1、第4章 MT-U智能机器人的三大要素4.1 智能机器人的三大要素v人对周围环境的反应过程主要是感觉大脑思考、分析做出反映，机器人也是通过这个过程进行信息处理。智能机器人的三大要素是感觉、大脑与驱动器。机器人感觉是各种不同的传感器，机器人的大脑是中央处理器（CPU），机器人驱动器是各种接口驱动电路。vMT-U智能机器人配有多个不同功能的传感器，还可以根据需要扩展其他传感器，对环境有很强的感知能力。以感知环境的能力为基础，MT-U智能机器人能产生许多智能行为。vMT-U智能机器人通过中央处理器（CPU）来思维，我们采用的是TI公司2000系列中功能最强、集成功能最全的高档DSP处理器。它的可靠性很
2、高，集成功能很强，有程序自下载功能。MT-U智能机器人连上串口线就可自动下载程序。vMT-U智能机器人具有很强的人机交互功能，通过精致的液晶屏和按键组合，可以让操作者和机器人之间方便交流，实现对其运行的控制。v计算机硬件决定了机器的极限潜能，去开发这种潜能是软件的工作。我们为用户提供了交互式图形化编程C语言/汇编语言流程图，它使开发MT-U智能机器人的高层行为充满了乐趣。有的底层的驱动软件因与硬件紧密相关或实时要求很高，需要用汇编语言来处理。vMT-U智能机器人的执行器有：两个高性能直流电动机；一个扬声器；一个12864字符的液晶显示器。vMT-U智能机器人主控制器系统结构如图4-1所示。图4
3、-2是MT-U智能机器人扩展系统结构。DSP机器人控制器下载端口1.4Ah锂电池外接电源复位信号放大信号处理放大扬声器MIC输入反接保护充电回路放电回路过电流保护显示控制单片机双机通信缓冲器用户调整控制按钮下载运行欠电压指示下载/电源指示直流有刷电动机驱动器（自带电源稳压功能，最大输出电压12V,最大连续功率24W,过电流、过热保护）直流有刷电动机驱动器（自带电源稳压功能，最大输出电压12V,最大连续功率24W,过电流、过热保护）6W直流有刷电动机6W直流有刷电动机正交光电编码器正交光电编码器扩展电源扩展总线12864蓝色LCD显示屏图4-1 MT-U智能机器人主控制器系统结构扩展系统主控制器
4、CPLD扩展总线接口扩展卡级连6路DI2路串口CAN总线接口扩展总线接口扩展电源接口扩展电源接口5V电源扩展5路DOMT-U标准总线接口MT-U标准总线接口MT-U标准总线接口数字量输入传感器MT-U标准总线接口数据线：D0D7片选信号线读写信号线SPI总线IIC总线数据总线地址总线控制总线数字量控制信号输出8路A-D模拟量输入传感器图4-2 MT-U智能机器人扩展系统结构4.2 MT-U智能机器人的传感器及其处理电路v4.2.1 碰撞传感器碰撞传感器v碰撞传感器是使MT-U智能机器人有感知碰撞环上的碰撞信息能力的传感器。在MT-U智能机器人的前、左前、右前设置有三个碰撞开关（常开），它们与碰
5、撞环一起构成了碰撞传感器（见图4-3），可以通过扩展在机器人的后、左后、右后设置三个碰撞开关。碰撞环与底盘柔性连接，在受力后与底盘产生相对位移，触发固连在底盘上相应的碰撞开关，使之闭合。碰撞传感器方位如图4-4所示。图4-3 碰撞开关前右左后前右后右后左前左图4-4 碰撞传感器方位v1应用v我们在流程图环境中，编写一个碰撞检测程序，来理解如何在程序中使用碰撞开关。流程图图形编辑界面参见图4-5所示。v1）程序含义：前方无碰撞，向前行走，有碰撞，向后退，延时，然后继续向前行走。v2）进入流程图的图形化编程界面，将“控制逻辑”中的“while”模块拖入到流程图生成区并与“主程序”相连；v3）将“数
6、字信号输入”库中“DI2”模块连接到循环内部；v4）将“控制逻辑”中的“if”模块连接到循环内部；v5）鼠标右键单击“if”模块，打开属性，先清空表达式，左值“DI_2”，运算符“=”，右值“0”（0表示碰撞开关未闭合），单击“添加与条件”或者“添加或条件”，单击“确定”；v6）将“执行模块”中的“直行”模块连接到程序中；v7）鼠标右键设置“直行”模块，设置速度（正值：向前行走；负值：向后行走，范围：-1000+1000）；v8）将“执行模块”中的“WAIT”模块连接到程序中；v9）鼠标右键设置“WAIT”模块，单位“毫秒”；v10）完成碰撞检测程序的编写；v11）下载并运行此程序。v上面我们
7、使用的是流程图的图形编程方式编的程序，如果用C语言编写以上的程序，打开并选择C语言界面，输入图4-5右边所显示的代码，然后编译、下载、运行。图4-5 碰撞检测程序流程v2安装v碰撞传感器的接线图如图4-6所示，图4-7是碰撞传感器的插座位置图。v 用户在使用时只需将碰撞开关的插头以正确的方向插入对应的插座即可。DI1DI2DI3碰撞开关1碰撞开关2碰撞开关3图4-6 碰撞传感器的接线图DI1DI2DI6图4-7 碰撞传感器的插座位置图v3原理v到此，碰撞传感器已经能够被用户直接使用。但是，对应于每一个方向的碰撞，用户怎样得到不同方向碰撞开关的状态呢？v在MT-U智能机器人里，各个碰撞开关分别对
