專利名稱：一種面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置，滿足不同移動 救援機(jī)器人對控制器的功能需求。
背景技術(shù)：
機(jī)器人控制器是機(jī)器人系統(tǒng)中最重要、最關(guān)鍵的部分。機(jī)器人控制器性能的好壞 直接決定著機(jī)器人的運(yùn)動性能。現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)多是專用系統(tǒng)，只能適應(yīng)于特定結(jié)構(gòu)的 機(jī)器人，一旦機(jī)器人的結(jié)構(gòu)改變，其控制器也得重新設(shè)計，從而限制了機(jī)器人根據(jù)任務(wù)和工 作環(huán)境的要求變更或擴(kuò)展的能力。目前存在的各種開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器雖然做到了可 移植性，可擴(kuò)展性等，但大多采用工業(yè)控制計算機(jī)作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)無法改變，且成本 高，體積大，無法做到嵌入式控制。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在設(shè)計、制造、維護(hù)等方面越來越需要機(jī)器人具有 更好的模塊化設(shè)計，以滿足不同項(xiàng)目中幾種不同結(jié)構(gòu)與功能的救援機(jī)器人對控制器的需 求，減小不同功能控制器的設(shè)計周期與成本，增大不同功能控制器間的功能復(fù)用。目前不同 機(jī)器人對控制器的功能需求主要集中于通訊與外圍設(shè)備接口的不同，對傳感器的類型與數(shù) 量要求不同，對控制器控制功能與人機(jī)交互的需求不同，針對此本實(shí)用新型面向移動救援 機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置分為處理器核心模塊、外設(shè)與通訊接口模塊、傳感器接口 模塊、以及模塊化的控制軟件四個模塊。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計一種機(jī)器人模塊化的嵌入式控制裝置，以滿足不同項(xiàng) 目中幾種不同結(jié)構(gòu)與功能的救援機(jī)器人對控制器的需求，減小不同功能控制器的設(shè)計周期 與成本，增大不同功能控制器間的功能復(fù)用。本實(shí)用新型面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置包括有處理器核心模 塊(1)，外設(shè)與通訊接口模塊O)，傳感器接口模塊(3)以及模塊化的控制軟件G)。處理器核心模塊(1)是系統(tǒng)控制的核心，采用低功耗的處理器ARM (Advanced RISC Machine) S3C2440 處理器(11)，并擴(kuò)展有 NOR Flash (Nor 型閃存)(12)，NAND Flash (NAND 型閃存)(13)，SDRAM(同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)(14)；同時擴(kuò)展出各種總線接口(15)。外設(shè)與通訊接口模塊( 根據(jù)機(jī)器人控制功能的需要，擴(kuò)展出機(jī)器人控制器常用 的外設(shè)與通訊接口，主要擴(kuò)展出串口、485總線接口、CAN總線接口以及網(wǎng)絡(luò)通訊等接口。傳感器接口模塊(3)用于連接機(jī)器人控制中需要多種多樣的傳感器，需要模擬 量如溫度、濕度、氣體濃度的采集，以及圖像聲音信號的采集，音頻采集利用I2S總線通過 UDA1341芯片擴(kuò)展出兩路音頻輸入與輸出接口，圖像采集通過USB攝像頭實(shí)現(xiàn)。模塊化的控制軟件(4)主要是機(jī)器人控制的相關(guān)軟件，主要包括操作系統(tǒng)模塊、 驅(qū)動模塊、以及機(jī)器人控制軟件模塊、通訊模塊。主要需要根據(jù)系統(tǒng)硬件平臺的配置，移植 Linux操作系統(tǒng)，并在Linux操作系統(tǒng)平臺上完成相關(guān)設(shè)備驅(qū)動開發(fā)，控制軟件開發(fā)，通訊程序開發(fā)。本實(shí)用新型的機(jī)器人模塊化的嵌入式控制裝置優(yōu)點(diǎn)為1機(jī)器人模塊化的嵌入式控制裝置采用模塊化設(shè)計，設(shè)計出滿足不同機(jī)器人接口 功能要求的常用接口模塊，方便系統(tǒng)的集成與維護(hù)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，提高系統(tǒng)的可靠 性。2在核心處理器選擇上采用低功耗的ARM處理器S3C2440作為系統(tǒng)控制裝置核心 處理器，有效地降低了控制裝置的功耗。3軟件模塊上采用模塊化設(shè)計，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可裁剪性和可維護(hù)性。同時操作系統(tǒng) 采用Linux系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可靠性、擴(kuò)展性與開放性。4系統(tǒng)提供了串口、485總線接口、CAN總線接口以及網(wǎng)絡(luò)通訊等常用通訊接口，同 時提供模擬量如溫度、濕度、氣體濃度的采集的接口，以及圖像聲音信號的采集，可以滿足 多種應(yīng)用場合的需要。
