機器人技術(shù)第4章課件

1、第4章 MT-U智能機器人的三大要素第4章 MT-U智能機器人的三大要素4.1 智能機器人的三大要素人對周圍環(huán)境的反應(yīng)過程主要是感覺大腦思考、分析做出反映，機器人也是通過這個過程進行信息處理。智能機器人的三大要素是感覺、大腦與驅(qū)動器。機器人感覺是各種不同的傳感器，機器人的大腦是中央處理器（CPU），機器人驅(qū)動器是各種接口驅(qū)動電路。MT-U智能機器人配有多個不同功能的傳感器，還可以根據(jù)需要擴展其他傳感器，對環(huán)境有很強的感知能力。以感知環(huán)境的能力為基礎(chǔ)，MT-U智能機器人能產(chǎn)生許多智能行為。MT-U智能機器人通過中央處理器（CPU）來思維，我們采用的是TI公司2000系列中功能最強、集成功能最全的

2、高檔DSP處理器。它的可靠性很高，集成功能很強，有程序自下載功能。MT-U智能機器人連上串口線就可自動下載程序。4.1 智能機器人的三大要素人對周圍環(huán)境的反應(yīng)過程主要是感覺MT-U智能機器人具有很強的人機交互功能，通過精致的液晶屏和按鍵組合，可以讓操作者和機器人之間方便交流，實現(xiàn)對其運行的控制。計算機硬件決定了機器的極限潛能，去開發(fā)這種潛能是軟件的工作。我們?yōu)橛脩籼峁┝私换ナ綀D形化編程C語言/匯編語言流程圖，它使開發(fā)MT-U智能機器人的高層行為充滿了樂趣。有的底層的驅(qū)動軟件因與硬件緊密相關(guān)或?qū)崟r要求很高，需要用匯編語言來處理。MT-U智能機器人的執(zhí)行器有：兩個高性能直流電動機；一個揚聲器；一個

3、12864字符的液晶顯示器。MT-U智能機器人主控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖4-2是MT-U智能機器人擴展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。MT-U智能機器人具有很強的人機交互功能，通過精致的液晶屏和DSP機器人控制器下載端口1.4Ah鋰電池外接電源復(fù)位信號放大信號處理放大揚聲器MIC輸入反接保護充電回路放電回路過電流保護顯示控制單片機雙機通信緩沖器用戶調(diào)整控制按鈕下載運行欠電壓指示下載/電源指示直流有刷電動機驅(qū)動器（自帶電源穩(wěn)壓功能，最大輸出電壓12V,最大連續(xù)功率24W,過電流、過熱保護）直流有刷電動機驅(qū)動器（自帶電源穩(wěn)壓功能，最大輸出電壓12V,最大連續(xù)功率24W,過電流、過熱保護）6W直流有刷電動機6W直

4、流有刷電動機正交光電編碼器正交光電編碼器擴展電源擴展總線12864藍(lán)色LCD顯示屏圖4-1 MT-U智能機器人主控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)DSP下載端口1.4Ah外接電源復(fù)位信號放大信號處理放大揚聲擴展系統(tǒng)主控制器CPLD擴展總線接口擴展卡級連6路DI2路串口CAN總線接口擴展總線接口擴展電源接口擴展電源接口5V電源擴展5路DOMT-U標(biāo)準(zhǔn)總線接口MT-U標(biāo)準(zhǔn)總線接口MT-U標(biāo)準(zhǔn)總線接口數(shù)字量輸入傳感器MT-U標(biāo)準(zhǔn)總線接口數(shù)據(jù)線：D0D7片選信號線讀寫信號線SPI總線IIC總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線數(shù)字量控制信號輸出8路A-D模擬量輸入傳感器圖4-2 MT-U智能機器人擴展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擴展系統(tǒng)主控制器擴展總

5、線接口擴展卡級連6路DI2路串口CAN4.2 MT-U智能機器人的傳感器及其處理電路4.2.1 碰撞傳感器碰撞傳感器是使MT-U智能機器人有感知碰撞環(huán)上的碰撞信息能力的傳感器。在MT-U智能機器人的前、左前、右前設(shè)置有三個碰撞開關(guān)（常開），它們與碰撞環(huán)一起構(gòu)成了碰撞傳感器（見圖4-3），可以通過擴展在機器人的后、左后、右后設(shè)置三個碰撞開關(guān)。碰撞環(huán)與底盤柔性連接，在受力后與底盤產(chǎn)生相對位移，觸發(fā)固連在底盤上相應(yīng)的碰撞開關(guān)，使之閉合。碰撞傳感器方位如圖4-4所示。圖4-3 碰撞開關(guān)前右左后前右后右后左前左圖4-4 碰撞傳感器方位4.2 MT-U智能機器人的傳感器及其處理電路4.2.1 1應(yīng)用我們在

6、流程圖環(huán)境中，編寫一個碰撞檢測程序，來理解如何在程序中使用碰撞開關(guān)。流程圖圖形編輯界面參見圖4-5所示。1）程序含義：前方無碰撞，向前行走，有碰撞，向后退，延時，然后繼續(xù)向前行走。2）進入流程圖的圖形化編程界面，將“控制邏輯”中的“while”模塊拖入到流程圖生成區(qū)并與“主程序”相連；3）將“數(shù)字信號輸入”庫中“DI2”模塊連接到循環(huán)內(nèi)部；4）將“控制邏輯”中的“if”模塊連接到循環(huán)內(nèi)部；5）鼠標(biāo)右鍵單擊“if”模塊，打開屬性，先清空表達(dá)式，左值“DI_2”，運算符“= =”，右值“0”（0表示碰撞開關(guān)未閉合），單擊“添加與條件”或者“添加或條件”，單擊“確定”；6）將“執(zhí)行模塊”中的“直行”