8、应接在图4-7所示的扩展板上，前右、前、前左、后左、后、后右分别接在DI1DI6，通过判断DI函数各通道的返回值得到不同方向碰撞开关的状态。碰撞传感器的电路原理如图4-8所示。+5VGNDVCCDIGNDGNDv4.2.2 远红外线传感器远红外线传感器vMT-U智能机器人标准配置上采用2只远红外光电接收二极管（7001000nm）构成红外传感系统（见图4-9），主要用来检测左前方和右前方的热源，检测距离范围为01m。用户可以通过调节电位器来调节远红外线传感器灵敏度。AnodeKathodev远红外线传感器将外界红外光的变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，通过A-D 转换器反映为01023
9、范围内的数值。外界红外光越强，数值越小。因此越靠近热源，机器人显示读数越小。根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱，从而能大致判别出热源的远近。v注意：由于远红外火焰探头工作温度为25+85,存放温度为30100，超过以上温度范围，远红外火焰探头可能会出现工作失常甚至损坏，所以在使用过程中应注意火焰探头离热源的距离不能太近，以免造成损坏。v远红外线传感器探测角度为60，如图4-10所示，测试时最好让热源处于探头的检测范围内。60v1安装v远红外线传感器的接线方式如图4-11所示。通过用M3的螺钉将传感器固定在机器人扩展支架上，然后连接到扩展板的模拟量输入接口AD1AD8，如图4-12所示。A
10、D1AD8图4-12 模拟量输入（A-D）接口插座位置v2应用v我们在流程图环境中，编写一个火焰检测程序，来理解如何在程序中使用远红外线传感器的用法。流程图图形编辑界面参见图4-13。v程序含义：向火焰方向前行，当距离火焰小于一定距离，机器人停止运行。图4-13 远红外线传感器流程图程序v3原理v图4-14为红外线传感器的电路原理图。+5VGNDOUTv4.2.3 光敏传感器光敏传感器vMT-U智能机器人上有2个光敏传感器（见图4-15），它可以检测到光线的强弱。图4-15 光敏传感器v光敏传感器其实是一个光敏电阻，光敏电阻的电极如图4-16所示，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。MT-
11、U智能机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为75k，室内照度下为几千欧姆，阳光或强光下为几十欧姆。图4-16 光敏电阻的电极v1安装v光敏传感器是一个可变的电阻，它的接插方式没有方向性，在扩展板上的位置如图4-17所示。AD2AD4v2应用v如果我们要在流程图环境中，编写一个光敏检测程序，可以参照图4-13 远红外传感流程图程序的编辑方法。v3原理v图4-18是光敏电阻电路原理图，光线越强，电压输出越低，采集到的值越小，变化范围：01023。+5VGNDOUTv4.2.4 传声器传声器vMT-U智能机器人上的传声器（microphone）是能够识别声音声强大小的声音传感器，如图4-19所示
12、。v传声器采集到的信号通过LM386进行放大，放大倍数为200，输出信号接至MIC（AD8）。返回值为01023。电路原理如图4-20所示。R1MG47R23KR42KR31KC1104C4104C210uF/16VC3100uF/16VMIC46MICIN+3IN-2BYPS7V OUT5GAIN1GAIN8VS6GND4U1LM386N-1MIC+5VGNDv4.2.5 光电编码器光电编码器v光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器，它由光电编码模块及码盘组成（见图4-21）。MT-U智能机器人有2个光电编码器，运用反射式红外发射接收模块。反射器（即码盘）是黑白相间的铝合金制成的圆片，40
13、等分。当码盘随轮子旋转时，黑条和白条交替经过光电编码器，反馈的信号状态不同，即构成一个脉冲。因此360共产生20个脉冲，因为这里的码盘是A、B相的，两相相差1/4个周期，所以实际一个周期得到的是40个脉冲，经过2倍频后，一周得到的脉冲数目80，所以轮子转一周，我们读到的编码器数据为80。机器人轮子直径为64mm。a)A、B相码盘 b)编码器电路板图4-21 码盘及光电编码传感器 v1安装v码盘装在轮子的内侧，通过四芯电线连接到驱动器的四芯插座上，如图4-22所示。编码器插座v2原理v光电编码器原理上也是靠发射与接收红外光来工作的。MT-U智能机器人上用的光电编码器芯片集成了发射与接收功能。v光
