3.2 系統(tǒng)設(shè)計

此系統(tǒng)的設(shè)計主要是為了能夠滿足多種機(jī)器人控制需求，同時兼顧機(jī)器人對控制器體積、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（適用于實時環(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)計的、可靠性高的實時、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，處理各個傳感器送回的信號，根據(jù)各個信號，向下位機(jī)發(fā)送控制命令，同時，上位機(jī)接收來自下位機(jī)的信號，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)。在一個機(jī)器人系統(tǒng)中，只需一個上位機(jī)，作為機(jī)器人的“大腦”；下位機(jī)的個數(shù)則根據(jù)機(jī)器人需要而定。

3.2.2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計的原則是：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)運行的基本要素；下位機(jī)包括TMS320LF2407、SDRAM、晶振等系統(tǒng)運行的基本要素。

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UART分別用作485總線及與下位機(jī)通訊接口，這兩個串口屬于對外連接口，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。

針對不同的機(jī)器人，硬件部分只需做簡單的接口調(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

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

軟件設(shè)計的主要工作是操作系統(tǒng)的移植、驅(qū)動程序的設(shè)計、常用API函數(shù)的封裝、多任務(wù)的分解與設(shè)計、上位機(jī)算法的編寫和下位機(jī)驅(qū)動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)多個控制器一起工作時，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)號給傳下去，只有與此號碼相對應(yīng)模塊才能接收下面的數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)接收到信號后，需要向上位機(jī)發(fā)送一個確認(rèn)信號。需要同步多個處理器，分別占用總線。為了使多機(jī)通訊同步，不發(fā)生信號沖突，在設(shè)計硬件時，每個微處理器使用了一個I/O口，并把每個處理器的I/O口用線連在一起。當(dāng)一個控制器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，向其它處理器發(fā)送一個高信號，來說明自己正在使用總線。接受到該信號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。事實證明這種方法是可行的，不會發(fā)生總線沖突，多處理器工作時同步性很好。