基于TMS32OLF2407A的教育機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

　　智能機(jī)器人作為一個(gè)高新科技的綜合體，直接反應(yīng)了一個(gè)國(guó)家信息技術(shù)的發(fā)展水平，受到了社會(huì)各界的高度重視。最近這些年，在我國(guó)大學(xué)里已經(jīng)將機(jī)器人作為機(jī)械電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等的載體廣泛適用于工科本科生的講授課程，在中學(xué)，教育機(jī)器人則逐漸成為素質(zhì)教育、技能實(shí)踐活動(dòng)的選題之一，各種機(jī)器人比賽正蓬勃發(fā)展。智能機(jī)器人涉及了信息技術(shù)的幾乎所用內(nèi)容，可以讓學(xué)生接觸并看到信息技術(shù)的全景，并且智能機(jī)器人是信息技術(shù)的開(kāi)放平臺(tái)，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力去開(kāi)發(fā)各種智能裝置，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的開(kāi)發(fā)能力，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，培養(yǎng)各種能力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

　　1 設(shè)計(jì)思想與總體方案

　　1．1 教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想

　　本教育機(jī)器人以TMS320LF2407A微控制器為核心，由紅外傳感器和光電傳感器等各種傳感器采集的外部環(huán)境信息作為輸入信號(hào)，通過(guò)DSP進(jìn)行運(yùn)算處理，利用PWM技術(shù)實(shí)時(shí)輸出調(diào)整小車(chē)的速度和方向，實(shí)現(xiàn)小車(chē)尋跡、避障、尋跡加避障等自動(dòng)控制的功能，另外在小車(chē)于尋跡過(guò)

　　程中遇到障礙物，當(dāng)尋跡加避障算法在尋跡的同時(shí)不能完成避障功能時(shí)，可由PC機(jī)與其相連的無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)模塊和DSP相連的另一無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)短距離通信，控制小車(chē)脫離障礙區(qū)并進(jìn)行正常尋跡。

　　1．2 總體設(shè)計(jì)方案和框圖

　　機(jī)器人小車(chē)系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要有TMS320LF2407A最小系統(tǒng)部分、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)由車(chē)載的各種傳感器將信息不斷地傳遞給車(chē)載微控制器，并將編程設(shè)計(jì)算法下載至微控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成一定的功能要求。

　　2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

　　2．1 TMS320LF2407A最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　TMS320LF2407A是2000系列中目前應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品，它在片上不僅具有一個(gè)適于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的高效處理器，而且還集成了存儲(chǔ)器和適應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的豐富片上外設(shè)，從而構(gòu)成了一個(gè)基本的片上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。除了具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)外，它還采用高性能靜態(tài) CMOS技術(shù)，電壓降為3．3V，減少了功耗，指令執(zhí)行速度提高到40MIPS，幾乎所有指令都可以在2 5ns的單周期內(nèi)完成。TMS320LF2407A的基本結(jié)構(gòu)包括中央處理器單元(CPU)、存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)與專(zhuān)用硬件電路三個(gè)組成部分。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)充分利用TMS320LF2407A控制器的特點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為基本電路和擴(kuò)展控制電路部分?；倦娐钒娫措娐贰?fù)位電路、時(shí)鐘電路、A／D 輸入通道和JTAG仿真電路等。擴(kuò)展電路包括存儲(chǔ)器及譯碼電路、串行通信SCI與RS-232接口電路、CAN接口電路、SPI功能模塊等。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

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　　2．2 尋跡模塊設(shè)計(jì)

