基于嵌入式處理器S698-T芯片實現(xiàn)機(jī)器人移動平臺電控系統(tǒng)的設(shè)計

作者：董文岳，林國偉，梁文海

1、引言

近年來人工智能（AI）已成為國際上技術(shù)創(chuàng)新研究的一個熱點，各種工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，而作為機(jī)器人的“腳”，機(jī)器人移動平臺也要具備豐富的功能和高度的智能化，不但需要實現(xiàn)高靈活性的移動能力和良好的越障能力，而且要求臺配置有多種傳感器，配合機(jī)器人的“大腦”可以實現(xiàn)自動避障越障、自主進(jìn)行路徑規(guī)劃、地圖構(gòu)建等功能。

多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)作為機(jī)器人移動平臺的“神經(jīng)中樞”，是實現(xiàn)機(jī)器人移動平臺智能化設(shè)計的關(guān)鍵設(shè)計。本文分析多功能智能移動平臺的功能性能需求，基于高可靠嵌入式處理器S698-T芯片，提出一個多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)的設(shè)計方案，為各種機(jī)器人移動平臺的設(shè)計提供一個良好的解決方案。

2、系統(tǒng)需求

根據(jù)機(jī)器人移動平臺功能、性能要求，電控系統(tǒng)擬采用PC+嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)兩個部分組成，上位機(jī)采用PC+傳感器實現(xiàn)，下位機(jī)基于高可靠嵌入式SPARC架構(gòu)處理器S698-T設(shè)計，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS422總線進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令交互，預(yù)留CAN2.0總線通訊接口。

2.1 上位機(jī)性能需求

上位機(jī)作為多功能智能移動平臺的“大腦”，主要實現(xiàn)多功能智能移動平臺的視覺功能、地圖構(gòu)建以及導(dǎo)航等功能。

上位機(jī)要求采用Intel -X86 i5以上CPU的工業(yè)級嵌入式主板實現(xiàn)，并基于嵌入式主板的USB、PCIe、以太網(wǎng)、RS422以及SIM卡接口等外圍接口，集成二維/三維激光（室內(nèi)/外）傳感器、相機(jī)（預(yù)留）、CAN總線通訊模塊等外圍模塊

2.2 下位機(jī)性能需求

下位機(jī)作為多功能智能移動平臺的指令執(zhí)行控制以及部分傳感器的輸入采集處理平臺，主要實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動控制功能以及紅外測距、超聲波測距等傳感器輸入參數(shù)采集處理功能，并通過RS422總線（備用CAN總線）與上位機(jī)建立通訊，具體需求如下：

1、主處理器：S698-T，主頻100MHZ；

2、協(xié)處理器：FPGA；

3、板載內(nèi)存：SRAM：1Mbit，F(xiàn)LASH：1Mbit；

4、提供7路紅外測距傳感器信號采集接口，接口為12bit的A/D采集輸入，輸入為最大3.3V模擬信號；

5、提供6路超聲波測距傳感器的輸入接口，要求為信號電平為TTL3.3V的RS232接口，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）；

6、提供1路GPS模塊的輸入接口，要求為信號電平為TTL3.3V的RS232接口，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）；

7、提供3路慣導(dǎo)單元IMU的輸入接口，接口要求為I2C接口，預(yù)留SPI接口；

8、提供6路PWM信號輸出、18路IO信號輸出（6路方向控制、6路使能控制、6路電機(jī)剎車信號）用于控制電機(jī)驅(qū)動，要求信號光耦隔離5V輸出；

9、提供6路IO信號采集，用于霍爾反饋PWM捕獲，輸入信號為脈沖信號，最大頻率為5KHz；

10、提供2路CAN2.0總線接口以及2路RS422總線接口，用于與上位機(jī)通訊；

11、提供對上位機(jī)進(jìn)行電源上下電控制功能；

12、提供1路A/D用于電源電壓采集，1路A/D用于溫度采集；

13、具備溫度采集功能，提供1路預(yù)留RS232接口；

14、工作溫度：-40℃～+60℃；

3 、系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，電控系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)模塊兩部分組成，其中上位機(jī)包含以下組成部分：