14、电编码器的工作原理如图4-23所示。a)无返回信号 b)有返回信号 c)反射型红外光电传感器图4-23 光电编码器的工作原理图 v从图4-23中可以看出：红外光射在黑色辐条上时没有反射信号，因为红外光大部分已经被黑色辐条吸收；当红外光射在白色辐条上时有反射信号，因为红外光在白辐条上反射强烈，电路原理如图4-24所示。+5VGNDVCCPHOTOGNDv4.2.6 其他传感器其他传感器vMT-U智能机器人还能集成很多其他的传感器，插在MTBUS（参见4.7节）上即可使用。下面作简单介绍。v1.热释电传感器v热释电传感器对移动的人体热源敏感，可以探测几米外的人体。MT-U智能机器人装上1个或几个热
15、释电传感器后，你可以让他一看见你，就向你迎过来，让他跟着你走。v2.超声传感器v超声传感器是机器人测距的专业传感器，测量距离一般为0.26m，测量精度为1%，是测量声波发射与收到回波之间的时间差来测量距离的。运用MT-U智能机器人本体上带的传感器在房间里找到门不容易，但运用声纳对房间扫描一周后，就能较方便找到房门。v3.连续测距红外线传感器vSHARP公司推出了创新的GP2D02/GP2D12连续测距红外线传感器，测量范围为1080cm，参加灭火比赛时，用它来找房间门非常棒。v4.数字指南针v自主机器人的导航至今仍是世界性难题，借助数字指南针，可以使MT-U智能机器人辨别方向。v5.温度传感器
16、v想让机器人动态告诉你气温吗？加一个温度传感器是个好方法。v6.无线视觉传感器v用MT-U智能机器人来作移动的监视平台。你可以在MT-U智能机器人上安装无线摄像头，把视频信号发射出来，用PC机接收后进行图像处理。v7.红外避障传感器v用来探测的不同方向的障碍物，可以使机器人有效的避开障碍物，如图4-25所示。红外接收红外发射v红外发射端口接在数字输出端口DO1DO3上；v红外接收端口接在数字输入端口DI6上；v使用函数unsigned int IR_CONTROL(unsigned int IN_CHAN,unsigned int OUT_CHAN)。v还有许多传感器，可以让MT-U智能机器人
17、拥有特殊本领。大部分传感器可以方便地运用MTBUS接在MT-U智能机器人上，并用C语言来编驱动程序。vMT-U智能机器人的魅力在于你能控制所有的资源，直接领悟信息采集与处理的机制，以及处理现实情况的复杂性和难以预测性。4.3 MT-U智能机器人的计算机硬件vMT-U智能机器人计算机硬件的设计策略是尽量选择高速、功能齐全、可靠、周边设备集成度高的微控制器。vMT-U智能机器人微控制器采用TI公司生产的高速数字信号处理器TMS320LF2407A。v同时，充分考虑到软件开发工具问题。因为没有优秀方便的软件开发工具，硬件只能成为专有系统，而无法成为开发平台。公司创新性的在DSP 2407A上实现的自
18、下载功能，使我们拥有了纯软件开发调试的优秀工具C语言。C语言既可用于开发高层应用软件，又便于开发低层驱动，还能交互调试，同时还兼容了汇编语言的编程功能。v4.3.1 微控制器微控制器vTI公司生产的TMS320系列DSP专为实时信号处理而设计，该系列DSP将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，适合于应用在控制系统中。vTMS320系列中TMS320LF2407A是 TI公司最新推出的高性能 16位DSP，是240X家族中的新成员，是定点DSP C2000平台系列中的一员，专门为电动机控制与运动控制数字化优化实现而设计。它集C2XX内核增强型TMS320设计结构及适用于控制的低功耗、高性能、优
19、化外围电路于一体，CPU内部采用增强型哈佛结构，四级流水线作业，相对于过去的16的微处理器和微控制器，具有更高的性能和可靠性。v主控制CPU是TQFP封装，具有 144个引脚，如图4-26所示。v1.CPUvTMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。v其中央算术逻辑单元（CALU）是一个独立的算术单元，它包括一个32位算术逻辑单元（ALU）、一个32位累加器、一个1616位乘法器（MUL）和一个16位桶形移位器，同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器。完全独立于C
