基于TMS320F2812的機(jī)械手控制平臺(tái).doc

題 目： 基于DSP的機(jī)械手控制系統(tǒng) 摘要:本項(xiàng)目對基于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械手控制平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。機(jī)械手硬件以TMS320F2812 DSP芯片為控制核心，由水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的腰部步進(jìn)電機(jī)、垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)的手臂步進(jìn)電機(jī)和電磁吸棒三部分組成，機(jī)械手臂均能360度任意轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手軟件包括主控程序、電機(jī)運(yùn)行程序、鍵盤中斷程序、液晶顯示接口程序。操作者能通過手動(dòng)、循環(huán)自動(dòng)和遠(yuǎn)程遙控等多種控制形式來控制機(jī)械手的運(yùn)行。Abstruct:The robot control platform based on stepper motor is designed.TMS320F2812 DSP chip is used as control core in the platform.The plat form is consisted of horizontal stepper motor, vertical stepper motor and electromagnetic absorptionrods. The arm of the robot can rotate in 360 degree. The software of robot platform is consisted of master control program, the program of the motor to run, Keyboardinterrupt program and LCDinterface program. The platform can be controlled by manual control ,cycle automatic and remote control 1. 引言機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，完成按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。以往機(jī)械手大多以PLC可編程控制器為控制核心，但是成本太貴，在一些小型工廠不宜使用，而TI公司的C2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，在電機(jī)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。能夠基本滿足許多工廠的任務(wù)要求，使用2812芯片的機(jī)械手系統(tǒng)因?yàn)轶w積小，價(jià)格便宜，可以在大量的場合使用。機(jī)械手精確的角度把握，使得流水作業(yè)質(zhì)量大大提升。2. 系統(tǒng)方案 2.1機(jī)械手控制系統(tǒng)功能概述機(jī)械手模型如圖2-1所示：圖2-1 機(jī)械手模型1. 水平方向的腰部步進(jìn)電機(jī)360度全方位運(yùn)動(dòng)，垂直方向的手臂步進(jìn)電機(jī)可以360度全方位運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手在兩個(gè)自由度內(nèi)角度任意變換，角步速度、精度均可調(diào)，使得機(jī)械手臂能精確到位。2. 液晶顯示屏記錄轉(zhuǎn)動(dòng)圈速和運(yùn)行時(shí)間，顯示當(dāng)前運(yùn)行情況，根據(jù)任務(wù)的不同，機(jī)械手抓舉部分可以選用電磁吸棒，機(jī)械抓等，具有很強(qiáng)的通用性。操作者可通過手動(dòng)、循環(huán)自動(dòng)和遠(yuǎn)程遙控多種形式控制機(jī)械手。2.2總體設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，基于DSP的機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。如圖2-2 基于DSP的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)框圖基于DSP的機(jī)械手控制系統(tǒng)的主要功能模塊為：DSP最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路、顯示電路和電源電路。2.3具體方案1.核心控制芯片 系統(tǒng)需要選用一個(gè)控制芯片來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，有如下三種方案： 方案一：采用PLC可編程控制器 優(yōu) 點(diǎn)：壽命長，運(yùn)行可靠，可多臺(tái)同時(shí)控制，技術(shù)已經(jīng)成熟，在大型機(jī)械手中廣泛使用。缺 點(diǎn)：體積大，價(jià)格昂貴，編程限制于梯形圖，算法繁瑣。方案二：采用STC89C51單片機(jī)優(yōu) 點(diǎn)：體積小，價(jià)格便宜，編程簡單缺 點(diǎn): 擴(kuò)展能力有限，輸出口較少。 方案三：采用TMS320F2812 DSP控制優(yōu) 點(diǎn)：體積小，運(yùn)行可靠，輸出端口多，可供多臺(tái)同時(shí)使用，編程語言先進(jìn)，算法簡單，能通過算法使機(jī)械手精確定位。缺 點(diǎn)：芯片推出時(shí)間不長，技術(shù)可能不成熟?？