1、嵌入式主板：1個；

2、CAN總線模塊：1個；

3、二維/三維激光（室內(nèi)/外）傳感器：1個；

4、相機(jī)（預(yù)留）：1個；

下位機(jī)包含以下組成部分：

1、基于S698-T+FPGA控制器模塊：1個；

2、紅外測距傳感器：7個；

3、超聲波測距傳感器：6個；

4、GPS模塊：1個；

5、慣導(dǎo)單元IMU：3個；

6、電機(jī)及驅(qū)動模塊：6組；

4、系統(tǒng)設(shè)計

本電控系統(tǒng)的上位機(jī)主要涉及到硬件選型以及軟件開發(fā)，本文暫不對其設(shè)計展開詳述，主要對下位機(jī)的設(shè)計方案進(jìn)行詳述。

下位機(jī)主要由主控制器模塊以及電機(jī)驅(qū)動、超聲波傳感器、紅外傳感器、慣導(dǎo)模塊等周邊相關(guān)外設(shè)組成，其中主控制器模塊基于S698-T設(shè)計，具體方案如下：

圖2 基于S698-T+FPGA的控制器模塊系統(tǒng)框圖

如圖2所示，下位機(jī)主控制器模塊采用S698-T+FPGA的架構(gòu)，S698-T作為主處理器，其外圍設(shè)計SRAM、FLASH、硬件看門狗復(fù)位、時鐘等模塊，構(gòu)成一個S698-T的最小系統(tǒng)，再根據(jù)外圍接口需要，使用S698-T片內(nèi)的4路RS232總線接口以及2路CAN總線接口，實現(xiàn)2路RS232接口、2路RS422接口以及2路CAN總線接口。

控制器模塊采用FPGA作為協(xié)處理器，并通過并行總線將FPGA掛接在S698-T的IO空間上，實現(xiàn)與S698-T的協(xié)同處理。FPGA根據(jù)系統(tǒng)功能需要，片內(nèi)設(shè)計了兩個ADC控制器、6路串行總線控制器、6路PWM輸出控制器、32路IO控制器、IIC/SPI接口控制器以及并行接口控制器等功能模塊，同時外接相關(guān)驅(qū)動電路實現(xiàn)系統(tǒng)的接口需求。

控制器模塊采用12V DC供電，板上設(shè)計有DC-DC電源模塊，實現(xiàn)12VDC到+1.2VDC、+2.5VDC、+3.3VDC、+5VDC的轉(zhuǎn)換，供板上相關(guān)器件使用。

4.1 主處理器設(shè)計

控制器模塊的主處理器設(shè)計主要是S698-T最小系統(tǒng)+外圍接口驅(qū)動電路的設(shè)計，S698-T最小系統(tǒng)主要包括S698-T、SRAM、FLASH、硬件看門狗復(fù)位電路、時鐘電路以及調(diào)試用的DSU接口電路。

高可靠處理器S698-T簡介：

1、采用哈弗體系結(jié)構(gòu)（Harvard architecture）；

2、具備整型單元（IU：Integer Unit）：

? 32位RISC，采用SPARC V8（IEEE-1754）指令集；

? 5級指令流水（預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、存儲、回寫）；

? 具有硬件乘法器和硬件除法器；

? 支持MAC和UMAC等DSP指令；

3、浮點處理單元（FPU：Floating Point Unit）

? 遵循IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)；

? 支持單/雙精度；

4、具有彼此分離的大容量指令Cache 32K Bytes和數(shù)據(jù)Cache 16K Bytes；

5、片內(nèi)總線遵循AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn)，采用AHB總線聯(lián)接片內(nèi)高速設(shè)備，采用APB總線聯(lián)接片內(nèi)低速設(shè)備；

