曾艷 王震生 王康 張雨新 常燕臣 董詩繪

摘要：

為了提升移動機(jī)器人的工作效率，本文設(shè)計開發(fā)了一種應(yīng)用于移動機(jī)器人運動控制的主控板，該主控板主要包括STM32處理器、MPU-6000板載運動處理組件、SBUS及PPM接收、TYPE-C通信、仿真、RS-485通信、電機(jī)驅(qū)動、FLASH及SRAM、供電、按鍵和顯示幾個模塊。各模塊分別與STM32處理器連接，驅(qū)動各個模塊完成對智能移動機(jī)器人的有效控制。該主控板提供了豐富的專業(yè)外設(shè)接口，與傳統(tǒng)主控板相比，具有功能豐富、速度快、功耗小、體積大的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：

STM32;移動機(jī)器人;主控板

中圖分類號：

TP242;TJ02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0054-02

1引言

隨著機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，智能移動機(jī)器人如智能倉庫機(jī)器人、大堂服務(wù)移動機(jī)器人等在工業(yè)和生活中得到了普遍應(yīng)用[1-2]。作為智能移動機(jī)器人的主要控制設(shè)備，主控板性能高低直接影響移動機(jī)器人的功能應(yīng)用。傳統(tǒng)的主控板大都以51系列單片機(jī)為核心，但此類主控板受資源和功能的局限，在開發(fā)、成本控制、處理速度及復(fù)雜功能的實現(xiàn)上難以協(xié)調(diào)，因此，目前很多主控板采用高性能、低成本、低功耗的STM32處理器來實現(xiàn)[3-5]。但是，大多數(shù)以STM32處理器為核心的移動機(jī)器人的主控板接口只有通用輸入＼＼輸出接口，運動處理模塊、SBUS及PPM接收模塊等需要依據(jù)系統(tǒng)功能應(yīng)用的要求進(jìn)行擴(kuò)展[6-7]，如此一來，需要耗費很大精力選型外接功能模塊并設(shè)計接口電路，并很容易出現(xiàn)誤接現(xiàn)象。因此，非常有必要開發(fā)一種專門應(yīng)用于移動機(jī)器人的主控板，使其能集成移動機(jī)器人所需的功能，以方便應(yīng)用。

本文設(shè)計了一種以STM32處理器為核心，專門應(yīng)用于移動機(jī)器人的主控板，此主控板集成了移動機(jī)器人的運動處理模塊、SBUS及PPM接收模塊等，提供了專業(yè)外設(shè)接口，可以克服傳統(tǒng)主控板功能少、速度慢、功耗大、體積大的缺點。

2主控板的設(shè)計

在設(shè)計主控板時考慮到新型主控板需要包括STM32處理器、MPU-6000板載運動處理組件、SBUS及PPM接收模塊、TYPE-C通信模塊、仿真模塊、RS-485通信模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、FLASH及SRAM模塊、供電模塊、按鍵模塊、顯示模塊。并且，各個模塊都要和STM32處理器連接。主控板的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。所設(shè)計的主控板優(yōu)選STM32F405RGT6處理器為控制核心。

2.1MPU-6000板載運動處理組件。主控板的MPU-6000板載運動處理組件電路，是一個運動處理的集成芯片。STM32處理器通訊引腳和MPU-6000芯片通訊引腳相連，STM32處理器PC2端口與MPU-6000芯片CS端口相連，輸出使能信號給MPU-6000芯片CS端口，STM32處理器PC3端口與MPU-6000芯片INT端口相連，輸出信號給MPU-6000芯片INT端口以初始化設(shè)備，STM32處理器PA5端口與MPU-6000芯片SCLK端口相連，輸出時鐘信號給MPU-6000芯片SCLK端口，此外，STM32處理器PA6端口與MPU-6000芯片SDO端口相連，STM32處理器PA7端口與MPU-6000芯片SDI端口相連，STM32處理器PC6端口接收MPU-6000芯片運動數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)通訊，可以實時查看機(jī)器人運行姿態(tài)，并進(jìn)行實時矯正，控制機(jī)器人運行軌跡。

2.2SBUS及PPM接收電路。在本設(shè)計中，SBUS及PPM接收電路主要由取反電路構(gòu)成，主要功能是對SBUS信號取反。由于SBUS采用負(fù)邏輯，接收和發(fā)送需要硬件取反，模塊內(nèi)部需集成限流功能的電阻和取反功能的三級管構(gòu)成硬件邏輯取反電路。此外，接收電路最多可解析出16路PWM信號。通過接收信號，便可手動實時控制移動機(jī)器人姿態(tài)。其中，限流電阻選用10KΩ的貼片電阻，三極管選用貼片三極管SS8050。