圖1是本實(shí)用新型的機(jī)器人模塊化的嵌入式控制裝置的系統(tǒng)組成圖。圖2是本實(shí)用新型的機(jī)器人模塊化的嵌入式控制裝置的系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1所示，本實(shí)用新型一種機(jī)器人模塊化的嵌入式控制裝置，該機(jī)器人模塊 化的嵌入式控制裝置模塊化嵌入式控制裝置包括有處理器核心模塊(1)，外設(shè)與通訊接口 模塊O)，傳感器接口模塊(3)以及模塊化的控制軟件G)。在本實(shí)用新型中，處理器核心模塊(1)是系統(tǒng)控制的核心，主要是完成嵌入式控 制核心功能。處理器核心模塊采用低功耗的處理器ARM (Advanced RISCMachine) S3C2440 處理器(11)，并擴(kuò)展有 NOR Flash (Nor 型閃存)(12)，NANDFlash (NAND 型閃存)(13)， SDRAM(同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)(14)；同時擴(kuò)展出各種總線接口(15)。外設(shè)與通訊接口模塊(2)根據(jù)機(jī)器人控制功能的需要，擴(kuò)展出機(jī)器人控制器常用 的外設(shè)與通訊接口。具體如下采用TL16C5M串口擴(kuò)展芯片進(jìn)行串口功能的擴(kuò)展(21)、 使用SJA1000獨(dú)立CAN控制器以及TJA1050高速CAN收發(fā)器擴(kuò)展出CAN總線接口 Q2)，以 及采用DM9000以太網(wǎng)控制器和H1102網(wǎng)絡(luò)變壓器擴(kuò)展出以太網(wǎng)通訊接口(23)，以及采用 MAX485芯片實(shí)現(xiàn)232到半雙工485串口轉(zhuǎn)換，采用MAX491芯片實(shí)現(xiàn)232到全雙工485串口 的轉(zhuǎn)換(24)。傳感器接口模塊(3)用于連接機(jī)器人控制中需要多種多樣的傳感器，需要模擬量 如溫度、濕度、氣體濃度的采集，以及圖像聲音信號的采集。對于模擬量的采集使用ARM處 理器AD轉(zhuǎn)換接口部分(31)，而采用I2S音頻接口 UDA1341TS芯片完成音頻采集(32)，以及 采用USB攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像采集(33)。模塊化的控制軟件(4)主要是機(jī)器人控制的相關(guān)軟件，主要包括操作系統(tǒng)模塊、 驅(qū)動模塊、以及機(jī)器人控制軟件模塊、通訊模塊。根據(jù)系統(tǒng)硬件平臺的配置，移植Linux操 作系統(tǒng)，并在Linux操作系統(tǒng)平臺上利用操作系統(tǒng)提供的驅(qū)動程序開發(fā)框架完成串口擴(kuò)展、CAN總線、以太網(wǎng)接口、音頻接口、AD采集以及USB攝像頭等設(shè)備驅(qū)動移植與開發(fā)，控制 軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)控制器對各個電機(jī)驅(qū)動器以及傳感器的控制，通訊程序負(fù)責(zé)與主機(jī)通訊以及 與電機(jī)驅(qū)動器、傳感器等機(jī)器人部件實(shí)現(xiàn)通訊。結(jié)合系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖2，本新型一種嵌入式圖像采集處理裝置中各個單元實(shí)現(xiàn)的 功能作如下所述(一 )處理器核心模塊(1)處理器核心模塊(1)系統(tǒng)控制的核心，主要是完成嵌入式控制核心功能。處理器 核心模塊采用低功耗的處理器ARM (Advanced RISC Machine) S3CM40處理器(11)，S3CM40 是一款高度集成的芯片，工作電壓1.3V，采用16/32位ARM920T RISC核心，提供的接口支 持NAMD閃存、數(shù)碼相機(jī)、TFT/STN液晶屏、USB、SD/MMC/SDI0存儲卡以及觸摸屏等。該產(chǎn)品 采用0. 13微米制成的CMOS處理器，支持多種操作系統(tǒng)。同時擴(kuò)展有Flash存儲器用來作 為系統(tǒng)的程序存儲器，以便將程序固化在硬件平臺上，NOR Flash (Nor型閃存)(12)用來存 儲啟動代碼和系統(tǒng)Linux內(nèi)核，NAND Flash (NAND型閃存)(13)用來存放文件系統(tǒng)，同時備 份啟動代碼和系統(tǒng)Linux內(nèi)核，SDRAM(同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)(14)作為系統(tǒng)內(nèi)存，保 證系統(tǒng)運(yùn)行時所需的內(nèi)存空間；同時擴(kuò)展出各種總線接口(15)，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線 和控制總線，以及串口、USB接口、以太網(wǎng)接口，以便與其他模塊之間的連接。( 二)外設(shè)與通訊接口模塊O)外設(shè)與通訊接口模塊(2)根據(jù)機(jī)器人控制功能的需要，擴(kuò)展出機(jī)器人控制器常用 的外設(shè)與通訊接口。具體介紹如下采用TL16C5M串口擴(kuò)展芯片進(jìn)行串口功能的擴(kuò)展Ql)，TL16C554是一個整合四 個通道即TL16C550C的增強(qiáng)型異步通訊組件(ACE)。它的每個通道能從外圍設(shè)備或MODEM 接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串-并轉(zhuǎn)換；同時，它也可以從CPU端接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)并-串轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中 TL16C554的8位數(shù)據(jù)線與ARM處理器的數(shù)據(jù)總線的低8位相連，3位地址線與ARM處理器 的地址線的低3位相連，4個片選信號由ARM處理器nGCSl與A3、A4地址線通過3_8譯碼 器譯碼輸出進(jìn)行控制。