　　此部分采用光電傳感器對(duì)路面信息進(jìn)行識(shí)別。采用RPR220型光電對(duì)管，RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收管是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管，用3個(gè)該紅外對(duì)管構(gòu)成“一”字形排列在小車(chē)車(chē)頭的底部，路徑軌跡由黑線(xiàn)指示，根據(jù)落在黑線(xiàn)區(qū)域的光電三極管接收到的反射光線(xiàn)強(qiáng)度與白色區(qū)域的不同，由檢測(cè)到的黑線(xiàn)光電管的位置來(lái)判斷小車(chē)的位置方向看其是否偏離黑線(xiàn)，當(dāng)紅外對(duì)管的發(fā)射二極管發(fā)出紅外線(xiàn)，經(jīng)反射物 (白線(xiàn))反射到接收管，是接收管集電極與發(fā)射極之間的電阻變小，輸入端電位變低，經(jīng)比較器比較后輸出低電平，當(dāng)紅外線(xiàn)照射到黑線(xiàn)上時(shí)，反射到接收管上的光亮減小，接收管的集電極與發(fā)射極間電阻增大使得輸出高電平，將輸出端信號(hào)送至2407A進(jìn)行分析處理，反射式光電傳感器原理如圖3所示。3個(gè)傳感器中如果位于中間的傳感器(中傳感器)檢測(cè)到黑線(xiàn)，從傳感器將發(fā)出“有線(xiàn)”信號(hào)，后輪兩電機(jī)繼續(xù)接通運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)果驅(qū)動(dòng)車(chē)體前進(jìn)。如果除中傳感器之外，左、右傳感器中的任一個(gè)未檢測(cè)到黑線(xiàn)，則該傳感器輸出“無(wú)線(xiàn)”信號(hào)，這時(shí)脫離引導(dǎo)線(xiàn)的傳感器對(duì)側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，同側(cè)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，以此達(dá)到校正行進(jìn)方向的目的。

　　2．3 紅外避障模塊設(shè)計(jì)

　　在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物，無(wú)法正常通過(guò)時(shí)，采用紅外線(xiàn)檢測(cè)器檢測(cè)障礙物，并設(shè)計(jì)算法控制小車(chē)?yán)@開(kāi)障礙物繼續(xù)尋跡前進(jìn)。在小車(chē)前端兩側(cè)分別安裝1個(gè)紅外發(fā)射二極管(如東芝TLN110)進(jìn)行紅外信號(hào)的發(fā)射，紅外線(xiàn)光源發(fā)出的信號(hào)調(diào)制到38kHz，使用2407A的PWM輸出產(chǎn)生精確的信號(hào)。紅外接收器由安裝在車(chē)頭中央的專(zhuān)用紅外接收模塊(如CRVPl738)對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行接收。小車(chē)前進(jìn)路線(xiàn)中障礙物的判斷原則：a．左邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)中央接收端，判斷是否接收到信號(hào)；b．右邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)中央接收端，判斷是否接收到信號(hào)；c．若左邊發(fā)射時(shí)，有信號(hào)接收則小車(chē)左邊有障礙物；若右邊發(fā)射時(shí)，有信號(hào)接收則小車(chē)右邊有障礙物；若左邊和右邊發(fā)射時(shí)，都有信號(hào)接收則小車(chē)正前方有障礙物。

 　　在小車(chē)前進(jìn)過(guò)程中有三種避障算法：沿左邊行走，沿右邊行走，左右相結(jié)合行走。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)在多種環(huán)境下都能避障，所以選擇左右結(jié)合行走的算法。在小車(chē)左、右側(cè)兩側(cè)等比例安裝若干紅外測(cè)距傳感器(GP2D12)，用于防止小車(chē)在避障過(guò)程中與障礙物發(fā)生碰撞，由于GP2-D12輸出為0．4～2．4V的模擬信號(hào)，對(duì)應(yīng)80～10cm距離，輸出與距離成反比關(guān)系，且為非線(xiàn)性，可直接利用2407A集成的A／D轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)由 DSP進(jìn)行相應(yīng)處理，進(jìn)行避障前進(jìn)。在避障過(guò)程中，采用接近式控制策略，維持障礙物和傳感器之間的距離為一固定常數(shù)，當(dāng)兩者距離偏小時(shí)，機(jī)器人向遠(yuǎn)離障礙物的方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)兩者距離偏大時(shí)，向靠近障礙物的方向旋轉(zhuǎn)。小車(chē)沿障礙物行進(jìn)過(guò)程中，在車(chē)頭底部光電傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)時(shí)，小車(chē)開(kāi)始調(diào)整行進(jìn)姿勢(shì)，遠(yuǎn)離障礙物，繼續(xù)尋跡。另外在小車(chē)無(wú)法成功繞過(guò)障礙物繼續(xù)尋跡時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊控制小車(chē)?yán)@過(guò)障礙物使其繼續(xù)尋跡。