紤]到多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)操作，所以采用DSP2812為本次設(shè)計(jì)的核心芯片。2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 由于要使用兩臺(tái)功率不一樣的步進(jìn)電機(jī)，而DSP芯片產(chǎn)生的電流很小，驅(qū)動(dòng)不了步進(jìn)電機(jī)，所以需要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通?？梢圆捎萌缦路桨笇?shí)現(xiàn)： 方案一：利用達(dá)林頓管ULN2003放大電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 優(yōu) 點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路簡單，驅(qū)動(dòng)小功率電機(jī)足夠 缺 點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流比較小，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)需考慮步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流。 方案二：采用L298組成的驅(qū)動(dòng)電路 優(yōu) 點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)能力比2003強(qiáng)，能帶動(dòng)大功率步進(jìn)電機(jī)，基本不用考慮電流問題。 缺 點(diǎn)：電路較為復(fù)雜。 比較以上兩個(gè)方案，考慮到這次設(shè)計(jì)需要使用一臺(tái)12V/0.4A的步進(jìn)電機(jī)，所以采用方案二選用L298組成的驅(qū)動(dòng)電路。3顯示接口電路因?yàn)樾枰@示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模式，以及圈數(shù)、精度等情況，所以需要顯示模塊，可以采用以下方案實(shí)現(xiàn)： 方案一：采用六位LED數(shù)碼管 優(yōu) 點(diǎn)：電路簡單，不需編程只需一個(gè)譯碼器 缺 點(diǎn)：顯示數(shù)據(jù)太少，只能顯示單位數(shù)字，不能充分說明步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。方案二：采用液晶顯示屏12864優(yōu) 點(diǎn)：因?yàn)榭梢远嘈酗@示，可以充分顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。缺 點(diǎn)：電路較為復(fù)雜，需要編程，成本較高?？紤]到本次需要使用多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，所以需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)不方便，所以采用液晶屏12864組成的顯示模塊。4.電源電路 機(jī)械手由步進(jìn)電機(jī)組成，所以需要兩臺(tái)功率不一樣的步進(jìn)電機(jī)，可以采用如下兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源方案： 方案一：采用CW7812穩(wěn)壓電路 優(yōu) 點(diǎn)：電路簡單，只需穩(wěn)壓芯片和電容濾波即可，內(nèi)部包含電流限制、有過流保護(hù)和安全區(qū)保護(hù)，基本不會(huì)損壞。 缺 點(diǎn)：最大輸出電流1.5A，驅(qū)動(dòng)能力有限，如果使用，每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)都將配一套12V電源。 方案二：采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 優(yōu) 點(diǎn)：輸出電流能達(dá)到3A，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，完全滿足兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī) 缺 點(diǎn)：與CW7812穩(wěn)壓電路相比，電路較復(fù)雜?？紤]到要使用兩臺(tái)電機(jī)，輸出電流比較大，后期不能帶動(dòng)別的電機(jī)，適用性差，所以選用LM2596直流斬波電路。2.4版面設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，DSP工作頻率高受外部易干擾，所以單獨(dú)把CPU主控電路設(shè)計(jì)為一塊PCB板，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路單獨(dú)設(shè)計(jì)為一塊PCB板，電源為一塊PCB板。如此設(shè)計(jì)還可使CPU控制卡用在別的場合，使它的通用性更強(qiáng)。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于DSP的機(jī)械手控制系統(tǒng)主要由DSP最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路、顯示電路和電源電路等組成。3.1 DSP2812最小系統(tǒng)DSP最小應(yīng)用系統(tǒng)包括了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、SRAM、JTAG仿真接口電路及D/A轉(zhuǎn)換電路，電路原理圖如圖3-1所示。