20、ALU的辅助寄存器单元（ARAU）包含八个16位辅助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同时执行八个辅助寄存器（AR7至AR0）上的算术运算。两个状态寄存器ST0 和ST1用于实现CPU各种状态的保存。vTMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条16位总线，即程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）、数据写地址总线（DWAB）、程序读总线（PRDB）、数据读总线（DRDB）、数据写总线（DWEB），其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法
21、等复杂控制算法得以实现。v2.存储器配置 vTMS320LF2407A地址映象被组织为三个可独立选择的空间：程序存储器（64KB）、数据存储器（64KB）、输入/输出（I/O）空间（64KB）。这些空间提供了共192KB的地址范围。v其片内存储器资源包括544B16位的双端口数据/程序DARAM、2KB16位的单端口数据/程序SARAM、片内32KB16位的Flash程序存储器、256B16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可编程加密特性。vTMS320LF2407A的指令集有三种基本的存储器寻址方式：立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式。v主控制器DSP存储器分布如图4-
22、27所示。v3.事件管理器模块vTMS320LF2407A包含两个专用于电动机控制的事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块包括通用定时器（GP）、全比较单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元。v（1）通用定时器 TMS320LF2407A共有四个16位通用定时器，可用于产生采样周期，作为全比较单元产生PWM输出以及软件定时的时基。通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式和连续增/减计数模式。每个通用定时器都有一个相关的比较寄存器TxCMPR和一个PWM输出引脚TxPWM。每个通用定时器都可以独立地用于PWM输出通道，可产生非对称或对称PWM波形
23、，因此，四个通用定时器最多可提供4路PWM输出。v（2）全比较单元 TMS320LF2407A的每个事件管理器模块有3个全比较单元（1、2和3（EVA）；4、5和6（EVB），每个比较单元各有一个 16位比较寄存器 CMPRx，各有两个CMP/PWM输出引脚，可产生2路 PWM输出信号控制功率器件，其输出引脚极性由控制寄存器(ACTR)的控制位来决定，根据需要，选择高电平或低电平作为开通信号，通过设置T1为不同工作方式，可选择输出对称PWM波形、非对称PWM波形或空间矢量PWM波形。v死区控制单元(DBTCON)用来产生可编程的软件死区，使得受每个全比较单元的两路CMP/PWM输出控制的功率器
24、件的间次开启周期间没有重叠，最大可编程的软件死区时间达16s。v（3）正交编码脉冲电路 正交编码脉冲（QEP）电路可以对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数，可以直接处理光电编码盘的2路正交编码脉冲，正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期（90）的固定相位偏移，对输入的2路正交信号进行鉴相和4倍频。通过检测2路信号的相位关系可以判断电动机的正/反转，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电动机的角位移和转向，电动机的角速度可以通过脉冲的频率测出。v（4）捕获单元 捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变，两个事件管理器模
25、块总共有六个捕获单元。EVA模块有三个捕获单元引脚CAP1、CAP2和CAP3，它们可以选择通用定时器1或2作为时基，但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为时基；EVB模块也有三个捕获单元引脚CAP4、CAP5和CAP6，它们可以选择通用定时器3或4作为时基，但CAP4和CAP5一定要选择相同的定时器作为时基。每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向CPU发中断请求。v4.片内集成外设 vTMS320LF2407A片内集成了丰富的外设，大大减少了系统设计的元器件数量。v（1）串行通信口 TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通信口（SCI