7、模塊連接到程序中；1應(yīng)用7）鼠標(biāo)右鍵設(shè)置“直行”模塊，設(shè)置速度（正值：向前行走；負(fù)值：向后行走，范圍：-1000+1000）；8）將“執(zhí)行模塊”中的“WAIT”模塊連接到程序中；9）鼠標(biāo)右鍵設(shè)置“WAIT”模塊，單位“毫秒”；10）完成碰撞檢測程序的編寫；11）下載并運行此程序。上面我們使用的是流程圖的圖形編程方式編的程序，如果用C語言編寫以上的程序，打開并選擇C語言界面，輸入圖4-5右邊所顯示的代碼，然后編譯、下載、運行。7）鼠標(biāo)右鍵設(shè)置“直行”模塊，設(shè)置速度（正值：向前行走；負(fù)值圖4-5 碰撞檢測程序流程圖4-5 碰撞檢測程序流程2安裝碰撞傳感器的接線圖如圖4-6所示，圖4-7是碰撞傳感器

8、的插座位置圖。 用戶在使用時只需將碰撞開關(guān)的插頭以正確的方向插入對應(yīng)的插座即可。DI1DI2DI3碰撞開關(guān)1碰撞開關(guān)2碰撞開關(guān)3圖4-6 碰撞傳感器的接線圖2安裝DI1DI2DI3碰撞開關(guān)1碰撞開關(guān)2碰撞開關(guān)3圖4DI1DI2DI6圖4-7 碰撞傳感器的插座位置圖DI1DI2DI6圖4-7 碰撞傳感器的插座位置圖3原理到此，碰撞傳感器已經(jīng)能夠被用戶直接使用。但是，對應(yīng)于每一個方向的碰撞，用戶怎樣得到不同方向碰撞開關(guān)的狀態(tài)呢？在MT-U智能機器人里，各個碰撞開關(guān)分別對應(yīng)接在圖4-7所示的擴展板上，前右、前、前左、后左、后、后右分別接在DI1DI6，通過判斷DI函數(shù)各通道的返回值得到不同方向碰撞開

9、關(guān)的狀態(tài)。碰撞傳感器的電路原理如圖4-8所示。3原理4.2.2 遠(yuǎn)紅外線傳感器MT-U智能機器人標(biāo)準(zhǔn)配置上采用2只遠(yuǎn)紅外光電接收二極管（7001000nm）構(gòu)成紅外傳感系統(tǒng)（見圖4-9），主要用來檢測左前方和右前方的熱源，檢測距離范圍為01m。用戶可以通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)遠(yuǎn)紅外線傳感器靈敏度。AnodeKathode4.2.2 遠(yuǎn)紅外線傳感器AnodeKathode遠(yuǎn)紅外線傳感器將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，在電阻上產(chǎn)生電壓，通過A-D 轉(zhuǎn)換器反映為01023 范圍內(nèi)的數(shù)值。外界紅外光越強，數(shù)值越小。因此越靠近熱源，機器人顯示讀數(shù)越小。根據(jù)函數(shù)返回值的變化能判斷紅外光線的強弱，從而能大致

10、判別出熱源的遠(yuǎn)近。注意：由于遠(yuǎn)紅外火焰探頭工作溫度為25+85,存放溫度為30100，超過以上溫度范圍，遠(yuǎn)紅外火焰探頭可能會出現(xiàn)工作失常甚至損壞，所以在使用過程中應(yīng)注意火焰探頭離熱源的距離不能太近，以免造成損壞。遠(yuǎn)紅外線傳感器探測角度為60，如圖4-10所示，測試時最好讓熱源處于探頭的檢測范圍內(nèi)。60遠(yuǎn)紅外線傳感器將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，在電阻上產(chǎn)1安裝遠(yuǎn)紅外線傳感器的接線方式如圖4-11所示。通過用M3的螺釘將傳感器固定在機器人擴展支架上，然后連接到擴展板的模擬量輸入接口AD1AD8，如圖4-12所示。1安裝通過用M3的螺釘將傳感器固定在機器人擴展支架上，然后AD1AD8圖4-1

11、2 模擬量輸入（A-D）接口插座位置AD1AD8圖4-12 模擬量輸入（A-D）接口插座位置2應(yīng)用我們在流程圖環(huán)境中，編寫一個火焰檢測程序，來理解如何在程序中使用遠(yuǎn)紅外線傳感器的用法。流程圖圖形編輯界面參見圖4-13。程序含義：向火焰方向前行，當(dāng)距離火焰小于一定距離，機器人停止運行。2應(yīng)用圖4-13 遠(yuǎn)紅外線傳感器流程圖程序圖4-13 遠(yuǎn)紅外線傳感器流程圖程序3原理圖4-14為紅外線傳感器的電路原理圖。3原理4.2.3 光敏傳感器MT-U智能機器人上有2個光敏傳感器（見圖4-15），它可以檢測到光線的強弱。圖4-15 光敏傳感器4.2.3 光敏傳感器圖4-15 光敏傳感器光敏傳感器其實是一個光

