DSP芯片TMS320F240和CPLD實現(xiàn)尋路機器人的設計

1、【Word版本下載可任意編輯】 DSP芯片TMS320F240和CPLD實現(xiàn)尋路機器人的設計 在 近的機器人比賽和電子設計競賽中，較多參賽題目要求機器人沿場地內白色或黑色指引線行進。一些研究人員提出了基于尋線的機器人設妙策略，主要是關注指引線的檢測，但對于機器人的整體設計未做說明。本文在總結此類賽事的根底上，提出了一種將DSP(Digital Signal Processor)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)作為 處理器，采用模糊控制策略處理來自檢測指引線傳感器信號的機器人行走機構的通用性設計方法。 1 車體機械設計 由于機器人比賽對參賽機器人有

2、嚴格的尺寸限制，需要在有限的空間內合理安排各個機構。本文給出車體 尺寸時驅動輪、光電傳感器以及控制芯片之間的相對位置，如圖1所示。 機器人采用雙直流步進電機驅動方式，其額定電壓為24V。車體的前后端分別安裝光電傳感器檢測板實現(xiàn)指引線的檢測。相鄰光電傳感器距離略小于指引線寬度，保證同時有兩個傳感器可以檢測到指引線。 2 硬件電路設計 這部分主要介紹 控制器DSP與功能擴展芯片CPLD的連接，簡要介紹其它功能模塊的硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)整體構造如圖2所示。 2.1 控制器設計 從F240的特點可以看出，F(xiàn)240可用于實現(xiàn)復雜控制算法和開展復雜的機器人動作控制。然而根據車體設計方案，需要在車體上安裝20個光

3、電檢測傳感器，占用控制器的20個I/O端口。這樣，F(xiàn)240可用于擴展功能的I/O端口大大減少。機器人在比賽中會有比較劇烈的撞擊，如設計各種功能數(shù)字電路會嚴重降低控制板的可靠性。此處選用Altera公司的EPM7128作為 處理器的擴展、模糊控制的輸入。為滿足DSP與CPLD之間的協(xié)同處理，F(xiàn)240與EPM7128可采用如圖2所示的電路連接。F240的16根數(shù)據線和A12A15共4根地址線連到EPM7128，通過選擇信號、寫信號和讀信號完成對EPM7128的讀寫操作。EPM7128的I/O端口主要在MAX+Plus編程環(huán)境下通過軟件和硬件管腳設置實現(xiàn)。這種DSP+CPLD的構造可以在充分擴展系統(tǒng)

4、功能的同時，使DSP更能發(fā)揮其運算功能強大的特點。 穩(wěn)壓電路主要由LM7805芯片組成;信號輸入電路由微動開關經反相器71HC14后再送往DSP，微動開關輸入電路有去耦電路，輸出信號加上拉電阻;顯示模塊采用MAX7219芯片驅動，八位LED數(shù)碼管，每個LED對應三個I/O端口。 2.2 光電檢測模塊 光電檢測模塊的功能是將指引線準確地檢測出來。此處主要借助反射式光藕TCRT5000。這是一種自帶發(fā)光二極管和光敏三極管的器件，其集電極電流Ic與反射距離d之間有圖3所示關系。 TCRT5000的應用電路見如4所示。當檢測到綠色地面時，由于反射率不高，Ic1太小，三極管T2截止而輸出高電平。當檢測到

5、白色地面時，由于反射率較高，Ic1較大，三極管T2飽和而輸出低電平，從而實現(xiàn)了白線的檢測。555構成了施密特觸發(fā)器，用于去除反射性光耦產生的噪聲和波形的整形。 2.3 動作電機控制電路 在機器人尋線行走過程中，需要完成規(guī)定的動作。這些動作的完成不需要控制相應動作電機的轉速，本文直接利用I/O輸出控制信號驅動固態(tài)繼電器進而使直流電機動作。固態(tài)繼電器選用松下電器公司雙刀雙擲(DPDT)型，型號為DS2Y-S-DC5V。盡管此繼電器控制電壓為5V，可與TTL的邏輯電平相兼容，但一般TTL芯片的輸出電流還達不到其輸入電流40mA。集電極開路的門電路(Open Collector Gate，簡稱OC門)

