(完整word版)基于TMS32OLF2407A的教育機器人硬件系統(tǒng)設計.

1、基于TMS32OLF2407的教育機器人硬件系統(tǒng)設計0 引言智能機器人作為一個高新科技的綜合體，直接反應了一個國家信息技術 的發(fā)展水平，受到了社會各界的高度重視。最近這些年，在我國大學里已經將 機器人作為機械電子學、計算機技術、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，教育機器人則逐漸成為素質教育、技能實踐活動的選 題之一，各種機器人比賽正蓬勃發(fā)展。智能機器人涉及了信息技術的幾乎所用 內容，可以讓學生接觸并看到信息技術的全景，并且智能機器人是信0 引言 智能機器人作為一個高新科技的綜合體，直接反應了一個國家信息技術的發(fā)展 水平，受到了社會各界的高度重視。最近這些年，在我國大學里

2、已經將機器人 作為機械電子學、計算機技術、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，教育機器人則逐漸成為素質教育、技能實踐活動的選題之 一，各種機器人比賽正蓬勃發(fā)展。智能機器人涉及了信息技術的幾乎所用內 容，可以讓學生接觸并看到信息技術的全景，并且智能機器人是信息技術的開 放平臺，學生可以充分發(fā)揮想象力去開發(fā)各種智能裝置，從而培養(yǎng)學生對信息 技術的開發(fā)能力，在開發(fā)過程中，培養(yǎng)各種能力，激發(fā)學生的興趣。1 設計思想與總體方案11 教育機器人的設計思想本教育機器人以TMS320LF4D7A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，通過DS

3、P進行運算處理，利用PWM技術實時輸出調整小車的速度和方向，實現(xiàn)小車尋跡、避障、尋跡加避 障等自動控制的功能，另外在小車于尋跡過 程中遇到障礙物，當尋跡加避障算法在尋跡的同時不能完成避障功能時，可由PC機與其相連的無線通信收發(fā) 模塊和DSP相連的另一無線收發(fā)模塊實現(xiàn)無線短 距離通信，控制小車脫離障礙區(qū)并進行正常尋跡。12 總體設計方案和框圖 機器人小車系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要有TMS320LF2407最小系統(tǒng)部分、電源 模塊、電機驅動模塊、傳感器模塊、無線通信模塊構成，實現(xiàn)由車載的各 種傳感器將信息不斷地傳遞給車載微控制器，并將編程設計算法下載至微控制 器實現(xiàn)實時調整小車的運動狀態(tài)，完成一

4、定的功能要求。2 系統(tǒng)硬件模塊設計2. 1 TMS320LF2407A最小系統(tǒng)設計TMS320LF2407是 2000系列中目前應用最為廣泛的產品，它在片上不僅具有一 個適于進行數(shù)字信號處理的高效處理器，而且還集成了存儲器和適應控制領域 應用的豐富片上外設，從而構成了一個基本的片上計算機系統(tǒng)。除了具有改進 的哈佛結構、多總線結構和流水線結構等優(yōu)點外，它還采用高性能靜態(tài) CMOS 技術，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的單周期內完成。TMS320LF2407的基本結構包括中央處 理器單元（CPU、存儲器、片內外設與專用硬件電路三個組

5、成部分。本系統(tǒng)硬件 平臺充分利用TMS320LF2407控制器的特點采用模塊化設計，分為基本電路和 擴展控制電路部分。基本電路包括電源電路、復位電路、時鐘電路、AD 輸入通道和JTAG仿真電路等。擴展電路包括存儲器及譯碼電路、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。22 尋跡模塊設計此部分采用光電傳感器對路面信息進行識別。采用RP R220型光電對管，RP R220是一種一體化 反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外 發(fā)光二極管 ，接 收管是一個高靈敏度的硅平面光電 三極管，用 3個該紅外對管構成“一”字形 排列在小車車頭的底

6、部，路徑軌跡由黑線指示，根據(jù)落在黑線區(qū)域的光電三極 管接收到的反射光線強度與白色區(qū)域的不同，由檢測到的黑線光電管的位置來 判斷小車的位置方向看其是否偏離黑線，當紅外對管的發(fā)射二極管發(fā)出 紅外 線，經反射物 （ 白線）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，經比較器比較后輸出低電平，當紅外線照射到黑線上 時，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，將輸出端信號送至 2407A進行分析處理，反射式光電傳感器原理如 圖 3所示。 3個傳感器中如果位于中間的傳感器 （中傳感器）檢測到黑線，從傳 感器將發(fā)出“有線”信號，后輪兩電機繼續(xù)接

7、通運轉，結果驅動車體前進。如 果除中傳感器之外，左、右傳感器中的任一個未檢測到黑線，則該傳感器輸出 “無線”信號，這時脫離引導線的傳感器對側的驅動電機停止運行，同側電機 繼續(xù)運行，以此達到 校正行進方向的目的。23 紅外避障模塊設計a.左邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號，檢測中央接收 b.右邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號，檢測中央接收 C.若左邊發(fā)射時，有信號接收則小車左邊有障礙在小車行進過程中遇到障礙物，無法正常通過時，采用紅外線檢測器檢測障礙 物，并設計算法控制小車繞開障礙物繼續(xù)尋跡前進。在小車前端兩側分別安裝 1個紅外發(fā)射二極管（如東芝TLN110進行紅外信號的發(fā)射，紅外線光源發(fā)出的 信號調制到38k