電路主要由DSP2812、30M無源晶振和電源芯片TPS767D318等組成，外加少量電阻、電容和電感。TPS767D318為+5V輸入，可產(chǎn)生+3.3V和1.8V的輸出電壓供DSP使用；同時(shí)該芯片產(chǎn)生的復(fù)位信號也可供JTAG仿真口使用，另外還需加一個(gè)14腳的JTAG仿真口以便燒寫程序。該系統(tǒng)不管是在仿真模式下，還是在實(shí)時(shí)運(yùn)行模式下都可正常使用。圖3-1 DSP2812最小系統(tǒng)原理圖3.1.1 TMS320F2812芯片TMS320F2812 DSP芯片是在原有TMS320C2XX系列芯片的基礎(chǔ)上推出的，它是目前TI公司C2000系列中較高檔的一款DSP芯片。它的主頻為150MHZ,內(nèi)含事件管理器、AD轉(zhuǎn)換，總體性價(jià)比高。它可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，數(shù)字電源系統(tǒng)，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，輪胎壓力測試系統(tǒng)，顯示屏技術(shù)，汽車電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置，打印機(jī)辦公產(chǎn)品和一些潮流的產(chǎn)品開發(fā)等等。振蕩器、鎖相環(huán)主要為處理器CPU及相關(guān)外設(shè)提供可編程的時(shí)鐘，每個(gè)外設(shè)的時(shí)鐘都可以通過相應(yīng)的寄存器進(jìn)行編程設(shè)置;看門狗可以監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。DSP除了提供基本的鎖相環(huán)電路外，還可以根據(jù)處理器內(nèi)部外設(shè)單元的工作要求配置需要的時(shí)鐘信號。處理器還將集成的外設(shè)分成高速和低速兩組，可以方便地設(shè)置不同模塊的工作頻率，從而提高處理器的靈活性和可靠性。3.1.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示時(shí)鐘電路，因?yàn)門MS320F2812 DSP內(nèi)置振蕩器電路，只需外加晶體和負(fù)載電容即可以產(chǎn)生時(shí)鐘基準(zhǔn)來滿足TMS320F2812 DSP的時(shí)鐘輸入要求。TMS320F2812 DSP帶有片內(nèi)鎖相環(huán)（PLL）時(shí)鐘模塊，其最大的預(yù)設(shè)比例因子為5，因此只要配置U2為30MHz的晶振就可以滿足DSP的頻率工作要求，電容C2、C3都為10pF。3.1.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)DSP有三種復(fù)位方式：上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、軟件復(fù)位，前兩種是通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)位，后一種是通過指令方式實(shí)現(xiàn)的復(fù)位。 圖3-1所示復(fù)位電路，利用RC電路的延遲特性給出復(fù)位所需要的低電平時(shí)間。在上電瞬間，由于電容C上的電壓不能突變，所以通過電阻R進(jìn)行充電，充電時(shí)間有RC的乘積值決定，一般要求大于5個(gè)外部時(shí)鐘周期，可根據(jù)具體情況選擇。為防止復(fù)位不完全，參數(shù)可選擇大一些。 其中電阻R5為10K，電容C6為10F。按鈕的作用是當(dāng)按鈕按下時(shí)，將電容C上的電荷通過按鈕串接的電阻釋放掉，使電容C上的電壓降為零；當(dāng)按鈕松開時(shí)，電容C的充電過程與上電復(fù)位相同，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鈕復(fù)位。3.1.4 SRAM設(shè)計(jì)在電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)時(shí)控制軟件必須經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和不斷優(yōu)化，而DSP內(nèi)部自帶的RAM一共只有18K16位，對于復(fù)雜的控制算法將不能勝任，如果直接把不完善的程序燒入到DSP芯片內(nèi)部的Flash中，這樣頻繁地?zé)龑懞筒脸鼺lash不僅會(huì)浪費(fèi)調(diào)試的時(shí)間，而且還會(huì)影響Flash的使用壽命。采用的外部SRAM芯片是ISSI公司的IS61LV6416，IS61LV6416有16根數(shù)據(jù)總線和16根地址總線，最大存儲(chǔ)空間為64K16位，同時(shí)具有10ns的快速讀寫速度。IS61LV6416為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，一般由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路組成。外擴(kuò)RAM設(shè)計(jì)電路圖如圖3-2所示。圖3-2 外擴(kuò)RAM設(shè)計(jì)電路圖3.1.5 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中設(shè)置了兩路D/A輸出通道，用來在試驗(yàn)過程中檢測相關(guān)的物理量，將需要觀測的量如電壓、電流、轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等DSP的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成模擬量，用示波器觀測結(jié)果，將使調(diào)試過程更加直接和感性。