12、敏電阻，光敏電阻的電極如圖4-16所示，它的阻值受照射在它上面的光線強弱的影響。MT-U智能機器人所用的光敏電阻的阻值在很暗的環(huán)境下為75k，室內(nèi)照度下為幾千歐姆，陽光或強光下為幾十歐姆。 圖4-16 光敏電阻的電極光敏傳感器其實是一個光敏電阻，光敏電阻的電極如圖4-16所示1安裝光敏傳感器是一個可變的電阻，它的接插方式?jīng)]有方向性，在擴展板上的位置如圖4-17所示。AD2AD41安裝AD2AD42應(yīng)用如果我們要在流程圖環(huán)境中，編寫一個光敏檢測程序，可以參照圖4-13 遠(yuǎn)紅外傳感流程圖程序的編輯方法。3原理圖4-18是光敏電阻電路原理圖，光線越強，電壓輸出越低，采集到的值越小，變化范圍：0102

13、3。2應(yīng)用4.2.4 傳聲器MT-U智能機器人上的傳聲器（microphone）是能夠識別聲音聲強大小的聲音傳感器，如圖4-19所示。4.2.4 傳聲器傳聲器采集到的信號通過LM386進行放大，放大倍數(shù)為200，輸出信號接至MIC（AD8）。返回值為01023。電路原理如圖4-20所示。傳聲器采集到的信號通過LM386進行放大，放大倍數(shù)為200，4.2.5 光電編碼器光電編碼器是一種能夠傳遞位置信息的傳感器，它由光電編碼模塊及碼盤組成（見圖4-21）。MT-U智能機器人有2個光電編碼器，運用反射式紅外發(fā)射接收模塊。反射器（即碼盤）是黑白相間的鋁合金制成的圓片，40等分。當(dāng)碼盤隨輪子旋轉(zhuǎn)時，黑條

14、和白條交替經(jīng)過光電編碼器，反饋的信號狀態(tài)不同，即構(gòu)成一個脈沖。因此360共產(chǎn)生20個脈沖，因為這里的碼盤是A、B相的，兩相相差1/4個周期，所以實際一個周期得到的是40個脈沖，經(jīng)過2倍頻后，一周得到的脈沖數(shù)目80，所以輪子轉(zhuǎn)一周，我們讀到的編碼器數(shù)據(jù)為80。機器人輪子直徑為64mm。4.2.5 光電編碼器a)A、B相碼盤 b)編碼器電路板圖4-21 碼盤及光電編碼傳感器 a)A、B相碼盤 b)1安裝碼盤裝在輪子的內(nèi)側(cè)，通過四芯電線連接到驅(qū)動器的四芯插座上，如圖4-22所示。編碼器插座1安裝編碼器插座2原理光電編碼器原理上也是靠發(fā)射與接收紅外光來工作的。MT-U智能機器人上用的光電編碼器芯片集成

15、了發(fā)射與接收功能。光電編碼器的工作原理如圖4-23所示。a)無返回信號 b)有返回信號 c)反射型紅外光電傳感器圖4-23 光電編碼器的工作原理圖 2原理a)無返回信號 b)有返回信號 從圖4-23中可以看出：紅外光射在黑色輻條上時沒有反射信號，因為紅外光大部分已經(jīng)被黑色輻條吸收；當(dāng)紅外光射在白色輻條上時有反射信號，因為紅外光在白輻條上反射強烈，電路原理如圖4-24所示。從圖4-23中可以看出：紅外光射在黑色輻條上時沒有反射信號，4.2.6 其他傳感器MT-U智能機器人還能集成很多其他的傳感器，插在MTBUS（參見4.7節(jié)）上即可使用。下面作簡單介紹。1. 熱釋電傳感器熱釋電傳感器對移動的人體

16、熱源敏感，可以探測幾米外的人體。MT-U智能機器人裝上1個或幾個熱釋電傳感器后，你可以讓他一看見你，就向你迎過來，讓他跟著你走。2. 超聲傳感器超聲傳感器是機器人測距的專業(yè)傳感器，測量距離一般為0.26m，測量精度為1%，是測量聲波發(fā)射與收到回波之間的時間差來測量距離的。運用MT-U智能機器人本體上帶的傳感器在房間里找到門不容易，但運用聲納對房間掃描一周后，就能較方便找到房門。4.2.6 其他傳感器3. 連續(xù)測距紅外線傳感器SHARP公司推出了創(chuàng)新的GP2D02/GP2D12連續(xù)測距紅外線傳感器，測量范圍為1080cm，參加滅火比賽時，用它來找房間門非常棒。4. 數(shù)字指南針自主機器人的導(dǎo)航至今