2.3TYPE-C通信模塊設(shè)計。TYPE-C通信模塊一共24個引腳，分別為4個GND、2對TX/RX引腳、2個CC引腳、4個地線引腳、4個VBUS引腳、兩個SBU引腳、2對USBD+/D-引腳。每個引腳都有不同作用，且支持正反插。4個VBUS和4個GND，負(fù)責(zé)傳送電力，支持雙向功率傳輸。CC1/CC2引腳，它的作用有檢測正反插。2對TX/RX引腳，一般情況下，USB3.1只用到差分線作為數(shù)據(jù)線，正插時連接TX1/RX1，反插時連接TX2/RX2，會有2對差分線是沒有被使用的，DP交替模式就是把DP信號加載到這2對多余的差分線上，從而實現(xiàn)USB3.1+DP同時工作。當(dāng)然，如果接收端只需要DP信號，不需要USB3.1信號，那DP可以利用全部4對TX/RX差分線做輸出。2個CC引腳是用來判斷設(shè)備插入的方向，如果是正插，主機(jī)使用CC1來和設(shè)備通訊，反插則使用CC2。兩個SBU引腳，在DP功能開啟時，可以用作DP協(xié)議中的AUX_P/AUX_N差分線，它的極性是可以根據(jù)正反插方向修改的，負(fù)責(zé)傳輸設(shè)備的DPCD，EDID等關(guān)鍵信息。USBD+/D-引腳供USB2.0設(shè)備使用。本設(shè)計中，TYPE-C外接設(shè)備優(yōu)先連接攝像頭，通過TYPE-C通信將機(jī)器人運動實時采集的圖片傳到STM32處理器，STM32處理器處理后，控制電機(jī)驅(qū)動模塊以實現(xiàn)機(jī)器人自動尋跡、避障、路徑規(guī)劃等等。此外，TYPE-C模塊所用的識別電阻優(yōu)選0805貼片1.5KΩ電阻。

2.4仿真模塊?；赟TM32的新型主控板的仿真模塊，插入仿真器，配合集成開發(fā)環(huán)境，使用仿真器可以對程序進(jìn)行調(diào)試，跟蹤程序執(zhí)行情況，同時還可以對硬件電路進(jìn)行實時的調(diào)試。在本設(shè)計中，選擇SEGGER公司的J-LINK仿真器V9.40用于芯片內(nèi)部測試，J-LINK仿真器采用國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），支持ADS、IAR、KEIL開發(fā)環(huán)境，最大下載速度提升到1MByte/s。仿真模塊接口分別為TMS、TCK、TDI、TDO四線，編程方式是在線編程，可大大加快調(diào)試進(jìn)度。

2.5RS-485通信模塊。在本設(shè)計中，通信協(xié)議采用RS485協(xié)議，隸屬于OSI模型物理層的電氣特性規(guī)定為2線，半雙工，多點通信的標(biāo)準(zhǔn)。其具有接口電平低，傳輸速率高，抗干擾能力高，傳輸距離遠(yuǎn)，支持節(jié)點多等優(yōu)點。RS485通信模塊選用的是MAX3485芯片，特點是體積較小、工作穩(wěn)定可靠

。

2.6電機(jī)驅(qū)動模塊。本模塊主要包括光耦隔離電路、驅(qū)動信號放大電路、H橋功率驅(qū)動電路。STM32處理器給電機(jī)驅(qū)動模塊輸入的信號主要有電機(jī)運轉(zhuǎn)方向信號、電機(jī)調(diào)速信號、電機(jī)制動等信號。在本設(shè)計中，所述光耦電路選用TLP280-4光耦芯片，該芯片是一塊超小且超薄的耦合器，適用于貼片安裝。所述驅(qū)動信號放大器三極管選用2N5551三極管，所述H橋功率驅(qū)動電路MOS管選用IRF540NPBFMOS場效應(yīng)管。

2.7FLASH及SRAM模塊。FLASH及SRAM模塊電路包括外部FLASH與外部SRAM，外部SRAM、FLASH與STM32處理器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。在本設(shè)計中，外部FLASH選用體積小，容量大，可靠性高的MX25L1606E芯片，存儲空間為8M，作為大容量的程序存儲器。外部SRAM選用FM25CL64芯片，存儲空間為2M，具有掉電非易失，隨時存儲記憶功能。