26、）和一个同步串行外设通信口（SPI），用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。SCI即通用异步收发器（UART）支持 RS-232和RS-485的工业标准全双工通信模式，用来与上位机的通信；SPI可用于同步数据通信，典型应用包括TMS320LF2407A之间构成多机系统和外部I/O扩展。v（2）A-D转换模块 TMS320LF2407A包括两个带采样/保持的各8路10位A-D转换器，具有自动排序能力，一次可执行最多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。A-D转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即
27、启动等三种方式。v（3）控制器区域网（CAN）控制器区域网（CAN）是现场总线的一种，主要用于各种设备的监测及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模块是一个16位的外设模块，该模块完全支持CAN2.0B协议，6个邮箱(其中0、1用于接收；4、5用于发送；2、3可配置为接收或发送)每次可以传送08个字节的数据，具有可编程的局部接收屏蔽、位传输速率、中断方案和总线唤醒事件、超强的错误诊断、自动错误重发和远程请求回应、支持自测试模式等功能。vCAN总线通信可靠性高，节点数有110个，传输速度高达1Mbit/s（此时距离最长为40m），直接通信距离可达10km（速率5kbit/s以下），采
28、用双绞线差动方式进行通信，有很强的抗干扰能力。v（4）锁相环电路（PLL）和等待状态发生器 锁相环电路用于实现时钟选项；等待状态发生器可通过软件编程产生用于用户需要的等待周期，以配合外围低速器件的使用。v（5）看门狗定时器与实时中断定时器 看门狗定时器与实时中断定时器均为8位增量计数器，前者用于监控系统软件和硬件工作，在CPU出错时产生复位信号；后者用于产生周期性的中断请求。v（6）外部存储器接口 可扩展为192KB16位的最大可寻址存储器空间（64KB程序存储器、64KB数据存储器、64KB I/O空间）。v（7）数字I/O TMS320LF2407A有40个通用、双向的数字I/O引脚，其中
29、大多数都是基本功能和一般I/O复用引脚。v（8）JTAG接口 由于TMS320LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等原因，传统的并行仿真方式已不再适合于TMS320LF2407A的开发应用。TMS320LF2407A具有符合IEEE1149.1规范的5线JTAG（边界扫描逻辑）串行仿真接口，能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。v（9）外部中断 外部中断共有五个（功率驱动保护、复位、不可屏蔽中断NMI及两个可屏蔽中断）。vMT-U智能机器人运行于扩展工作方式，扩展了32KB静态RAM。vMT-U智能机器人充分利用了DSP TMS320LF2407A的全
30、部硬件资源。关于DSP TMS320LF2407A更详细的介绍信息请参照相关资料。v4.3.2 外部存储器外部存储器vMT-U智能机器人扩展了32KB的静态不挥发RAM。其优点是既有静态RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM或Flash的掉电不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯片。存储器写入的数据可保存十年以上，同时具有可靠的上电、掉电、强静电等数据保护功能。v32KB RAM用了A0A14共15根地址线，构成32KB的地址空间，通过GAL将多个信号复合片选32KB RAM，以实现选址和并行口扩展功能，如图4-28所示。A010A19A28A37A46A55A64A73A825A9