17、仍是世界性難題，借助數(shù)字指南針，可以使MT-U智能機器人辨別方向。5. 溫度傳感器想讓機器人動態(tài)告訴你氣溫嗎？加一個溫度傳感器是個好方法。6. 無線視覺傳感器用MT-U智能機器人來作移動的監(jiān)視平臺。你可以在MT-U智能機器人上安裝無線攝像頭，把視頻信號發(fā)射出來，用PC機接收后進行圖像處理。3. 連續(xù)測距紅外線傳感器7. 紅外避障傳感器用來探測的不同方向的障礙物，可以使機器人有效的避開障礙物，如圖4-25所示。紅外接收紅外發(fā)射7. 紅外避障傳感器紅外接收紅外發(fā)射紅外發(fā)射端口接在數(shù)字輸出端口DO1DO3上；紅外接收端口接在數(shù)字輸入端口DI6上；使用函數(shù)unsigned int IR_CONTROL

18、(unsigned int IN_CHAN,unsigned int OUT_CHAN)。 還有許多傳感器，可以讓MT-U智能機器人擁有特殊本領(lǐng)。大部分傳感器可以方便地運用MTBUS接在MT-U智能機器人上，并用C語言來編驅(qū)動程序。MT-U智能機器人的魅力在于你能控制所有的資源，直接領(lǐng)悟信息采集與處理的機制，以及處理現(xiàn)實情況的復(fù)雜性和難以預(yù)測性。紅外發(fā)射端口接在數(shù)字輸出端口DO1DO3上；4.3 MT-U智能機器人的計算機硬件MT-U智能機器人計算機硬件的設(shè)計策略是盡量選擇高速、功能齊全、可靠、周邊設(shè)備集成度高的微控制器。MT-U智能機器人微控制器采用TI公司生產(chǎn)的高速數(shù)字信號處理器TMS32

19、0LF2407A。同時，充分考慮到軟件開發(fā)工具問題。因為沒有優(yōu)秀方便的軟件開發(fā)工具，硬件只能成為專有系統(tǒng)，而無法成為開發(fā)平臺。公司創(chuàng)新性的在DSP 2407A上實現(xiàn)的自下載功能，使我們擁有了純軟件開發(fā)調(diào)試的優(yōu)秀工具C語言。C語言既可用于開發(fā)高層應(yīng)用軟件，又便于開發(fā)低層驅(qū)動，還能交互調(diào)試，同時還兼容了匯編語言的編程功能。4.3 MT-U智能機器人的計算機硬件MT-U智能機器人計算4.3.1 微控制器TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP專為實時信號處理而設(shè)計，該系列DSP將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，適合于應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。TMS320系列中TMS320LF2407A是 TI公司最新推出

20、的高性能 16位DSP，是240X家族中的新成員，是定點DSP C2000平臺系列中的一員，專門為電動機控制與運動控制數(shù)字化優(yōu)化實現(xiàn)而設(shè)計。它集C2XX內(nèi)核增強型TMS320設(shè)計結(jié)構(gòu)及適用于控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體，CPU內(nèi)部采用增強型哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線作業(yè)，相對于過去的16的微處理器和微控制器，具有更高的性能和可靠性。主控制CPU是TQFP封裝，具有 144個引腳，如圖4-26所示。4.3.1 微控制器機器人技術(shù)第4章課件1. CPUTMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定點低功耗內(nèi)核。體系結(jié)構(gòu)采用四級流水線技術(shù)加快程序的執(zhí)行，可在一個處理周期

21、內(nèi)完成乘法、加法和移位運算。其中央算術(shù)邏輯單元（CALU）是一個獨立的算術(shù)單元，它包括一個32位算術(shù)邏輯單元（ALU）、一個32位累加器、一個1616位乘法器（MUL）和一個16位桶形移位器，同時乘法器和累加器內(nèi)部各包含一個輸出移位器。完全獨立于CALU的輔助寄存器單元（ARAU）包含八個16位輔助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同時執(zhí)行八個輔助寄存器（AR7至AR0）上的算術(shù)運算。兩個狀態(tài)寄存器ST0 和ST1用于實現(xiàn)CPU各種狀態(tài)的保存。TMS320LF2407A采用增強的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部具有六條16位總線，即程序地址總線（PAB）、數(shù)據(jù)讀地址總線（DRAB）、數(shù)據(jù)寫地址總線（DWA

22、B）、程序讀總線（PRDB）、數(shù)據(jù)讀總線（DRDB）、數(shù)據(jù)寫總線（DWEB），其程序存儲器總線和數(shù)據(jù)存儲器總線相互獨立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，因此CPU的讀/寫可在同一周期內(nèi)進行，這種高速運算能力使自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等復(fù)雜控制算法得以實現(xiàn)。1. CPU2. 存儲器配置 TMS320LF2407A地址映象被組織為三個可獨立選擇的空間：程序存儲器（64KB）、數(shù)據(jù)存儲器（64KB）、輸入/輸出（I/O）空間（64KB）。這些空間提供了共192KB的地址范圍。 其片內(nèi)存儲器資源包括544B16位的雙端口數(shù)據(jù)/程序DARAM、2KB16位的單端口數(shù)據(jù)/程序SARAM、片內(nèi)

23、32KB16位的Flash程序存儲器、256B16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可編程加密特性。TMS320LF2407A的指令集有三種基本的存儲器尋址方式：立即尋址方式、直接尋址方式、間接尋址方式。主控制器DSP存儲器分布如圖4-27所示。2. 存儲器配置 機器人技術(shù)第4章課件3. 事件管理器模塊TMS320LF2407A包含兩個專用于電動機控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器（GP）、全比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。（1）通用定時器 TMS320LF2407A共有四個16位通用定時器，可用于產(chǎn)生采樣周期，作為全比較單元產(chǎn)生PWM