8、Hz,使用2407A的PW輸出產生精確的信號。紅外接收器由安 裝在車頭中央的專用紅外接收模塊（如CRVPI738對紅外信號進行接收。小車前 進路線中障礙物的判斷原則： 端，判斷是否接收到信號； 端，判斷是否接收到信號； 物；若右邊發(fā)射時，有信號接收則小車右邊有障礙物；若左邊和右邊發(fā)射時， 都有信號接收則小車正前方有障礙物。在小車前進過程中有三種避障算法：沿左邊行走，沿右邊行走，左右相結合行 走。本設計要實現(xiàn)在 多種環(huán)境下都能避障，所以選擇左右結合行走的算法。在 小車左、右側兩側等比例安裝若干紅外測距傳感器 （GP 2D12，用于防止小車在 避障過程中與障礙物發(fā)生碰撞，由于 GP2-D12輸出為

9、0. 42. 4V的模擬信 號，對應8010cm距離，輸出與距離成反比關系，且為非線性，可直接利用 2407A集成的A/D轉換功能，進行A/D轉換得到相應參數(shù)，根據(jù)參數(shù)由 DSP 進行相應處理，進行避障前進。在避障過程中，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)，當兩者距離偏小時，機器人向遠離障 礙物的方向旋轉；當兩者距離偏大時，向靠近障礙物的方向旋轉。小車沿障礙 物行進過程中，在車頭底部光電傳感器檢測到黑線時，小車開始調整行進姿 勢，遠離障礙物，繼續(xù)尋跡。另外在小車無法成功繞過障礙物繼續(xù)尋跡時，可 以通過無線通信模塊控制小車繞過障礙物使其繼續(xù)尋跡。24 無線通信模塊設計

10、在機器人無法成功避障的情況下，可通過 DSP與上位機（PC機）之間的通信協(xié)作 來完成避障任務。DSP與 PC機之間的通信方式分為有線和無線兩種，多數(shù)采用 串行通信。在本設計中采用無線通信方式，可以克服有線通信造成的操作不 便。PTR2000是基于nRF401器件的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有低頻發(fā)射、靈敏度 高的特點，使其在嵌入式短程無線產品中得到廣泛的應用。要實現(xiàn)DSP與 PC機之間的無線通信，需在DSP與小車車體分別安裝一個P TR2000器件，其系統(tǒng)硬 件結構框圖如圖4所示。通過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莫式

11、控制引腳相連完成 PTR2000 于DSP之間的連接，通過采用MAX232器件在PTR2000和計算機串口進行RS- 232 和TTL電平之間的轉換后，完成 PTR2000和PC機串口的連接。在 DSP和 PC機端軟件配合設置PTR2000勺狀態(tài)（發(fā)射或接收），選擇固定的通信頻道，并 讓PTR2000-直處于正常工作狀態(tài)，再通過設計軟件系統(tǒng)實現(xiàn)無線通信的功 能。25 電源模塊設計電源模塊可由16V交流電壓充電器通過電源充電電路為 6節(jié)車載鎳鎘電池（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，可先通過使用 78（L）05穩(wěn)壓器得到5V直流電壓，

12、2407A所 需3. 3V電源由帶集成延時復位功能的低壓差穩(wěn)壓器TPS733C實現(xiàn)，同時具有復位功能。如圖 5 所示。26 電機驅動模塊設計 本輪式機器人平臺采用左、右 直流電機 驅動的方式，中間有一起支撐作用的萬 向輪。電機驅動模塊可以實現(xiàn)兩電機在任何方向旋轉從而達到小車前進、倒退 和轉向的目的。電機發(fā)生轉向與否是由提供給電機驅動電路的高、低電壓信號 次序決定的，它們來自前端的數(shù)字邏輯門定序電路。數(shù)字邏輯定序電路的輸入 信號由2407A產生的方向信號和PWM&號實現(xiàn)機器人的方向和速度的控制分為 方向端和使能端，該電路同時可以避免產生電源短路對電子器件造成的損害。此小車電機驅動電路是H橋驅動電路，該電路通過控制電機 電流流向達到控制 轉向的目的。當Q1和04導通時，電機電流從左流向右，電機正轉；當 Q2和 Q3導通時，電機電流從右流向左，電機反轉。如圖 7所示。3 系統(tǒng)整體實現(xiàn) 以TMS320LF2407為核心的教育機器人硬件系統(tǒng)整體功能可在軟件開發(fā)工具 CCS和硬件開發(fā)工具XDS的支持下采用C語言和匯編語言混合編程進行程序仿 真調試，再通過JTAG接口下載到DSP內實現(xiàn)，給DSP學習者帶來了極大的方 便。同時，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習者 做進一步的功能開發(fā)和應用。4 結語 本文設計的以智能小車為載體的基于 TMS320LF240