使用SJA1000獨(dú)立CAN控制器以及TJA1050高速CAN收發(fā)器擴(kuò)展出CAN總線接口 (22),SJA1000與微處理器的接口主要由8根數(shù)據(jù)和地址分時復(fù)用線完成。采用DM9000以 太網(wǎng)控制器和H1102網(wǎng)絡(luò)變壓器擴(kuò)展出以太網(wǎng)通訊接口(23)，DM9000通過23位數(shù)據(jù)總線 與ARM處理器連接。采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)232到半雙工485串口轉(zhuǎn)換，采用MAX491芯片 實(shí)現(xiàn)232到全雙工485串口的轉(zhuǎn)換04)。(三)傳感器接口模塊(3)傳感器接口模塊用于連接機(jī)器人控制中需要多種多樣的傳感器，需要模擬量如溫 度、濕度、氣體濃度的采集，以及圖像聲音信號的采集。對于模擬量的采集使用ARM處理 器AD轉(zhuǎn)換接口部分(31)，將ARM處理器芯片具有的4路IObit精度的AD接口引出，用來 連接模擬量。而采用I2S總線通過UDA1341芯片擴(kuò)展出兩路音頻輸入與輸出接口(32)。 I2S(Inter-IC Sound)總線是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一 種總線標(biāo)準(zhǔn)，該總線專責(zé)于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)。以及采 用USB攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像采集(33)，通過USB接口與處理器核心模塊連接，完成圖像采集。(四)模塊化的控制軟件[0034]模塊化的控制軟件(4)主要是機(jī)器人控制的相關(guān)軟件，主要包括操作系統(tǒng)模塊、 驅(qū)動模塊、以及機(jī)器人控制軟件模塊、通訊模塊。根據(jù)系統(tǒng)硬件平臺的配置，移植Linux操作系統(tǒng)，其步驟主要包括Boot loader的 移植、Linux系統(tǒng)的移植、文件系統(tǒng)的構(gòu)建三部分。首先在移植操作系統(tǒng)前需要先移植Boot loader.所謂Boot loader就是在操作 系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序初始化系統(tǒng)硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空 間的映射圖，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核配置好正確的環(huán)境。接著便是，Linux操作系統(tǒng)的 移植，1.下載LinuX2.6.內(nèi)核及其關(guān)于ARM平臺的補(bǔ)??；2.建立交叉編譯環(huán)境，下載安裝 arm-linux-gcc工具鏈；3.根據(jù)系統(tǒng)配置，修改移植內(nèi)核。文件系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)不 可或缺的重要組成部分。要實(shí)現(xiàn)根文件系統(tǒng)，首先要配置內(nèi)核，配置MTD，將內(nèi)核對jffs2、 ramfs文件系統(tǒng)的支持功能編譯進(jìn)內(nèi)核，確保Linux系統(tǒng)支持jffs2文件系統(tǒng)；接著根據(jù) 系統(tǒng)要求，劃分Flash分區(qū)，為Boot loader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)分配存儲空間。下一步便是制 作jffs2格式的文件系統(tǒng)。在嵌入式Linux系統(tǒng)中制作root文件系統(tǒng)的一個常用利器是 Busy Box，制作好文件系統(tǒng)后用mkfs. jffs2工具生成jffs2文件系統(tǒng)，將文件系統(tǒng)燒寫到 Flash 中。在Linux操作系統(tǒng)平臺上利用操作系統(tǒng)提供的驅(qū)動程序開發(fā)框架完成串口擴(kuò)展、 CAN總線、以太網(wǎng)接口、音頻接口、AD采集以及USB攝像頭等設(shè)備驅(qū)動移植與開發(fā)。對于上 述設(shè)備驅(qū)動，我們采用字符設(shè)備驅(qū)動的框架進(jìn)行。以TL16C5M的驅(qū)動為例來說，read函數(shù)用來從串口讀取數(shù)據(jù)，write函數(shù)用來通 過串口發(fā)送數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)如下write函數(shù)將用戶空間拷貝到內(nèi)核空間，并不斷查詢線路 狀態(tài)寄存器(LSR)的位5:LSR5(THRE)發(fā)送器保持寄存器，當(dāng)其置位時，表明異步通信組件 已準(zhǔn)備好接受新的發(fā)送字符，這時將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送器保持寄存器(THR)，從而將該 數(shù)據(jù)發(fā)送出去，不斷循環(huán)直至所有數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢。read函數(shù)將不斷從數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中 讀取數(shù)據(jù)放入內(nèi)核空間數(shù)組中，當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為空時，read函數(shù)將進(jìn)入休眠，并由串口接收 中斷函數(shù)喚醒，直至讀取所需的字節(jié)數(shù)，并接收到的串口數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間中。接收中斷 處理函數(shù)，負(fù)責(zé)串口數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)串口有數(shù)據(jù)到達(dá)時將有中斷產(chǎn)生，此時觸發(fā)中斷，調(diào)用 中斷接收處理函數(shù)。該函數(shù)負(fù)責(zé)檢驗(yàn)讀取數(shù)據(jù)是否正確，將讀取的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，并喚醒 讀進(jìn)程。控制軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)控制器對各個電機(jī)驅(qū)動器以及傳感器的控制，需要根據(jù)不同機(jī) 器人的要求進(jìn)行裁剪和配置，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求完成相應(yīng)的控制程序。通訊程序負(fù)責(zé)與主機(jī)通訊以及與電機(jī)驅(qū)動器、傳感器等機(jī)器人部件實(shí)現(xiàn)通訊，主 要包括串口通訊程序的編寫，以太網(wǎng)通訊程序的編寫。本實(shí)用新型本實(shí)用新型的機(jī)器人模塊化的嵌入式控制裝置采用模塊化設(shè)計，設(shè)計 出滿足不同機(jī)器人接口功能要求的常用接口模塊，方便系統(tǒng)的集成與維護(hù)，縮短了系統(tǒng)開 發(fā)時間，提高系統(tǒng)的可靠性。同時在核心處理器選擇上采用低功耗的ARM處理器S3C2440 作為系統(tǒng)控制裝置核心處理器，有效地降低了控制裝置的功耗。軟件模塊上采用模塊化設(shè) 計，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可裁剪性和可維護(hù)性。同時操作系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，增強(qiáng) 了系統(tǒng)軟件的可靠性、擴(kuò)展性與開放性。系統(tǒng)提供了串口、485總線接口、CAN總線接口以及 網(wǎng)絡(luò)通訊等常用通訊接口，同時提供模擬量如溫度、濕度、氣體濃度的采集的接口，以及圖像聲音信號的采集，可以滿足多種應(yīng)用場合的需要。
權(quán)利要求1.一種面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置，其特征在于本實(shí)用新型面向 移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置包括有處理器核心模塊(1)，外設(shè)與通訊接口模 塊O)，傳感器接口模塊(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置，其特 征在于處理器核心模塊(1)包括有ARM處理器(11)、以及外圍的NOR Flash(12), NAND Flash(13), SDRAM(14)；同時擴(kuò)展出各種總線接口(15)，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總 線，以及串口、USB接口、以太網(wǎng)接口，以便與其他模塊之間的連接，以及系統(tǒng)供電電源部分 (16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置，其特征 在于外設(shè)與通訊接口模塊(2)包括有TL16C5M串口擴(kuò)展部分Q1)、CAN總線接口 Q2)以 及以太網(wǎng)通訊接口 03)，以及232到485串口轉(zhuǎn)換部分04)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置，其特 征在于傳感器接口模塊C3)包括ARM處理器AD轉(zhuǎn)換接口部分(31)，采用I2S音頻接口 UDA1341TS芯片實(shí)現(xiàn)音頻采集部分(32)，以及采用USB攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像采集部分(33)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置。本實(shí)用新型涉及的是一種機(jī)器人控制裝置領(lǐng)域，本面向移動救援機(jī)器人的模塊化嵌入式控制裝置包括有處理器核心模塊(1)，外設(shè)與通訊接口模塊(2)，傳感器接口模塊(3)以及模塊化的控制軟件(4)。上述幾個方面分別按模塊化進(jìn)行設(shè)計，以滿足不同項(xiàng)目中幾種不同結(jié)構(gòu)與功能的救援機(jī)器人對控制器的需求，減小不同功能控制器的設(shè)計周期與成本，增大不同功能控制器間的功能復(fù)用，同時提高機(jī)器人控制器的可維護(hù)性。
文檔編號G05B19/04GK201837857SQ20102017426
公開日2011年5月18日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者丑武勝, 劉佳 申請人:北京航空航天大學(xué)