24、輸出以及軟件定時的時基。通用定時器有四種可選擇的操作模式：停止/保持模式、連續(xù)增計數(shù)模式、定向增/減計數(shù)模式和連續(xù)增/減計數(shù)模式。每個通用定時器都有一個相關(guān)的比較寄存器TxCMPR和一個PWM輸出引腳TxPWM。每個通用定時器都可以獨立地用于PWM輸出通道，可產(chǎn)生非對稱或?qū)ΨQPWM波形，因此，四個通用定時器最多可提供4路PWM輸出。3. 事件管理器模塊（2）全比較單元 TMS320LF2407A的每個事件管理器模塊有3個全比較單元（1、2和3（EVA）；4、5和6（EVB），每個比較單元各有一個 16位比較寄存器 CMPRx，各有兩個CMP / PWM輸出引腳，可產(chǎn)生2路 PWM輸出信號控制功

25、率器件，其輸出引腳極性由控制寄存器 (ACTR)的控制位來決定，根據(jù)需要，選擇高電平或低電平作為開通信號，通過設(shè)置T1為不同工作方式，可選擇輸出對稱PWM波形、非對稱PWM波形或空間矢量PWM波形。 死區(qū)控制單元 (DBTCON)用來產(chǎn)生可編程的軟件死區(qū)，使得受每個全比較單元的兩路CMP / PWM輸出控制的功率器件的間次開啟周期間沒有重疊，最大可編程的軟件死區(qū)時間達(dá)16s。 （2）全比較單元 TMS320LF2407A的每個事件管理（3）正交編碼脈沖電路 正交編碼脈沖（QEP）電路可以對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交編碼脈沖進行解碼和計數(shù)，可以直接處理光電編碼盤的2路正交

26、編碼脈沖，正交編碼脈沖包含兩個脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期（90）的固定相位偏移，對輸入的2路正交信號進行鑒相和4倍頻。通過檢測2路信號的相位關(guān)系可以判斷電動機的正/反轉(zhuǎn)，并據(jù)此對信號進行加/減計數(shù)，從而得到當(dāng)前的計數(shù)值和計數(shù)方向，即電動機的角位移和轉(zhuǎn)向，電動機的角速度可以通過脈沖的頻率測出。（4）捕獲單元 捕獲單元用于捕獲輸入引腳上信號的跳變，兩個事件管理器模塊總共有六個捕獲單元。EVA模塊有三個捕獲單元引腳CAP1、CAP2和CAP3，它們可以選擇通用定時器1或2作為時基，但CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時器作為時基；EVB模塊也有三個捕獲單元引腳CAP4、CAP5和CAP6

27、，它們可以選擇通用定時器3或4作為時基，但CAP4和CAP5一定要選擇相同的定時器作為時基。每個單元各有一個兩級的FIFO緩沖堆棧。當(dāng)捕獲發(fā)生時，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置位，并向CPU發(fā)中斷請求。（3）正交編碼脈沖電路 正交編碼脈沖（QEP）電路可以對引4. 片內(nèi)集成外設(shè) TMS320LF2407A片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計的元器件數(shù)量。（1）串行通信口 TMS320LF2407A設(shè)有一個異步串行外設(shè)通信口（SCI）和一個同步串行外設(shè)通信口（SPI），用于與上位機、外設(shè)及多處理器之間的通信。SCI即通用異步收發(fā)器（UART）支持 RS-232和RS-485的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全雙工通信模式，用來

28、與上位機的通信；SPI可用于同步數(shù)據(jù)通信，典型應(yīng)用包括TMS320LF2407A之間構(gòu)成多機系統(tǒng)和外部I/O擴展。（2）A-D轉(zhuǎn)換模塊 TMS320LF2407A包括兩個帶采樣/保持的各8路10位A-D轉(zhuǎn)換器，具有自動排序能力，一次可執(zhí)行最多16個通道的自動轉(zhuǎn)換，可工作在8個自動轉(zhuǎn)換的雙排序器工作方式或一組16個自動轉(zhuǎn)換通道的單排序器工作方式。A-D轉(zhuǎn)換模塊的啟動可以有事件管理器模塊中的事件源啟動、外部信號啟動、軟件立即啟動等三種方式。4. 片內(nèi)集成外設(shè) （3）控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN） 控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）是現(xiàn)場總線的一種，主要用于各種設(shè)備的監(jiān)測及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制

29、器模塊是一個16位的外設(shè)模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協(xié)議，6個郵箱(其中0、1用于接收；4、5用于發(fā)送；2、3可配置為接收或發(fā)送)每次可以傳送08個字節(jié)的數(shù)據(jù)，具有可編程的局部接收屏蔽、位傳輸速率、中斷方案和總線喚醒事件、超強的錯誤診斷、自動錯誤重發(fā)和遠(yuǎn)程請求回應(yīng)、支持自測試模式等功能。CAN總線通信可靠性高，節(jié)點數(shù)有110個，傳輸速度高達(dá)1Mbit/s（此時距離最長為40m），直接通信距離可達(dá)10km（速率5kbit/s以下），采用雙絞線差動方式進行通信，有很強的抗干擾能力。（3）控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN） 控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）是現(xiàn)場（4）鎖相環(huán)電路（PLL）和等待狀態(tài)發(fā)生器 鎖相環(huán)電路

