鄒海鑫，鄒湘軍

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

基于PC+DSP+FPGA的機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)

鄒海鑫1,2，鄒湘軍2

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

控制系統(tǒng)是相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，是根據(jù)外部傳感器和內(nèi)部指令等信息控制機(jī)器人動作的裝置，是不可或缺的重要組成部分。本文在4自由度機(jī)器人樣機(jī)的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用基于PC + DSP + FPGA的控制系統(tǒng)，完成硬件和軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)。

PC+DSP+FPGA；機(jī)器人；控制系統(tǒng)

從硬件上來看，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式主要如表1所示[1-6]

表1 各控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Tab.1 The features of different control system

雖然多DSP系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但舍棄PC機(jī)的豐富軟硬件資源，使其存在局限性。如當(dāng)需要采集和存儲大量信息的時(shí)候，PC機(jī)的硬盤和數(shù)據(jù)庫等能提供足夠空間，為產(chǎn)品信息化管理提供所有數(shù)據(jù)，因此，PC機(jī)將在機(jī)器人的開發(fā)中成為必不可少的重要組成部分。另外，采用基于DSP與FPGA的運(yùn)動控制結(jié)構(gòu)方式能夠?qū)崟r(shí)完成復(fù)雜的軌跡運(yùn)算，利用DSP的高速數(shù)字信號處理功能和FPGA功耗低、主頻高的優(yōu)點(diǎn)，能充分顯示該運(yùn)動控制器的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 自主開發(fā)的機(jī)器人樣機(jī)Fig.1 The Prototype of the robot

綜合比較并考慮到開發(fā)周期和成本，本文采用基于PC為上位機(jī)、DSP運(yùn)動控制和FPGA外設(shè)控制模式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。所述4自由度機(jī)器人樣機(jī)如圖1所示，包括底座，大臂，小臂和末端執(zhí)行器4個(gè)關(guān)節(jié)。

1 控制系統(tǒng)硬件模塊組成

1.1 DSP模塊

DSP模塊總體結(jié)構(gòu)如圖2，選用的是TI公司的TMS320C6713型芯片，該芯片是具有高性能32位高速浮點(diǎn)型的DSP。

DSP模塊主要的功能是運(yùn)動控制計(jì)算，完成與上位機(jī)的通訊和對FPGA控制信號的發(fā)送。其中Power電路用于提供DSP所需的電源，Reset電路用于復(fù)位，SDRAM（容量為4M*32bit）電路用于存儲動態(tài)數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH（2M*8bit）電路用于保存永久程序，JTAG電路用于仿真器仿真 調(diào)試，接口電路用于與FPGA，PC上位機(jī)等的連接。

圖2 DSP總體模塊總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Chart of the DSP module

1.2 FPGA模塊

FPGA模塊芯片選用Pro ASIC3 Flash的家族成員A3P060和A3P400芯片。

該FPGA模塊總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 FPGA模塊總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure Chart of the FGPA module

FPGA模塊的主要功能是高速傳輸數(shù)據(jù)，控制伺服控制器和各個(gè)外圍的輸入輸出電路，并且與DSP和PC進(jìn)行通訊。芯片在整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后還可以通過JTAG接口對硬件進(jìn)行重配置，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。其中，A3P060的功能主要是管理輸入輸出口和485通訊接口，而A3P400的功能主要是負(fù)責(zé)發(fā)送4路控制信號到4臺伺服驅(qū)動上，并且產(chǎn)生DSP的外部中斷信號。

圖4 輸入輸出電路圖Fig.4 The circuit diagram of output and input

1.3 其他模塊

輸入輸出模塊：為減小外部噪聲的干擾，采用光電隔離電路的方法。輸入的信號主要包括8路限位信號，伺服警報(bào)信號等。輸出信號主要有伺服使能信號等。

輸出控制脈沖電路設(shè)計(jì)：輸出控制脈沖信號是伺服電機(jī)的4路脈沖控制輸出信號。由于本控制系統(tǒng)使用的是位置控制模式，采用“方向+脈沖”的指令模式。輸出控制信號由FPGA輸出，由于電機(jī)接收的脈沖和方向需要差分信號，因此需要經(jīng)過差分處理。本文應(yīng)用差分驅(qū)動器AM26LS31芯片實(shí)現(xiàn)信號差分處理后，再輸入到伺服驅(qū)動器。如圖5所示，F(xiàn)PGA輸出控制信號，經(jīng)AM26LS31芯片差分處理后輸出到電機(jī)的伺服驅(qū)動中。

