基于ARM的嵌入式系統在機器人控制系統中的應用

3.2 系統設計

此系統的設計主要是為了能夠滿足多種機器人控制需求，同時兼顧機器人對控制器體積、重量、功耗等敏感的特性。

上位機CPU選用Samsung公司的基于ARM920T[5,6]核（適用于實時環境）的低功耗、16/32 bit、高性能RISC微控制器S3C2410，它的主頻為266MHz；操作系統選用源碼公開、專為ARM設計的、可靠性高的實時、多任務內核arm- Linux；下位機選用Ti公司的具有低功耗、靈活指令集、內部操作靈活、高速的運算能力等性能的DSP－TMS320LF2407。

3.2.1 體系結構

基于ARM、DSP和arm-Linux的機器人控制系統硬件結構圖如圖1所示。

圖1 機器人控制器硬件結構

上位機主要解決算法問題，處理各個傳感器送回的信號，根據各個信號，向下位機發送控制命令，同時，上位機接收來自下位機的信號，判斷下位機的狀態，以便發送相應的數據和命令。下位機主要是對電機的控制，根據上位機發送過來的命令和數據，結合前饋算法和PID算法，對電機進行速度、位置等控制。

不同類型的機器人，其主要區別在于上位機的算法編寫，上位機的算法與具體的機器人所要求完成的任務有關。在一個機器人系統中，只需一個上位機，作為機器人的“大腦”；下位機的個數則根據機器人需要而定。

3.2.2 硬件設計

硬件設計的原則是：部件模塊化，接口標準化，互換性、擴展性好，可靠性高。

硬件可劃分為CPU模塊、外設模塊。兩個模塊層可疊在一起，機械上可拆分，相互之間有接口相連，便于互換和維護。

1）CPU模塊：上位機包括S3C2410、SDRAM、NAND FLASH、晶振等系統運行的基本要素；下位機包括TMS320LF2407、SDRAM、晶振等系統運行的基本要素。

2）外設模塊：上位機包括電源接口、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、上位機通訊接口、A/D接口，FLASH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。片內的2個UART分別用作485總線及與下位機通訊接口，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UART用作與上位機通訊接口，也用了光電隔離。

針對不同的機器人，硬件部分只需做簡單的接口調整或傳感器增刪。

控制器集成尺寸：上位機模塊為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 軟件設計

軟件設計的基本原則是：軟件結構化，驅動標準化，系統可定制[13]。

軟件設計的主要工作是操作系統的移植、驅動程序的設計、常用API函數的封裝、多任務的分解與設計、上位機算法的編寫和下位機驅動程序與算法的編寫等。其中關鍵在于上下位機的同步性，當多個控制器一起工作時，同步問題更加重要了。上位機把數據傳送給下位機，先把控制器的標號給傳下去，只有與此號碼相對應模塊才能接收下面的數據，當下位機接收到信號后，需要向上位機發送一個確認信號。需要同步多個處理器，分別占用總線。為了使多機通訊同步，不發生信號沖突，在設計硬件時，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。當一個控制器接收或發送數據時，向其它處理器發送一個高信號，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，不再發送數據，可避免總線沖突。事實證明這種方法是可行的，不會發生總線沖突，多處理器工作時同步性很好。