30、用于實現(xiàn)時鐘選項；等待狀態(tài)發(fā)生器可通過軟件編程產(chǎn)生用于用戶需要的等待周期，以配合外圍低速器件的使用。（5）看門狗定時器與實時中斷定時器 看門狗定時器與實時中斷定時器均為8位增量計數(shù)器，前者用于監(jiān)控系統(tǒng)軟件和硬件工作，在CPU出錯時產(chǎn)生復(fù)位信號；后者用于產(chǎn)生周期性的中斷請求。（6）外部存儲器接口 可擴展為192KB16位的最大可尋址存儲器空間（64KB程序存儲器、64KB數(shù)據(jù)存儲器、64KB I/O空間）。（7）數(shù)字I/O TMS320LF2407A有40個通用、雙向的數(shù)字I/O引腳，其中大多數(shù)都是基本功能和一般I/O復(fù)用引腳。（4）鎖相環(huán)電路（PLL）和等待狀態(tài)發(fā)生器 鎖相環(huán)電路用于（8）JT

31、AG接口 由于TMS320LF2407A結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作速度快、外部引腳多、封裝面積小、引腳排列密集等原因，傳統(tǒng)的并行仿真方式已不再適合于TMS320LF2407A的開發(fā)應(yīng)用。TMS320LF2407A具有符合IEEE1149.1規(guī)范的5線JTAG（邊界掃描邏輯）串行仿真接口，能夠極其方便地提供硬件系統(tǒng)的在線仿真和測試。（9）外部中斷 外部中斷共有五個（功率驅(qū)動保護、復(fù)位、不可屏蔽中斷NMI及兩個可屏蔽中斷）。 MT-U智能機器人運行于擴展工作方式，擴展了32KB靜態(tài)RAM。MT-U智能機器人充分利用了DSP TMS320LF2407A的全部硬件資源。關(guān)于DSP TMS320LF2407A更詳細(xì)

32、的介紹信息請參照相關(guān)資料。（8）JTAG接口 由于TMS320LF2407A結(jié)構(gòu)復(fù)雜4.3.2 外部存儲器MT-U智能機器人擴展了32KB的靜態(tài)不揮發(fā)RAM。其優(yōu)點是既有靜態(tài)RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM或Flash的掉電不丟失性，從而能將程序和數(shù)據(jù)合用一個芯片。存儲器寫入的數(shù)據(jù)可保存十年以上，同時具有可靠的上電、掉電、強靜電等數(shù)據(jù)保護功能。32KB RAM用了A0A14共15根地址線，構(gòu)成32KB的地址空間，通過GAL將多個信號復(fù)合片選32KB RAM，以實現(xiàn)選址和并行口擴展功能，如圖4-28所示。4.3.2 外部存儲器4.3.3 電源與復(fù)位電路MT-U智能機器人控制板采用

33、穩(wěn)定性很高、功耗較低的開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2575-5，提供1A的電流，5V電壓。電源加有反接保護電路、過電流保護電路和欠電壓檢測電路。復(fù)位電路采用RC上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，如圖4-29所示。主板上有兩個電池連接插座，擴展電池接口只用來為電動機（兩只輪子驅(qū)動電動機、直流電動機、伺服電動機）提供電源，使用時要將主板的撥動開關(guān)由（無擴展電池）位置切換到（使用擴展電池）位置，這時所有電動機的電源都來自擴展電池。注意電池的電壓不能超過電動機的額定電壓，例如大多數(shù)伺服電動機的額定電壓為9V。4.3.3 電源與復(fù)位電路圖4-29 電源及復(fù)位電路原理圖圖4-29 電源及復(fù)位電路原理圖4.3.4 通信MT-

34、U智能機器人采用MAX232串口驅(qū)動芯片與PC機通信，在boot程序中對接收數(shù)據(jù)判斷處理，并驅(qū)動SCI發(fā)光二極管，因此PC傳較多數(shù)據(jù)給MT-U智能機器人時，綠色SCI 發(fā)光二極管會閃動，如圖4-30所示。4.3.4 通信MT-U智能機器人采用MAX232串口驅(qū)動4.4 驅(qū)動器MT-U智能機器人獲取環(huán)境信息，計算處理后，會作用于環(huán)境。MT-U智能機器人作用于環(huán)境的驅(qū)動器有兩個：直流電動機、揚聲器。兩個直流電動機構(gòu)成MT-U智能機器人的行走裝置，采用差動驅(qū)動方式，可原地轉(zhuǎn)向。揚聲器是MT-U智能機器人的嘴，碰到障礙可以發(fā)出警告聲，可以唱歌，可以呼叫同伴。4.4 驅(qū)動器MT-U智能機器人獲取環(huán)境信息

35、，計算處理后，會4.4.1 電動機供電電源穩(wěn)壓電路為了穩(wěn)定電動機的工作電壓和特性，我們加裝了電池升壓穩(wěn)壓電路，有效地提高了電動機在電池電壓變化過程中的效率和穩(wěn)定性，如圖4-31所示。4.4.1 電動機供電電源穩(wěn)壓電路4.4.2 電動機驅(qū)動電路電動機驅(qū)動采用直流電動機主驅(qū)動芯片LMD18200。LMD18200具有3A連續(xù)工作電流，6A的最大電流，非常高的轉(zhuǎn)換效率和紋波特性，并且具有過電流、過熱保護電路，其連接電路如圖4-32所示。4.4.2 電動機驅(qū)動電路直流電動機在一定電壓下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比；如果改變電壓，則轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩線隨著電壓的升降而升降（見圖4-33）。在MT-U智能機器人負(fù)載一定時（即