31、24CS20OE22D011D112D213D315D416D517D618D719WE27GND14VCC28A122A1326A1021A1123A141U3A14A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A1D0D1D2D3D4D5D6D7/RD/WE/CSROMVCCGNDv4.3.3 电源与复位电路电源与复位电路vMT-U智能机器人控制板采用稳定性很高、功耗较低的开关稳压芯片LM2575-5，提供1A的电流，5V电压。电源加有反接保护电路、过电流保护电路和欠电压检测电路。v复位电路采用RC上电复位和按钮复位两种方式，如图4-29所示。v主板上有两个电池连接插座，
32、扩展电池接口只用来为电动机（两只轮子驱动电动机、直流电动机、伺服电动机）提供电源，使用时要将主板的拨动开关由（无扩展电池）位置切换到（使用扩展电池）位置，这时所有电动机的电源都来自扩展电池。注意电池的电压不能超过电动机的额定电压，例如大多数伺服电动机的额定电压为9V。Vin1Vout2GND3/EN5FB4P1L1330uH 1AC316V 330uFC40.33uFC116V 100uFD15819+5VC20.1uFVMOTORGNDC50.1uIN3GND1OUT2P2+C6220uFC70.1uGNDVCC+5VVCCGNDS1RESETR14.7K/RS2C810uF123J3CON
33、3D2DIODEK1SW SPDTGND123J1BATD3DIODED5DIODED4DIODEF11A 16VK2SW SPDTVMOTORGNDBATJ2BATBATTERYDC INPUTVMOTOREX BATTERYVMOT图4-29 电源及复位电路原理图4.3.4 通信通信MT-U智能机器人采用MAX232串口驱动芯片与PC机通信，在boot程序中对接收数据判断处理，并驱动SCI发光二极管，因此PC传较多数据给MT-U智能机器人时，绿色SCI 发光二极管会闪动，如图4-30所示。C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11
34、R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U7MAX232C3910uFC3810uFGND1+5V+5VGND1232TXD232RXDC36104C37104C40104SCITXDSCIRXD12345USBASERIALR2647R2747D7TVS36D8TVS36GND232RXD232TXD4.4 驱动器驱动器vMT-U智能机器人获取环境信息，计算处理后，会作用于环境。MT-U智能机器人作用于环境的驱动器有两个：直流电动机、扬声器。v两个直流电动机构成MT-U智能机器人的行走装置，采用差动驱动方式，可原地转向。v扬声器是MT-U智能机器人的嘴，碰到障碍可以发出警
35、告声，可以唱歌，可以呼叫同伴。v4.4.1 电动机供电电源稳压电路电动机供电电源稳压电路v为了稳定电动机的工作电压和特性，我们加装了电池升压稳压电路，有效地提高了电动机在电池电压变化过程中的效率和稳定性，如图4-31所示。Vin1Vout2GND3/EN5FB4P1L1330uH 1AC316V 330uFC40.33uFC116V 100uFD11N5819VMOTC20.1uFVMOTORGNDv4.4.2 电动机驱动电路电动机驱动电路v电动机驱动采用直流电动机主驱动芯片LMD18200。vLMD18200具有3A连续工作电流，6A的最大电流，非常高的转换效率和纹波特性，并且具有过电流、过
36、热保护电路，其连接电路如图4-32所示。12J1MOTORC40.01uFC50.01uFDIRENPWMC30.1uFR11.5KGNDGNDBOOTSTRAP11OUTPUT12DIR OUTPUT3BRAKE INPUT4PWM5Vs6GROUND7CURRENT OUTPUT8THERMAL OUTPUT9OUTPUT210BOOTSTRAP11U1LMD18200C10.1uFC2330uF16V12J3CURRENTVMOTv直流电动机在一定电压下，转速与转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降（见图4-33）。在MT-U智能机器人负载一定时（即转矩一定时），降低
37、电压，对应的转速n1、n2不同，n1n2，这样就可实现用电动机调速。T（转矩）u=12vu=6v一定转矩时n（转矩）v在MT-U智能机器人里采用的是改变电动机电压的方式来改变电动机的转速。MT-U智能机器人提供给电动机的信号是方波，不同的方波它的平均电压不同，我们就利用这一点来进行MT-U智能机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电动机的转速，即脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）。如图4-34所示，通过改变脉冲宽度来调节输入到电动机的平均电压。tVtVtVPulse Width ModulationtontperiodvMT-U智能机器人的电
