基于ARM的嵌入式系统在机器人控制系统中的应用

3.2 系统设计

此系统的设计主要是为了能够满足多种机器人控制需求，同时兼顾机器人对控制器体积、重量、功耗等敏感的特性。

上位机CPU选用Samsung公司的基于ARM920T[5,6]核（适用于实时环境）的低功耗、16/32 bit、高性能RISC微控制器S3C2410，它的主频为266MHz；操作系统选用源码公开、专为ARM设计的、可靠性高的实时、多任务内核arm- Linux；下位机选用Ti公司的具有低功耗、灵活指令集、内部操作灵活、高速的运算能力等性能的DSP－TMS320LF2407。

3.2.1 体系结构

基于ARM、DSP和arm-Linux的机器人控制系统硬件结构图如图1所示。

图1 机器人控制器硬件结构

上位机主要解决算法问题，处理各个传感器送回的信号，根据各个信号，向下位机发送控制命令，同时，上位机接收来自下位机的信号，判断下位机的状态，以便发送相应的数据和命令。下位机主要是对电机的控制，根据上位机发送过来的命令和数据，结合前馈算法和PID算法，对电机进行速度、位置等控制。

不同类型的机器人，其主要区别在于上位机的算法编写，上位机的算法与具体的机器人所要求完成的任务有关。在一个机器人系统中，只需一个上位机，作为机器人的“大脑”；下位机的个数则根据机器人需要而定。

3.2.2 硬件设计

硬件设计的原则是：部件模块化，接口标准化，互换性、扩展性好，可靠性高。

硬件可划分为CPU模块、外设模块。两个模块层可叠在一起，机械上可拆分，相互之间有接口相连，便于互换和维护。

1）CPU模块：上位机包括S3C2410、SDRAM、NAND FLASH、晶振等系统运行的基本要素；下位机包括TMS320LF2407、SDRAM、晶振等系统运行的基本要素。

2）外设模块：上位机包括电源接口、485总线接口、A/D接口、I/O接口、PWM接口、下位机通讯接口、USB HOST接口、USB SLAVE 接口、LCD接口等，同时它也是传感器模块和CPU模块连接的桥梁；下位机包括电源接口、485总线接口、I/O接口、PWM接口、光电编码器接口、上位机通讯接口、A/D接口，FLASH等。

S3C2410芯片本身集成了一些通用的外围器件，所以像A/D、USB、I/O等通道直接利用其资源。片内的2个UART分别用作485总线及与下位机通讯接口，这两个串口属于对外连接口，为了避免引入外界干扰，用高速光隔HCPL2630进行隔离。 TMS320LF2407芯片本身也集成了一些通用的外围器件，可直接利用PWM、A/D、I/O、光电编码器接口等资源。片内UART用作与上位机通讯接口，也用了光电隔离。

针对不同的机器人，硬件部分只需做简单的接口调整或传感器增删。

控制器集成尺寸：上位机模块为60mm×45mm×35mm，总功耗约为5V ×200mA，其中CPU模块功耗尽为3.3V×30mA；下位机模块尺寸60mm×40mm×30mm，功耗也是很低的，而一般的PC104总线CPU模块功耗约为5V×1000mA。

3.2.3 软件设计

软件设计的基本原则是：软件结构化，驱动标准化，系统可定制[13]。

软件设计的主要工作是操作系统的移植、驱动程序的设计、常用API函数的封装、多任务的分解与设计、上位机算法的编写和下位机驱动程序与算法的编写等。其中关键在于上下位机的同步性，当多个控制器一起工作时，同步问题更加重要了。上位机把数据传送给下位机，先把控制器的标号给传下去，只有与此号码相对应模块才能接收下面的数据，当下位机接收到信号后，需要向上位机发送一个确认信号。需要同步多个处理器，分别占用总线。为了使多机通讯同步，不发生信号冲突，在设计硬件时，每个微处理器使用了一个I/O口，并把每个处理器的I/O口用线连在一起。当一个控制器接收或发送数据时，向其它处理器发送一个高信号，来说明自己正在使用总线。接受到该信号的处理器得知总线正在忙，不再发送数据，可避免总线冲突。事实证明这种方法是可行的，不会发生总线冲突，多处理器工作时同步性很好。