36、轉(zhuǎn)矩一定時），降低電壓，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n1、n2不同，n1n2，這樣就可實現(xiàn)用電動機調(diào)速。T（轉(zhuǎn)矩）u=12vu=6v一定轉(zhuǎn)矩時n（轉(zhuǎn)矩）直流電動機在一定電壓下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比；如果改變電壓，則轉(zhuǎn)在MT-U智能機器人里采用的是改變電動機電壓的方式來改變電動機的轉(zhuǎn)速。MT-U智能機器人提供給電動機的信號是方波，不同的方波它的平均電壓不同，我們就利用這一點來進行MT-U智能機器人的速度控制。采用不同的脈寬調(diào)節(jié)平均電壓的高低，進而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，即脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）。如圖4-34所示，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸入到電動機的平均電壓。tVtVtVPulse

37、Width Modulationtontperiod在MT-U智能機器人里采用的是改變電動機電壓的方式來改變電動MT-U智能機器人的電動機是經(jīng)過減速器將轉(zhuǎn)動傳給輪子，將高速轉(zhuǎn)化為低速。MT-U智能機器人通過三級直齒輪傳動減速（見圖4-35），以滿足MT-U智能機器人運行的速度和轉(zhuǎn)矩。MT-U智能機器人的電動機是經(jīng)過減速器將轉(zhuǎn)動傳給輪子，將高速4.4.3 揚聲器揚聲器由DSP的I/O口控制，通過軟件產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，加以放大、整形，驅(qū)動揚聲器發(fā)音，揚聲器驅(qū)動電路原理如圖4-36所示。4.4.3 揚聲器4.5 LCD顯示板4.5.1 LCD液晶顯示屏LCD液晶顯示屏點陣類型是12864，可以

38、顯示中英文字符，如圖4-37所示。12864的屏幕使得MT-U智能機器人更加精致、漂亮。LCD用于顯示MT-U智能機器人實時運行的信息，在狀態(tài)檢測和故障診斷時特別有用。4.5 LCD顯示板4.5.1 LCD液晶顯示屏4.5.2 LCD顯示控制為了能夠有效提高MT-U智能機器人的程序空間，增加DSP主控制器的執(zhí)行效率，真正實現(xiàn)MT-U智能機器人和操作者之間的人機交互，我們采用了獨立的CPU完成顯示及鍵盤操作功能。1. CPU顯示控制主CPU采用大家都很熟悉的51系列單片機AT89S52控制。由于MCS-51集成了幾乎完善的8位中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，硬

39、件的加、減、乘、除法器和布爾處理機及各種邏輯運算和轉(zhuǎn)移指令，這給應(yīng)用提供了極大的便利。MCS-51的指令系統(tǒng)近乎完善，指令系統(tǒng)中包含了全面的數(shù)據(jù)傳送指令、完善的算術(shù)和邏輯運算指令、方便的邏輯操作和控制指令，對于編程來說，是相當(dāng)靈活和方便的。4.5.2 LCD顯示控制2. 主控制器DSP與顯示控制器的通信為了提高數(shù)據(jù)通信的實時性和可靠性，采用雙向緩沖的方法實現(xiàn)了雙機通信。這種通信方式大大提高了人機交互的響應(yīng)速度，如圖4-38所示。2. 主控制器DSP與顯示控制器的通信4.6 硬件擴展板4.6.1 擴展控制主芯片擴展控制主芯片采用復(fù)雜可編程邏輯芯片（CPLD）EPM7064STC100。EPM70

40、64S是Altera 公司推出的速度非?？斓母咝阅堋⒏呒啥瓤删幊踢壿嬈骷?，屬于MAX7000系列，是特殊的可編程ASIC芯片。在第二代MAX結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用先進的CMOS EEPROM 技術(shù)制造的，是100引腳的TQFP封裝，芯片內(nèi)部是一個包含有大量邏輯單元的陣列，采用了連續(xù)式的布線結(jié)構(gòu)，因而可以通過設(shè)計模型精確地計算信號在器件內(nèi)部的時延。具有集成度高、工作速度快和在線編程方便的特性，適合于時序、組合邏輯電路以及輸入/輸出口擴展的應(yīng)用。4.6 硬件擴展板4.6.1 擴展控制主芯片4.6.2 擴展功能擴展功能很多，主要有以下功能，如圖4-39所示。1）8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換（A-D轉(zhuǎn)換），轉(zhuǎn)換

41、速度500ns。2）6通道數(shù)字量輸入（DI），每個通道具有光電隔離功能。3）5通道數(shù)字量輸出（DO），每個通道電流可達(dá)500mA。4）2路異步通信接口（串口SCI）。5）CAN總線通信接口。6）3路MTBUS總線接口（包括并行接口、IIC接口、同步通信接口（SPI）。7）擴展卡電源級聯(lián)接口。8）擴展卡信號級聯(lián)接口。9）5V電源擴展接口。10）CPLD可編程JTAG口。4.6.2 擴展功能AD1AD8DI1DI6DO1DO5擴展串口CAN總線接口MTBUS總線5V擴展信號級聯(lián)（背面）電源級聯(lián)（背面）JTAG接口接主板接主板DI供電選擇（5V/VMOT）DO供電選擇（5V/VMOT）圖4-39 擴