38、动机是经过减速器将转动传给轮子，将高速转化为低速。MT-U智能机器人通过三级直齿轮传动减速（见图4-35），以满足MT-U智能机器人运行的速度和转矩。v4.4.3 扬声器扬声器v扬声器由DSP的I/O口控制，通过软件产生一定频率的脉冲信号，加以放大、整形，驱动扬声器发音，扬声器驱动电路原理如图4-36所示。C50.1uFD14148R510KR65.1KQ19013SPEAKERSPVCC+5VGND123U2A74004.5 LCD显示板v4.5.1 LCD液晶显示屏vLCD液晶显示屏点阵类型是12864，可以显示中英文字符，如图4-37所示。v12864的屏幕使得MT-U智能机器人更加精致
39、、漂亮。vLCD用于显示MT-U智能机器人实时运行的信息，在状态检测和故障诊断时特别有用。v4.5.2 LCD显示控制显示控制v为了能够有效提高MT-U智能机器人的程序空间，增加DSP主控制器的执行效率，真正实现MT-U智能机器人和操作者之间的人机交互，我们采用了独立的CPU完成显示及键盘操作功能。v1.CPUv显示控制主CPU采用大家都很熟悉的51系列单片机AT89S52控制。v由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。MCS-51的指令系统近
40、乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令，对于编程来说，是相当灵活和方便的。v2.主控制器DSP与显示控制器的通信v为了提高数据通信的实时性和可靠性，采用双向缓冲的方法实现了双机通信。这种通信方式大大提高了人机交互的响应速度，如图4-38所示。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526
41、P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U389S52R184.7KC1422PC1522PY116MGNDGND+5VA8A9A10A11A12A13A14A15AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7RS_CPURDWRCS1CS2GND11VCCA1A03B021A14B120A25B219A36B318A47B417A58B516A69B615A710B714GND12T/R2GND13VCCA24VCCA232622U4+5VGNDVCCD0D1D2D3D4D5D6D74.6 硬件扩展板硬件扩展板v4.6.1 扩展控制主芯片扩展控
42、制主芯片v扩展控制主芯片采用复杂可编程逻辑芯片（CPLD）EPM7064STC100。vEPM7064S是Altera 公司推出的速度非常快的高性能、高集成度可编程逻辑器件，属于MAX7000系列，是特殊的可编程ASIC芯片。在第二代MAX结构基础上，采用先进的CMOS EEPROM 技术制造的，是100引脚的TQFP封装，芯片内部是一个包含有大量逻辑单元的阵列，采用了连续式的布线结构，因而可以通过设计模型精确地计算信号在器件内部的时延。v具有集成度高、工作速度快和在线编程方便的特性，适合于时序、组合逻辑电路以及输入/输出口扩展的应用。v4.6.2 扩展功能扩展功能v扩展功能很多，主要有以下功
43、能，如图4-39所示。v1）8通道10位模-数转换（A-D转换），转换速度500ns。v2）6通道数字量输入（DI），每个通道具有光电隔离功能。v3）5通道数字量输出（DO），每个通道电流可达500mA。v4）2路异步通信接口（串口SCI）。v5）CAN总线通信接口。v6）3路MTBUS总线接口（包括并行接口、IIC接口、同步通信接口（SPI）。v7）扩展卡电源级联接口。v8）扩展卡信号级联接口。v9）5V电源扩展接口。v10）CPLD可编程JTAG口。AD1AD8DI1DI6DO1DO5扩展串口CAN总线接口MTBUS总线5V扩展信号级联（背面）电源级联（背面）JTAG接口接主板接主板DI供
44、电选择（5V/VMOT）DO供电选择（5V/VMOT）图4-39 扩展板功能图4.7 硬件扩展总线MTBUSvMT-U智能机器人控制板使用了MTBUS总线，其结构如图4-40所示，简单类似于ISA和PCI总线。采用MTBUS扩展卡可以方便扩展控制板的功能。1234567891011121314151617181920J5EXT3MCS3MD0MD1MD2MD3MD4MD5MD6MD7/MRD/MWEMSDA3MSCL3MSPIEN3MSPICLKMSPISIMOMSPISOMI+5VVMOTGND1234567891011121314151617181920J4EXT2MCS2MD0MD1MD