　　2．4 無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)

　　在機(jī)器人無(wú)法成功避障的情況下，可通過(guò)DSP與上位機(jī)(PC機(jī))之間的通信協(xié)作來(lái)完成避障任務(wù)。DSP與PC機(jī)之間的通信方式分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種，多數(shù)采用串行通信。在本設(shè)計(jì)中采用無(wú)線(xiàn)通信方式，可以克服有線(xiàn)通信造成的操作不便。PTR2000是基于nRF401器件的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有低頻發(fā)射、靈敏度高的特點(diǎn)，使其在嵌入式短程無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)之間的無(wú)線(xiàn)通信，需在DSP與小車(chē)車(chē)體分別安裝一個(gè) PTR2000器件，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。通過(guò)2407A的RXD和TXD引腳與PTR2000的DO和DI引腳直接相連，2407A的控制引腳與PTR2000模式控制引腳相連完成PTR2000于DSP之間的連接，通過(guò)采用MAX232器件在PTR2000和計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行RS-232和 TTL電平之間的轉(zhuǎn)換后，完成PTR2000和PC機(jī)串口的連接。在DSP和PC機(jī)端軟件配合設(shè)置PTR2000的狀態(tài)(發(fā)射或接收)，選擇固定的通信頻道，并讓PTR2000一直處于正常工作狀態(tài)，再通過(guò)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信的功能。

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　　2．5 電源模塊設(shè)計(jì)

　　電源模塊可由16V交流電壓充電器通過(guò)電源充電電路為6節(jié)車(chē)載鎳鎘電池(約7．2V)充電，為各模塊提供工作電壓。電源電路模塊如圖5所示。由于各模塊所需工作電壓不同，可先通過(guò)使用78(L)05穩(wěn)壓器得到5V直流電壓，2407A所需3．3V電源由帶集成延時(shí)復(fù)位功能的低壓差穩(wěn)壓器TPS733Q實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有復(fù)位功能。如圖5所示。

　　2．6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　本輪式機(jī)器人平臺(tái)采用左、右直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，中間有一起支撐作用的萬(wàn)向輪。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)在任何方向旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到小車(chē)前進(jìn)、倒退和轉(zhuǎn)向的目的。電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)向與否是由提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的高、低電壓信號(hào)次序決定的，它們來(lái)自前端的數(shù)字邏輯門(mén)定序電路。數(shù)字邏輯定序電路的輸入信號(hào)由2407A 產(chǎn)生的方向信號(hào)和PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的方向和速度的控制分為方向端和使能端，該電路同時(shí)可以避免產(chǎn)生電源短路對(duì)電子器件造成的損害。此小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是H橋驅(qū)動(dòng)電路，該電路通過(guò)控制電機(jī)電流流向達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的。當(dāng)Q1和04導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)電流從左流向右，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)電流從右流向左，電機(jī)反轉(zhuǎn)。如圖7所示。

　　3 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)

　　以TMS320LF2407A為核心的教育機(jī)器人硬件系統(tǒng)整體功能可在軟件開(kāi)發(fā)工具CCS和硬件開(kāi)發(fā)工具XDS的支持下采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程進(jìn)行程序仿真調(diào)試，再通過(guò)JTAG接口下載到DSP內(nèi)實(shí)現(xiàn)，給DSP學(xué)習(xí)者帶來(lái)了極大的方便。同時(shí)，得益于2407A外部資源的豐富性，系統(tǒng)中未使用部分有利于學(xué)習(xí)者做進(jìn)一步的功能開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的以智能小車(chē)為載體的基于TMS320LF2407A教育機(jī)器人硬件平臺(tái)，包括電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)，并集成了紅外和光敏傳感器和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)尋跡、避障及尋跡避障相結(jié)合的功能，達(dá)到了理論課程學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的目的，鞏固了知識(shí)并進(jìn)一步提高了學(xué)習(xí)者的興趣。該整體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很好的擴(kuò)展性，而且通過(guò)軟件編程控制機(jī)器人完成一定的功能，很好地鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力和編程能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。