基于DSP的模塊化教育機器人硬件系統方案

　　智能機器人作為一個(gè)高新科技的綜合體，直接反應了一個(gè)國家信息技術(shù)的發(fā)展水平，受到了社會(huì )各界的高度重視。智能機器人涉及了信息技術(shù)的幾乎所用內容，可以讓學(xué)生接觸并看到信息技術(shù)的全景，并且智能機器人是信息技術(shù)的開(kāi)放平臺，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力去開(kāi)發(fā)各種智能裝置，從而培養學(xué)生對信息技術(shù)的開(kāi)發(fā)能力，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，培養各種能力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

　　本文設計的以智能小車(chē)為載體的基于TMS320LF2407A教育機器人硬件平臺，包括電源模塊和電機驅動(dòng)模塊電路設計，并集成了紅外和光敏傳感器和無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊，通過(guò)軟件設計可實(shí)現尋跡、避障及尋跡避障相結合的功能，達到了理論課程學(xué)習與動(dòng)手實(shí)踐相結合的目的，鞏固了知識并進(jìn)一步提高了學(xué)習者的興趣。

　　1 設計思想與總體方案

　　1.1 教育機器人的設計思想

　　本教育機器人以TMS320LF2407A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(guò)DSP進(jìn)行運算處理，利用PWM技術(shù)實(shí)時(shí)輸出調整小車(chē)的速度和方向，實(shí)現小車(chē)尋跡、避障、尋跡加避障等自動(dòng)控制的功能，另外在小車(chē)于尋跡過(guò)

　　程中遇到障礙物，當尋跡加避障算法在尋跡的同時(shí)不能完成避障功能時(shí)，可由PC機與其相連的無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)模塊和DSP相連的另一無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)短距離通信，控制小車(chē)脫離障礙區并進(jìn)行正常尋跡。

　　1.2 總體設計方案和框圖

　　機器人小車(chē)系統整體框圖如圖1所示，主要有TMS320LF2407A最小系統部分、電源模塊、電機驅動(dòng)模塊、傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊構成，實(shí)現由車(chē)載的各種傳感器將信息不斷地傳遞給車(chē)載微控制器，并將編程設計算法下載至微控制器實(shí)現實(shí)時(shí)調整小車(chē)的運動(dòng)狀態(tài)，完成一定的功能要求。

　　2 系統硬件模塊設計

　　2.1 TMS320LF2407A最小系統設計

　　TMS320LF2407A是2000系列中目前應用最為廣泛的產(chǎn)品，它在片上不僅具有一個(gè)適于進(jìn)行數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(lǐng)域應用的豐富片上外設，從而構成了一個(gè)基本的片上計算機系統。除了具有改進(jìn)的哈佛結構、多總線(xiàn)結構和流水線(xiàn)結構等優(yōu)點(diǎn)外，它還采用高性能靜態(tài) CMOS技術(shù)，電壓降為3.3V，減少了功耗，指令執行速度提高到40MIPS，幾乎所有指令都可以在2 5ns的單周期內完成。TMS320LF2407A的基本結構包括中央處理器單元（CPU）、存儲器、片內外設與專(zhuān)用硬件電路三個(gè)組成部分。本系統硬件平臺充分利用TMS320LF2407A控制器的特點(diǎn)采用模塊化設計，分為基本電路和擴展控制電路部分?；倦娐钒娫措娐?、復位電路、時(shí)鐘電路、A/D 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。系統硬件原理框圖如圖2所示。

　　此部分采用光電傳感器對路面信息進(jìn)行識別。采用RPR220型光電對管，RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收管是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管，用3個(gè)該紅外對管構成“一”字形排列在小車(chē)車(chē)頭的底部，路徑軌跡由黑線(xiàn)指示，根據落在黑線(xiàn)區域的光電三極管接收到的反射光線(xiàn)強度與白色區域的不同，由檢測到的黑線(xiàn)光電管的位置來(lái)判斷小車(chē)的位置方向看其是否偏離黑線(xiàn)，當紅外對管的發(fā)射二極管發(fā)出紅外線(xiàn)，經(jīng)反射物 （白線(xiàn)）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(jīng)比較器比較后輸出低電平，當紅外線(xiàn)照射到黑線(xiàn)上時(shí)，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(jìn)行分析處理，反射式光電傳感器原理如圖3所示。3個(gè)傳感器中如果位于中間的傳感器（中傳感器）檢測到黑線(xiàn)，從傳感器將發(fā)出“有線(xiàn)”信號，后輪兩電機繼續接通運轉，結果驅動(dòng)車(chē)體前進(jìn)。如果除中傳感器之外，左、右傳感器中的任一個(gè)未檢測到黑線(xiàn)，則該傳感器輸出“無(wú)線(xiàn)”信號，這時(shí)脫離引導線(xiàn)的傳感器對側的驅動(dòng)電機停止運行，同側電機繼續運行，以此達到校正行進(jìn)方向的目的。