反饋脈沖處理電路設(shè)計(jì)：伺服電機(jī)編碼器信號直接接入伺服驅(qū)動器里，控制器可以通過三對正負(fù)差分信號來獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)向以及脈沖反饋信息，分別是A+和A-，B+和B-，Z+和Z-；其中A+，A-，B+和B-信號可以給出轉(zhuǎn)向等信息，而Z+和Z-信號可以給出是否轉(zhuǎn)過一圈的信息，也就是每轉(zhuǎn)過一圈給出一個(gè)Z的差分信號。利用AM26LS32芯片，把上述三對差分信 號轉(zhuǎn)化為單路信號A、B、Z輸出，然后讓FPGA讀取，獲得反饋信息，其電路如圖6所示。

通訊電路設(shè)計(jì)：上位PC機(jī)與A3P060的通訊是通過485通訊模塊來完成，電路設(shè)計(jì)如圖7所示，兩者間形成兩線制的半雙工通訊網(wǎng)絡(luò)。

圖5 機(jī)器人四路伺服電機(jī)控制電路Fig.5 The servo control of the 4 DOF robot

圖6 差分信號控制電路Fig.6 The differential signal of the control circuit

圖7 485通訊模塊電路圖Fig.7 The circuit diagram of the 485 communication module

除了上述模塊，本系統(tǒng)還包括了上位PC機(jī)模塊和雙目視覺模塊，其中PC機(jī)模塊的主要功能是提供人機(jī)交互界面、進(jìn)行圖像處理、對DSP和FPGA仿真調(diào)試等功能；雙目視覺模塊主要用于環(huán)境的圖像信息獲取等。

2 軟件模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)的特點(diǎn)，其軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。軟件總體結(jié)構(gòu)分為三層：PC層，DSP層和FPGA層。PC層是最高級的層，主要的功能包括提供人機(jī)界面進(jìn)行接收用戶命令，通訊；完成視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理；完成路徑規(guī)劃，為DSP層提供路徑點(diǎn)信息等。DSP層主要完成機(jī)械手的運(yùn)動控制計(jì)算，包括軌跡規(guī)劃等，把電機(jī)控制參數(shù)發(fā)送到FPGA層。FPGA層主要接收DSP層控制參數(shù)數(shù)據(jù)，完成對電機(jī)的驅(qū)動，并發(fā)送電機(jī)參數(shù)信息給DSP層。

圖8 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.8 The overall structure of the software system

2.1 DSP層控制模塊程序的設(shè)計(jì)

DSP層的編譯是在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio （CCS）中完成，使用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是DSP/BIOS。DSP/BIOS是CCS中集成的一個(gè)簡易的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其功能包括任務(wù)的調(diào)度，任務(wù)間的同步和通信，內(nèi)存管理，實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理，中斷服務(wù)管理等。在DSP/BIOS中，本文主要設(shè)置了一個(gè)系統(tǒng)周期為2ms的主函數(shù)和一個(gè)中斷服務(wù)程序，DSP層的程序在初始化完成后即進(jìn)入2ms循環(huán)運(yùn)行，首先檢測外圍設(shè)備的開關(guān)信號量，主要檢測限位開關(guān)的觸碰狀態(tài)；然后與PC機(jī)進(jìn)行通訊，接收數(shù)據(jù)包，如果PC機(jī)沒有發(fā)送任何 數(shù)據(jù)，則檢測機(jī)械手當(dāng)前狀態(tài)并反饋信息如位移量和末端執(zhí)行器位置等，如果有數(shù)據(jù)包傳送下來，則分解數(shù)據(jù)包并提取信息；然后按照數(shù)據(jù)包的內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的子程序；子程序執(zhí)行完畢后把電機(jī)的控制參數(shù)寫入緩沖區(qū)，然后檢測機(jī)械手當(dāng)前狀態(tài)并反饋信息給上位機(jī)。中斷程序由FPGA段觸發(fā)，當(dāng)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)且電機(jī)Over信號有效時(shí)進(jìn)入中斷程序，取出緩沖區(qū)的電機(jī)控制參數(shù)，送到伺服電機(jī)控制器中，然后返回到主程序。

