基于ARM的嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了能夠滿足多種機(jī)器人控制需求，同時(shí)兼顧機(jī)器人對(duì)控制器體積、重量、功耗等敏感的特性。

上位機(jī)CPU選用Samsung公司的基于ARM920T[5,6]核（適用于實(shí)時(shí)環(huán)境）的低功耗、16/32 bit、高性能RISC微控制器S3C2410，它的主頻為266MHz；操作系統(tǒng)選用源碼公開、專為ARM設(shè)計(jì)的、可靠性高的實(shí)時(shí)、多任務(wù)內(nèi)核arm- Linux；下位機(jī)選用Ti公司的具有低功耗、靈活指令集、內(nèi)部操作靈活、高速的運(yùn)算能力等性能的DSP－TMS320LF2407。

3.2.1 體系結(jié)構(gòu)

基于ARM、DSP和arm-Linux的機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制器硬件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)主要解決算法問題，處理各個(gè)傳感器送回的信號(hào)，根據(jù)各個(gè)信號(hào)，向下位機(jī)發(fā)送控制命令，同時(shí)，上位機(jī)接收來自下位機(jī)的信號(hào)，判斷下位機(jī)的狀態(tài)，以便發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)和命令。下位機(jī)主要是對(duì)電機(jī)的控制，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過來的命令和數(shù)據(jù)，結(jié)合前饋算法和PID算法，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度、位置等控制。

不同類型的機(jī)器人，其主要區(qū)別在于上位機(jī)的算法編寫，上位機(jī)的算法與具體的機(jī)器人所要求完成的任務(wù)有關(guān)。在一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中，只需一個(gè)上位機(jī)，作為機(jī)器人的“大腦”；下位機(jī)的個(gè)數(shù)則根據(jù)機(jī)器人需要而定。

3.2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的原則是：部件模塊化，接口標(biāo)準(zhǔn)化，互換性、擴(kuò)展性好，可靠性高。

硬件可劃分為CPU模塊、外設(shè)模塊。兩個(gè)模塊層可疊在一起，機(jī)械上可拆分，相互之間有接口相連，便于互換和維護(hù)。

1）CPU模塊：上位機(jī)包括S3C2410、SDRAM、NAND FLASH、晶振等系統(tǒng)運(yùn)行的基本要素；下位機(jī)包括TMS320LF2407、SDRAM、晶振等系統(tǒng)運(yùn)行的基本要素。

2）外設(shè)模塊：上位機(jī)包括電源接口、485總線接口、A/D接口、I/O接口、PWM接口、下位機(jī)通訊接口、USB HOST接口、USB SLAVE 接口、LCD接口等，同時(shí)它也是傳感器模塊和CPU模塊連接的橋梁；下位機(jī)包括電源接口、485總線接口、I/O接口、PWM接口、光電編碼器接口、上位機(jī)通訊接口、A/D接口，F(xiàn)LASH等。

S3C2410芯片本身集成了一些通用的外圍器件，所以像A/D、USB、I/O等通道直接利用其資源。片內(nèi)的2個(gè)UART分別用作485總線及與下位機(jī)通訊接口，這兩個(gè)串口屬于對(duì)外連接口，為了避免引入外界干擾，用高速光隔HCPL2630進(jìn)行隔離。 TMS320LF2407芯片本身也集成了一些通用的外圍器件，可直接利用PWM、A/D、I/O、光電編碼器接口等資源。片內(nèi)UART用作與上位機(jī)通訊接口，也用了光電隔離。

針對(duì)不同的機(jī)器人，硬件部分只需做簡(jiǎn)單的接口調(diào)整或傳感器增刪。

控制器集成尺寸：上位機(jī)模塊為60mm×45mm×35mm，總功耗約為5V ×200mA，其中CPU模塊功耗盡為3.3V×30mA；下位機(jī)模塊尺寸60mm×40mm×30mm，功耗也是很低的，而一般的PC104總線CPU模塊功耗約為5V×1000mA。

3.2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的基本原則是：軟件結(jié)構(gòu)化，驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)可定制[13]。

軟件設(shè)計(jì)的主要工作是操作系統(tǒng)的移植、驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、常用API函數(shù)的封裝、多任務(wù)的分解與設(shè)計(jì)、上位機(jī)算法的編寫和下位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序與算法的編寫等。其中關(guān)鍵在于上下位機(jī)的同步性，當(dāng)多個(gè)控制器一起工作時(shí)，同步問題更加重要了。上位機(jī)把數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，先把控制器的標(biāo)號(hào)給傳下去，只有與此號(hào)碼相對(duì)應(yīng)模塊才能接收下面的數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)接收到信號(hào)后，需要向上位機(jī)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。需要同步多個(gè)處理器，分別占用總線。為了使多機(jī)通訊同步，不發(fā)生信號(hào)沖突，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，每個(gè)微處理器使用了一個(gè)I/O口，并把每個(gè)處理器的I/O口用線連在一起。當(dāng)一個(gè)控制器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，向其它處理器發(fā)送一個(gè)高信號(hào)，來說明自己正在使用總線。接受到該信號(hào)的處理器得知總線正在忙，不再發(fā)送數(shù)據(jù)，可避免總線沖突。事實(shí)證明這種方法是可行的，不會(huì)發(fā)生總線沖突，多處理器工作時(shí)同步性很好。