　　2.3 紅外避障模塊設計

　　在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物，無(wú)法正常通過(guò)時(shí)，采用紅外線(xiàn)檢測器檢測障礙物，并設計算法控制小車(chē)繞開(kāi)障礙物繼續尋跡前進(jìn)。在小車(chē)前端兩側分別安裝1個(gè)紅外發(fā)射二極管（如東芝TLN110）進(jìn)行紅外信號的發(fā)射，紅外線(xiàn)光源發(fā)出的信號調制到38kHz，使用2407A的PWM輸出產(chǎn)生精確的信號。紅外接收器由安裝在車(chē)頭中央的專(zhuān)用紅外接收模塊（如CRVPl738）對紅外信號進(jìn)行接收。小車(chē)前進(jìn)路線(xiàn)中障礙物的判斷原則：a.左邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號，檢測中央接收端，判斷是否接收到信號；b.右邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號，檢測中央接收端，判斷是否接收到信號；c.若左邊發(fā)射時(shí)，有信號接收則小車(chē)左邊有障礙物；若右邊發(fā)射時(shí)，有信號接收則小車(chē)右邊有障礙物；若左邊和右邊發(fā)射時(shí)，都有信號接收則小車(chē)正前方有障礙物。

　　在小車(chē)前進(jìn)過(guò)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(shí)現在多種環(huán)境下都能避障，所以選擇左右結合行走的算法。在小車(chē)左、右側兩側等比例安裝若干紅外測距傳感器（GP2D12），用于防止小車(chē)在避障過(guò)程中與障礙物發(fā)生碰撞，由于GP2-D12輸出為0.4~2.4V的模擬信號，對應80~10cm距離，輸出與距離成反比關(guān)系，且為非線(xiàn)性，可直接利用2407A集成的A/D轉換功能，進(jìn)行A/D轉換得到相應參數，根據參數由 DSP進(jìn)行相應處理，進(jìn)行避障前進(jìn)。在避障過(guò)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，當兩者距離偏小時(shí)，機器人向遠離障礙物的方向旋轉；當兩者距離偏大時(shí)，向靠近障礙物的方向旋轉。小車(chē)沿障礙物行進(jìn)過(guò)程中，在車(chē)頭底部光電傳感器檢測到黑線(xiàn)時(shí)，小車(chē)開(kāi)始調整行進(jìn)姿勢，遠離障礙物，繼續尋跡。另外在小車(chē)無(wú)法成功繞過(guò)障礙物繼續尋跡時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊控制小車(chē)繞過(guò)障礙物使其繼續尋跡。

　　2.4 無(wú)線(xiàn)通信模塊設計

　　在機器人無(wú)法成功避障的情況下，可通過(guò)DSP與上位機（PC機）之間的通信協(xié)作來(lái)完成避障任務(wù)。DSP與PC機之間的通信方式分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種，多數采用串行通信。在本設計中采用無(wú)線(xiàn)通信方式，可以克服有線(xiàn)通信造成的操作不便。PTR2000是基于nRF401器件的無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊，具有低頻發(fā)射、靈敏度高的特點(diǎn)，使其在嵌入式短程無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中得到廣泛的應用。要實(shí)現DSP與PC機之間的無(wú)線(xiàn)通信，需在DSP與小車(chē)車(chē)體分別安裝一個(gè) PTR2000器件，其系統硬件結構框圖如圖4所示。通過(guò)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模式控制引腳相連完成PTR2000于DSP之間的連接，通過(guò)采用MAX232器件在PTR2000和計算機串口進(jìn)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的狀態(tài)（發(fā)射或接收），選擇固定的通信頻道，并讓PTR2000一直處于正常工作狀態(tài)，再通過(guò)設計軟件系統實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的功能。

　　電源模塊可由16V交流電壓充電器通過(guò)電源充電電路為6節車(chē)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(guò)使用78（L）05穩壓器得到5V直流電壓，2407A所需3.3V電源由帶集成延時(shí)復位功能的低壓差穩壓器TPS733Q實(shí)現，同時(shí)具有復位功能。如圖5所示。

　　2.6 電機驅動(dòng)模塊設計

　　本輪式機器人平臺采用左、右直流電機驅動(dòng)的方式，中間有一起支撐作用的萬(wàn)向輪。電機驅動(dòng)模塊可以實(shí)現兩電機在任何方向旋轉從而達到小車(chē)前進(jìn)、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(dòng)電路的高、低電壓信號次序決定的，它們來(lái)自前端的數字邏輯門(mén)定序電路。數字邏輯定序電路的輸入信號由 2407A 產(chǎn)生的方向信號和PWM信號實(shí)現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(shí)可以避免產(chǎn)生電源短路對電子器件造成的損害。此小車(chē)電機驅動(dòng)電路是H橋驅動(dòng)電路，該電路通過(guò)控制電機電流流向達到控制轉向的目的。當Q1和04導通時(shí)，電機電流從左流向右，電機正轉；當Q2和Q3導通時(shí)，電機電流從右流向左，電機反轉。如圖7所示。

　　3 系統整體實(shí)現

　　以TMS320LF2407A為核心的教育機器人硬件系統整體功能可在軟件開(kāi)發(fā)工具CCS和硬件開(kāi)發(fā)工具XDS的支持下采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程進(jìn)行程序仿真調試，再通過(guò)JTAG接口下載到DSP內實(shí)現，給DSP學(xué)習者帶來(lái)了極大的方便。同時(shí)，得益于2407A外部資源的豐富性，系統中未使用部分有利于學(xué)習者做進(jìn)一步的功能開(kāi)發(fā)和應用。

　　4 結語(yǔ)

　　該整體硬件系統結構簡(jiǎn)單，具有很好的擴展性，而且通過(guò)軟件編程控制機器人完成一定的功能，很好地鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力和編程能力，有助于培養學(xué)生的實(shí)踐能.