機 1 步進(jìn)電機 2 步進(jìn)電機 3 機械結(jié)構(gòu) 反饋 S3C6410 判斷步進(jìn)電機運動方向與所需運動步數(shù) 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 24 圖 S3C6410 初始化流程 看門狗是 S3C6410 內(nèi)的一個定時器，其作用是在 CPU 啟動后， 3s 內(nèi)若無任何對看門狗寄存器的操作將會強制復(fù)位系統(tǒng)。所以在硬件初始化是需要往0x7E004000（ WTCON）地址寫 0，關(guān)閉看門狗。 S3C6410 內(nèi)有 8K 的片內(nèi)內(nèi)存，上電后從 0 地址開始運行，但是本次設(shè)計的代碼大于 8K，程序無法完整復(fù)制至片內(nèi)內(nèi)存，需要將程序從 NAND flash 中復(fù)制到 DDR 內(nèi)運行。上電后從 NAND flash 復(fù)制 8K程 序到片內(nèi)內(nèi)存， 在這 8K 程序中，必須完成硬件初始化、 DDR 初始化和程序從 NAND flash 中拷貝到 DDR 中，這樣才能保證 S3C6410 CPU程序可以跳轉(zhuǎn)到 DDR，保證程序的順利進(jìn)行 ，具體流程如圖 所示 。 圖 程序復(fù)制至 DDR DDR 內(nèi)存初始化 程序的重定位 程序復(fù)制至 DDR 內(nèi)存 清除 BSS 段 Start 跳轉(zhuǎn)至 reset 關(guān)閉看門狗 設(shè)置棧 8K 初始化時鐘、 DDR、串口 代碼重定位 將程序從 NAND Flash復(fù)制到 DDR 內(nèi)存 清除 BSS 段 中斷初始化 打開中斷，進(jìn)入user mode bl main() 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 25 DDR 內(nèi)存的初始化在 8K片內(nèi)內(nèi)存進(jìn)行，還未進(jìn)行重定位，只能用位置無關(guān)命令進(jìn)行初始化。初始化包括使能時鐘、預(yù)充電、自刷新，初始化完成后才能進(jìn)入讀寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。 程序重定位是把代碼段、數(shù)據(jù)段復(fù)制到鏈接地址去，實現(xiàn)如下： adr r0, _start /* 獲得 _start 指令當(dāng)前所在的地址 : 0*/ ldr r1, =_start /* _start 的鏈接地址 0x51000000 */ ldr r2, =bss_start /* bss 段的起始鏈接地址 */ sub r2, r2, r1 程序從 NAND flash 復(fù)制到 DDR 內(nèi)存用 copy2ddr 函數(shù)實現(xiàn)，在進(jìn)行復(fù)制之前需要調(diào)用 nand_init()函數(shù)對 NAND flash 進(jìn)行初始化。 在 Linux 系統(tǒng)中交叉編譯得到的 .bin 文件是沒有 BSS 段的，因此需要清除BSS 段， BSS 段主要存儲未復(fù)制或值為 ’0’的全局變量。具體方法為向 BSS 段寫 ’0’實現(xiàn)內(nèi)存清零。 clean_bss: clean_loop: ldr r0, =bss_start str r3, [r0], 4 ldr r1, =bss_end cmp r0, r1 mov r3, 0 bne clean_loop cmp r0, r1 ldr pc, =on_ddr ldreq pc, =on_ddr 中斷初始化完成按鍵中斷和 UART串口中斷的初始化，分別調(diào)用 key_irq_init()和 uart_irq_init()兩個函數(shù)完成。還要對 CPSR 寄存器第 7 位和 M[4:0]進(jìn)行設(shè)置，如圖 所示。第 7 位置 ’1’使能 IRQ 中斷，設(shè)置 M[4:0]進(jìn)入用戶模式。 mrs r0, cpsr bic r0,r0,0x9f /* 清 cpsr 的 I 位 ,M4~M0 */ orr r0,r0,0x10 msr cpsr,r0 /* 進(jìn)入 user mode */ 圖 CPSR 寄存器格式 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 26 中斷控制的實現(xiàn) 圖 中斷控制流程圖 按鍵中斷實現(xiàn)驅(qū)動信號頻率的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)速度。每按一下按鍵，發(fā)生一次中斷。對頻率進(jìn)行一定數(shù)值的調(diào)節(jié)（增加或減少）。 UART 中斷實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)少于 16 byte，發(fā)生中斷，從環(huán)形緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū)。 按下按鍵或 UART 發(fā)送緩沖區(qū)少于 16byte 時發(fā)生中斷。 CPU進(jìn)入中斷模式，把之前保存的 CPSR 復(fù)制到 SPSR_irq 中，后 r1 r14 切換到 r13_irq、 r14_irq 寄存器， 把下一條指令存到 r14(lr)_irq 寄存器中。 開始 中斷初始化： irp_init() 設(shè)置 GPN 引腳為外部中斷。 清除 cpsr 寄存器 I 位，打開中斷開關(guān)，進(jìn)入 user mode。 保存現(xiàn)場 處理中斷 異 bl do_irq 按鍵調(diào)節(jié) PWM 恢復(fù)現(xiàn)場 發(fā)生中斷 分 辨中斷 按鍵中斷，調(diào)用 ent0~3() UART中斷，調(diào)用 do_uart_irq() UART 發(fā)送數(shù)據(jù) 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 27 保存現(xiàn)場 如果不做保存處理，那麼即使以后能按斷點地址返回到被中斷程