D/A轉(zhuǎn)換器電路連接如圖3-3所示。圖3-3 D/A轉(zhuǎn)換器電路連接圖當(dāng)5V電源電壓工作時(shí)，TLC7528C的數(shù)字輸入提供TTL兼容性。TLC7528C可以用5V至15V范圍內(nèi)的任何電源電壓工作；但是5V以上輸入邏輯電平不與TTL兼容。3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊采用SGS-THMOSON Microelectronics所生產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N,經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號后，經(jīng)過光耦隔離接入L298N再接入步進(jìn)電機(jī)控制信號端。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3-4所示。圖3-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298N內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)備信號，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接通過電流來調(diào)節(jié)輸出電壓。3.3顯示接口電路顯示模塊采用的是LCD12864液晶模塊，具有顯示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，顯示電機(jī)運(yùn)行步數(shù)，以及當(dāng)前速度標(biāo)志。12864顯示模塊接口電路如圖3-5所示。圖3-5 12864顯示模塊電路用12864多行顯示對當(dāng)前步進(jìn)電氣運(yùn)行狀況時(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，因?yàn)樯婕岸嗯_(tái)步進(jìn)電機(jī)，需要顯示的數(shù)據(jù)較多，所以選擇采用可以多行顯示的12864液晶顯示屏。3.4電源模塊220V交流電經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓，輸出一路5V，一路12V穩(wěn)定電壓。如圖3-6電源電路所示。圖3-6 電源電路TPS767D318電源電路如圖3-7所示。當(dāng)采用雙電源器件芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)上電或掉電操作過程中內(nèi)核和I/O供電的相對電壓和上電次序。通常情況下，在芯片內(nèi)部內(nèi)核和外部I/O模塊采用獨(dú)立的供電結(jié)構(gòu)，如果在上電或掉電過程中兩個(gè)電壓的供電起點(diǎn)和上升速度不同，就會(huì)在獨(dú)立的結(jié)構(gòu)（內(nèi)核和外部I/O模塊）之間產(chǎn)生電流，從而影響系統(tǒng)初始化狀態(tài)，甚至影響器件的壽命，而且隔離模塊之間的電流還會(huì)觸發(fā)器件本身的閉鎖保護(hù)，盡管TI公司的DSP上電過程中允許兩種供電有一定的時(shí)間差。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長器件的使用壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮上電、掉電次序問題。對于DSP內(nèi)核和外設(shè)供電次序控制可以采用多種方法，主要有兩種方法：采用分離原件P通道MOSFET管和TI公司提供的電源分配開關(guān)。5V再用CW7805穩(wěn)壓芯片，電路簡單，供給電源芯片TPS767D318。輸出1.8V/3.3V電壓。另外一路采用LM2596直流斬波，恒定輸出12V電壓提供給兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，圖3-8為LM2596直流斬波電路。圖3-7 TPS767D318電源電路圖3-8 LM2596直流斬波電路4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的調(diào)速、步數(shù)、運(yùn)行順序。在整個(gè)系統(tǒng)中用到了TMS320F2812芯片的主要資源有：通用定時(shí)器、GPIOA口、GPIOB口等。系統(tǒng)軟件包括以下模塊：主程序、鍵盤中斷處理程序、液晶顯示程序、電機(jī)運(yùn)行程序。4.1主程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和控制的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)主要功能在中斷程序中完成，主程序的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、LCD顯示系統(tǒng)啟動(dòng)信息和開啟中斷等功能。主控程序流程圖如圖4-1所示。系統(tǒng)初始化中，完成的任務(wù)：1.系統(tǒng)時(shí)鐘配置為30MHZ；2.將GPIOA口設(shè)置為普通IO口，將GPIOB口設(shè)置為普通IO口，將GPIOD口設(shè)置為普通IO口；3.對初始值進(jìn)行清零初始化；4.對LCD液晶顯示屏進(jìn)行初始化控制；5.開啟系統(tǒng)總中斷；圖4-1 主控程序流程圖4.2 鍵盤中斷處理程序 圖4-2 鍵盤中斷處理程序流程圖 鍵盤中斷處理程序流程圖如圖4-2所示。鍵盤中斷處理程序用來實(shí)現(xiàn)對鍵盤有鍵按下時(shí)鍵值的讀取。鍵盤接口占用的是TMS320F2812的GPIOD口的資源，當(dāng)有鍵按下時(shí)，定時(shí)器向CPU發(fā)出中斷請求，CPU進(jìn)