45、2MD3MD4MD5MD6MD7/MRD/MWEMSDA2MSCL2MSPIEN2MSPICLKMSPISIMOMSPISOMI+5VVMOTGND1234567891011121314151617181920J3EXT1MCS1MD0MD1MD2MD3MD4MD5MD6MD7/MRD/MWEMSDA1MSCL1MSPIEN1MSPICLKMSPISIMOMSPISOMI+5VVMOTGNDvMTBUS有以下20个信号线及电源线。vMCS：片选信号。v/MRD：读信号。v/MWE：写信号。vMSDA：IIC数据线。vMSCL：IIC时钟线。vMSPIEN：SPI接口使能。vMSPICLK：SP
46、I时钟线。vMSPISIMO：SPI从入主出。vMSPISOMI：SPI主入从出。v+5V：5V电源。vVMOT：电池。vGND：电池-或公共地。v下面举例介绍具体的扩展方法。v4.7.1 扩展扩展8个数字输出口个数字输出口v想再增加几个LED来装饰MT-U智能机器人，想增加一个步进电动机，想增加2个伺服电动机制作的手爪，需要扩展更多的输出口。v利用MTBUS的并行口扩展功能，采用地址锁存芯片74HC273，用MCS线进行片选。数据总线送到74HC273后将被锁存，从而输出给外部设备，数字输出口Outputo0Outputo7加驱动电路后可控制电动机、继电器、LED等，如图4-41所示。CLR
47、1CLK111D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q168D188Q19U1SN74LS2731234567891011121314151617181920J1EXT3123J2CON3GNDDO1+5V123J3CON3GNDDO2+5V123J4CON3GNDDO3+5V123J5CON3GNDDO4+5V123J6CON3GNDDO5+5V123J7CON3GNDDO6+5V123J8CON3GNDDO7+5V123J9CON3GNDDO8+5VR11KD1LED+5VGNDMCS3MD0MD1MD2MD3MD4MD5MD6MD7/MR
48、D/MWEMSDA3MSCL3MSPIEN3MSPICLKMSPISIMOMSPISOM I+5VVMOTGNDG1A12Y118A24Y216A36Y314A48Y412U2AG19A111Y19A213Y27A315Y35A417Y43U2BG1A12Y118A24Y216A36Y314A48Y412U3ASN74LS240G19A111Y19A213Y27A315Y35A417Y43U3BSN74LS240GNDMCSMD0MD1MD2MD3MD4MD5MD6MD7/MWE+5VDO8DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7v扩展卡接口：在机器人本体的扩展板上右三个扩展槽，三个扩展槽在
49、机器人程序中端口号为Port5000、Port6000、Port7000，如图4-42所示。Port6000Port7000Port5000v1数字量扩展卡（DI数字量输入）v（1）数字量扩展卡（DI数字量输入）技术指标 输入8路数字信号；输入电压：DC5V；信号方式：+5V、Ix、GND。v（2）数字量扩展卡（DI数字量输入）在MT-U智能机器人上的安装方法 将数字量扩展卡（DI数字量输入）的排线接口和机器人的MTBUS标准总线（端口Port5000）相连接，如图4-43所示。将排线插接在MTBUS总线插槽上v（3）在MT-U智能机器人上使用数字量扩展卡（DI数字量输入）的软件例程 我们采用
50、直接对地址码的编程方法，方便学生对DSP硬件C语言编程的熟悉。v#include v#include ingenious.hvunsigned int exdi1=0;vunsigned int exdi8=0;vunsigned int exditemp=0;vioport unsigned int port5000;vvoid main()vvwhile(1)vvexditemp=port5000;vif(port5000&0 x0001)vvexdi1=1;vvelsevvexdi1=0;vvif(port5000&0 x0080)vvexdi8=1;vvelsevvexdi8=0;vv