6、可增大輸出電流，并且繼電器兩控制端的輸入電阻剛好可以作為OC門電路輸出需要的上拉電阻。具體選用具有OC門構造的芯片ULN20*，它是由7個NPN達林頓管組成的高電壓、高電流達林頓驅動器。 因為每個DS2Y-S-DC5V提供兩組常開端口，因此如果在兩組端口的N.O.端口上分別連上電機電源的正極和地，則可以用兩個繼電器實現(xiàn)電機的正反轉。由于繼電器在切換電壓時，繼電器線圈會產生大的反電動勢,需要在繼電器切換電壓的兩端加續(xù)流二極管，以消除切換時的電火花，防止出現(xiàn)大的浪涌電流，減少繼電器產生的電磁干擾。 機器人的設計思想是利用光電檢測傳感器檢測車體偏離指引線的大小來調整左右驅動步進電機的行進速度，使機器

7、人沿指引線行進。這恰好符合模糊控制的思想。 把前后光電檢測板上的光電檢測傳感器編號，將檢測到指引線的編號 的光電檢測傳感器的編號作為車體偏離的距離，編號方法如下表1。這樣，模糊控制器有兩個輸入：前后光電檢測板的輸入編號;模糊控制器有兩個輸出：左右步進電機驅動脈沖數(shù)。 模糊控制器的輸入量的語言值模糊子集選取為：LB，LS，ZO，RS，RB。其中：LB=左大;LS=左小;ZO=中心;RS=右小;RB=右大。輸出量的語言值模糊子集選取為：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。其中：NB=負大;NM=負中;NS=負小;ZO=零;PS=正小;PM=正中;PB=正大。 根據隸屬函數(shù)的定義和選取規(guī)則，輸

8、入變量前部位置iF 和后部位置iB的隸屬度選擇相同，如圖5所示。輸出變量左輪轉速OUL和右輪轉速OUR的隸屬度選擇相同，如圖6所示。 根據多次的實驗和修正，得到如下表2的左輪轉速控制規(guī)則表(右輪的轉速控制規(guī)則表內容與左輪的轉速控制規(guī)則表對應，例如iF為RB、iB為LB時對應的OUL為NB，類似可得到右輪轉速控制規(guī)則表)。模糊推理采用Mamdani法。反模糊化采用重心法， 終得到如下表3所示的左輪轉速控制信號輸出表(右輪轉速控制信號輸出表可用類似于右輪轉速控制規(guī)則表推導的方法得到)。在F240存儲空間中以表格的形式存儲表3，根據輸入可得到相應輸出。 上述模糊信號的獲取通過EPM7128用VHDL

9、語言編程實現(xiàn)，此部分的編程相對簡單，不再贅述。由于光電傳感器信號的改變可以實時反映在CPLD的輸出上，F(xiàn)240只需定時讀取此信號并做相應從處理即可。假設前光電檢測板和后光電檢測板的信號分別保存在RE_CPLD字節(jié)的高半字節(jié)、低半字節(jié)中，若這兩個信號大于10則保持原數(shù)據不變，否則根據信號的大小計算此值在轉速控制信號輸出表中的偏移量： 其中#04h為保存轉速表的頁面，#MATRIXL為轉速表起始地址在頁面中的偏移量，ADDER_PS為查表值相對轉速表起始地址的偏移量。若將查表得到的值變化后保存為控制步進電機轉速的定時器的周期，則可以實時改變步進電機的轉速： 4 步進電機調速的實現(xiàn) 步進電機是純粹的

10、數(shù)字控制電動機。它將電脈沖信號轉換成角位移，即給一個脈沖信號，電機轉一定角度。步進電機控制器的輸入端口有：VDD電機電源正極;GND電源地線;OPTO控制信號的公共陽極;DIR電機方向控制端;FREE脫機輸入端;CP脈沖輸入端(CP停止施加脈沖時，要保證CP為高電平，使內部光耦截止)。此處給DIR端加高電平，使機器人只向前行進，在程序中只需對CP端開展處理。 脈沖的產生通過控制I/O端口的電平變化實現(xiàn)。在設定了定時中斷的各種參數(shù)后，在定時器中斷處理程序中使一個標志字不停地加1： 在主程序中可以設定行走距離，定時中斷的時間間隔決定脈沖的頻率，也即決定步進電機的運動速度： 其中，數(shù)值2 000代表機器人行走的距離單位。利用模糊控制策略，改變控制兩個步進電機的定時器定時周期的長短以及行進的距離，可以實現(xiàn)機器人的尋線行進