PC發(fā)送一次信息到DSP并得到一次應(yīng)答表示完成一次通訊，包含固定的65個(gè)字節(jié)的內(nèi)容。下位機(jī)DSP對數(shù)據(jù)的讀取并應(yīng)答，也包含共65個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，其數(shù)據(jù)表具體含義如表2所示。最后PC對應(yīng)答的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取有用的反饋信息。此時(shí)，一次通訊完畢，接著重復(fù)上述過程進(jìn)行下一次通訊。

表2 PC與DSP之間的通訊數(shù)據(jù)包定義Tab.2 The definition of the communication data between PC and DSP

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖9 上位機(jī)控制通訊界面Fig.9 The interface of the control software

與DSP層連接的人機(jī)界面如圖9所示，主要包括機(jī)器人虛擬仿真窗口和機(jī)器人通訊窗口。前者是接收目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置和進(jìn)行運(yùn)動仿真；后者把目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為機(jī)器人各關(guān)節(jié)相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，然后通過通訊接口傳送到機(jī)器人控制系統(tǒng)的DSP層。

人機(jī)界面主要由以下部分構(gòu)成：1，信息反饋窗口；2，操作框；3，串口設(shè)定窗口；4，信息反饋窗口；5，仿真窗口。

界面操作流程如下：首先在串口設(shè)定框處設(shè)定和DSP層通訊的串口參數(shù)，按下“打開串口”按鈕建立通訊，然后按下“SERVO ON”給電機(jī)發(fā)送就緒信號，松開電機(jī)抱閘，若按下“SERVO OFF”則啟動抱閘，鎖緊電機(jī)，機(jī)械手處于停止?fàn)顟B(tài)；其次，在操作框處選擇運(yùn)動模式，如選擇“Run”模式，則機(jī)械手按照給定的參數(shù)進(jìn)行PTP運(yùn)動。反饋信息框用于顯示運(yùn)動過程中機(jī)械手的相關(guān)參數(shù)，如運(yùn)行速度，位移等；信息反饋框的作用在于顯示機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)給出錯(cuò)誤代碼。仿真窗口主要用于虛擬機(jī)器人在虛擬場景下根據(jù)操作窗口給出的關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動，用于演示。

3 小結(jié)

本文提出了基于PC+DSP+FPGA的采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)，在廣州市某數(shù)控公司提供的DSP+FPGA等核心硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，完成了DSP控制程序和定義了相關(guān)的通訊協(xié)議；從硬件和軟件出發(fā)，對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與說明，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的基本運(yùn)動控制功能。

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Development of the robot control system based on PC+DSP+FPGA

ZOU Haixin1,2,ZOU Xiangjun2
(1.School of traffic and environment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China;2.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510640,P.R.China)

The control system presented at this paper is the brain of robots,which is the indispensable device that works based on the external sensors and internal instructions.This paper has developed a robot control system based on PC + DSP + FPGA,and its hardware and software system is described in details.Finally,with the control system,the motion control of the 4 DOF robot was realized.

PC+DSP+FPGA；robot；control system

TP242

A

1672-6332（2015）01-0079-04

【責(zé)任編輯：楊立衡】

2015-02-10

國家自然科學(xué)基金(31171547,51175189);華南農(nóng)業(yè)大學(xué)合生珠江教育基金博士生科技創(chuàng)新計(jì)劃（出國培植）(H2011004)

鄒海鑫（1984-），男（漢），廣東豐順人，講師，博士，主要研究方向：機(jī)器人控制、汽車底盤電控技術(shù)。E-mail：zouhaixin123@163.com