2.8供電模塊。所設(shè)計主控板的供電模塊電路，首先由外部獨立開關(guān)電源模塊提供直流5V電源，通過濾波電路傳向5V轉(zhuǎn)3.3V模塊芯片，再次進(jìn)行濾波電路，向3.3V電源指示燈供電，最后，向STM32處理器提供穩(wěn)定的3.3V電壓。在本設(shè)計中，利用CJA1117三端穩(wěn)壓器將5V轉(zhuǎn)3.3V，該芯片體積小、轉(zhuǎn)換效率高，只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。

2.9按鍵模塊。本模塊電路主要由復(fù)位按鍵、功能按鍵、復(fù)位電容、上拉電阻構(gòu)成。復(fù)位按鍵并聯(lián)復(fù)位電容。各個按鍵并聯(lián)，且共同連接上位電阻，按鍵按下為低電平輸入有效，斷開默認(rèn)為高電平輸入。STM32處理器復(fù)位輸入引腳接一個電容至3.3V電源端，下接一個上拉電阻。首次上電，STM32處理器復(fù)位端會出現(xiàn)一個短暫的高電平信號，之后高電平信號隨著復(fù)位電容的充電過程而逐漸回落，實現(xiàn)上電自動復(fù)位。此外，可以手動按下復(fù)位按鈕，十毫秒后，STM32處理器系統(tǒng)復(fù)位。按下功能按鍵實現(xiàn)相應(yīng)功能。在本設(shè)計中，按鈕優(yōu)先選用4腳立式6*6*5微動開關(guān)，復(fù)位電容優(yōu)先選用0805陶瓷貼片電容，規(guī)格為0.1uF，上拉電阻優(yōu)先選用0805貼片10KΩ電阻。

2.10顯示模塊。顯示模塊電路主要由發(fā)光二極管和電阻構(gòu)成。功能包括電源指示，運行指示，錯誤指示。電源指示由發(fā)光二極管串聯(lián)限流電阻后并聯(lián)在電源上。運行指示和錯誤指示連接STM32處理器通用輸出接口，通過STM32處理器通用輸出接口控制運行指示，錯誤指示。運行指示和錯誤指示另一端連接3.3V電源。對維修服務(wù)人員排查故障起到重要的作用。在本設(shè)計中，限流電阻優(yōu)選0805貼片1KΩ電阻，電源指示優(yōu)選紅色0402貼片發(fā)光二極管，運行指示優(yōu)選綠色0402貼片發(fā)光二極管，錯誤指示優(yōu)選黃色0402貼片發(fā)光二極管。

3總結(jié)

在本設(shè)計中所設(shè)計的主控板，可以串口方式發(fā)射指定運動數(shù)據(jù)，能夠自動控制移動機(jī)器人運動。通過SBUS及PPM接收器，實時手動控制移動機(jī)器人的運動姿態(tài)。通信模塊包含兩個串口通訊引腳，可以外接設(shè)備使機(jī)器人達(dá)到尋跡、避障、路徑規(guī)劃。仿真模塊能夠?qū)σ苿訖C(jī)器人的功能調(diào)試。能夠在STM32處理器與手持終端進(jìn)行通信收發(fā)。并能夠?qū)﹄娫?、運行情況及錯誤信息進(jìn)行顯示，當(dāng)接入電源時，所述電源發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)系統(tǒng)運行時，所述運行發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)有錯誤發(fā)生時，所述錯誤發(fā)光二極管閃爍。

真實的設(shè)計實物尺寸僅為36mm*36mm*0.4mm，覆銅導(dǎo)線及孔徑采用毫米級，自然風(fēng)散熱系統(tǒng)，中間為STM32處理器，其他模塊分布四周，主控板整體占用空間極小，預(yù)留4個3M定位孔用于固定。固定選用4個3M銅柱用于安裝固定，并加裝減震球降低機(jī)械抖動，可有效克服傳統(tǒng)主控板功能少、速度慢、功耗大、體積大的缺點。

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作者簡介：曾艷（1987-5）女，民族：漢，河北邢臺人，唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士學(xué)位，主要研究方向：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計與計算機(jī)視覺。

通訊作者：王震生（1976-08）男，民族：漢，河北唐山人，唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程碩士學(xué)位，主要研究方向：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計。