42、展板功能圖AD1AD8DI1DI6DO1DO5擴展串口CAN總線4.7 硬件擴展總線MTBUSMT-U智能機器人控制板使用了MTBUS總線，其結(jié)構(gòu)如圖4-40所示，簡單類似于ISA和PCI總線。采用MTBUS擴展卡可以方便擴展控制板的功能。4.7 硬件擴展總線MTBUSMT-U智能機器人控制板使用了MTBUS有以下20個信號線及電源線。MCS：片選信號。/MRD：讀信號。/MWE：寫信號。MSDA：IIC數(shù)據(jù)線。MSCL：IIC時鐘線。MSPIEN：SPI接口使能。MSPICLK：SPI時鐘線。MSPISIMO：SPI從入主出。MSPISOMI：SPI主入從出。+5V：5V電源。VMOT：電池

43、。GND：電池-或公共地。下面舉例介紹具體的擴展方法。MTBUS有以下20個信號線及電源線。4.7.1 擴展8個數(shù)字輸出口想再增加幾個LED來裝飾MT-U智能機器人，想增加一個步進電動機，想增加2個伺服電動機制作的手爪，需要擴展更多的輸出口。利用MTBUS的并行口擴展功能，采用地址鎖存芯片74HC273，用MCS線進行片選。數(shù)據(jù)總線送到74HC273后將被鎖存，從而輸出給外部設(shè)備，數(shù)字輸出口Outputo0Outputo7加驅(qū)動電路后可控制電動機、繼電器、LED等，如圖4-41所示。4.7.1 擴展8個數(shù)字輸出口機器人技術(shù)第4章課件擴展卡接口：在機器人本體的擴展板上右三個擴展槽，三個擴展槽在機

44、器人程序中端口號為Port5000、Port6000、Port7000，如圖4-42所示。Port6000Port7000Port5000擴展卡接口：在機器人本體的擴展板上右三個擴展槽，三個擴展槽在1數(shù)字量擴展卡（DI數(shù)字量輸入）（1）數(shù)字量擴展卡（DI數(shù)字量輸入）技術(shù)指標(biāo) 輸入8路數(shù)字信號；輸入電壓：DC5V；信號方式：+5V、Ix、GND。（2）數(shù)字量擴展卡（DI數(shù)字量輸入）在MT-U智能機器人上的安裝方法 將數(shù)字量擴展卡（DI數(shù)字量輸入）的排線接口和機器人的MTBUS標(biāo)準(zhǔn)總線（端口Port5000）相連接，如圖4-43所示。將排線插接在MTBUS總線插槽上1數(shù)字量擴展卡（DI數(shù)字量輸入）

45、將排線插接在MTBUS總線（3）在MT-U智能機器人上使用數(shù)字量擴展卡（DI數(shù)字量輸入）的軟件例程 我們采用直接對地址碼的編程方法，方便學(xué)生對DSP硬件C語言編程的熟悉。#include #include ingenious.hunsigned int exdi1=0;unsigned int exdi8=0;unsigned int exditemp=0;ioport unsigned int port5000;void main()while(1)exditemp=port5000;if(port5000 & 0 x0001)（3）在MT-U智能機器人上使用數(shù)字量擴展卡（DI數(shù)字量輸入ex

46、di1=1;elseexdi1=0;if(port5000 & 0 x0080)exdi8=1;elseexdi8=0;Mprintf(3,exdi1=%d,exdi1);Mprintf(5,exdi8=%d,exdi8);exdi1=1;2模擬量擴展卡（AD擴展卡）模擬量擴展卡又稱AD擴展卡，如圖4-44所示。（1）模擬量擴展卡（AD擴展卡）技術(shù)指標(biāo) 最大輸入：8路模擬信號；輸入電平電壓：DC 05V；信號方式：+5V、ADx、GND。（2）模擬量擴展卡（AD擴展卡）在MT-U智能機器人上的安裝方法 將模擬量擴展卡（AD擴展卡）的排線接口和機器人的MTBUS標(biāo)準(zhǔn)總線（端口Port6000）相

47、連接。2模擬量擴展卡（AD擴展卡）（3）在MT-U智能機器人上使用模擬量擴展卡（AD擴展卡）的軟件例程#include #include ingenious.hint AD_1 = 0;int AD_2 = 0;int AD_3 = 0;int AD_4 = 0;int AD_5 = 0;int AD_6 = 0;void main() while(1) AD_1 = ad_extend(2,1); AD_2 = ad_extend(2,2); AD_3 = ad_extend(2,3);（3）在MT-U智能機器人上使用模擬量擴展卡（AD擴展卡）的 AD_4 = ad_extend(2,4); AD_5 = ad_extend(2,5); AD_6 = ad_extend(2,6); Mprintf(3,AD2=%d,AD_2); Mprintf(3,AD1=%d,AD_1); Mprintf(5,AD4=%d,AD_4); Mprintf(5,AD3=%d,AD_3); Mprintf(7,AD6=%d,AD_6); Mprintf(7,AD5=%d