6、在線硬件調(diào)試支持單元（DSU：Debug Support Unit）：

? 無需外置仿真器的支持即可實現(xiàn)硬件在線直接調(diào)試；

? 可實現(xiàn)對內(nèi)部資源（如寄存器、用戶可用RAM等）的操作；

? 可實現(xiàn)程序斷點設(shè)置；

7、集成存儲器控制器（MCTRL：Memory Controller）：

? 支持外部SRAM、SDRAM、ROM 以及MAP I/O等類型的存儲器；

? SRAM、ROM及MAP I/O的數(shù)據(jù)總線寬度可通過軟件配置成32/16/8 位三種模式；

? SRAM、ROM及MAP I/O的存取時間參數(shù)可配置；

? 支持5個SRAM Bank、2個SDRAM Bank、2個ROM Bank、1個IO Bank；

? 尋址空間2048M Bytes；

? ROM尋址空間：512M Bytes；

? MAP I/O尋址空間：512M Bytes；

? SRAM/SDRAM尋址空間：1024M Bytes；

8、集成1553B 、ARINC429、CAN、串口等數(shù)據(jù)總線控制器；

9、集成多功能IO接口（MFIO）：

? 集成16路獨立的多功能IO接口；

? 各路的輸入或輸入方向可以獨立配置；

? 各路均可以輸出周期、占空比、電平極性、脈沖數(shù)目等參數(shù)可調(diào)的PWM信號；

? 各路均具有輸入脈沖計數(shù)功能；

10、集成定時器、看門狗、ADC、DAC等模塊；

11、生產(chǎn)工藝：130nm CMOS；

12、工作頻率：

? 最高主頻（IUCLK）：200MHz；

? 最高外頻（SYSCLK）：100MHz；

13、處理能力：

? 180MIPS@200MHz；

? 55MFLOPS（Double Precision）@200MHz；

14、峰值功耗：不高于1.5W@200MHz；

15、電源電壓

? 3.3V±0.3V（IO）；

? 1.2V±0.1V（CORE）；

16、工作環(huán)境溫度

? 工業(yè)級-40℃～+85℃（塑封PBGA352）；

? 軍品級-55℃～+125℃（陶封CBGA352）；

控制器模塊的主處理器的主要元器件選型如下：

1） 主控制器：S698-T，工作主頻為100MHz；

2） SRAM：IS61LV51216-10TI，容量為512k*16bit；

3） FLASH：39VF040-90-4I-NH，容量為512k*8bit；

4） 看門狗：TPS3813K33MDBVREP；

5） 時鐘：有源晶振，10MHz；

6） DSU接口/RS232總線接口驅(qū)動芯片：MAX3232ESE；

7） CAN總線驅(qū)動芯片：TJA1042t；

8） RS422總線驅(qū)動芯片：MAX488ESA；

9） 上位機(jī)電源控制開關(guān)：選用歐姆龍繼電器G6k-2F；

4.2 協(xié)處理器設(shè)計

控制器模塊的主處理器設(shè)計主要是FPGA最小系統(tǒng)+外圍接口驅(qū)動電路的設(shè)計，F(xiàn)PGA設(shè)計包括硬件設(shè)計以及FPGA邏輯設(shè)計，對于FPGA邏輯設(shè)計本文只提出設(shè)計需求，具體如下：

1） 具備2個ADC控制器功能，ADC采用ADS8555；

2） 具備6路串口控制器功能，波特率可設(shè)置，收發(fā)緩存不小于32Byte；

3） 具備6路PWM輸出控制器功能；

4） 具備32路IO輸入輸出功能，輸入可識別脈沖頻率不小于5KHz；

5） 具備8路IIC和SPI接口控制器功能；

6） 具備與S698-T進(jìn)行交互的并行接口功能；

7） 時鐘資源：時鐘可采用S698-T的時鐘輸出作為FPGA時鐘輸入，同時FPGA外接33MHz晶振；

控制器模塊的協(xié)處理器的主要元器件選型如下：

1） FPGA：選用Altera FPGA；

2） 時鐘：有源晶振，33MHz；

3） ADC：選用ADS8555；

4） 光耦隔離：HCPL-2630；

5） RS232總線接口驅(qū)動芯片：MAX3232ESE；

4.3電源供電設(shè)計

控制器模塊采用+12VDC供電，模塊內(nèi)部需要用到的電源包括+5VDC、+3.3VDC、+2.5VDC、+1.2VDC，因此需要選用DC-DC模塊芯片進(jìn)行設(shè)計，具體選型如下：

1） 12V轉(zhuǎn)5V：LM2596T_5.0；

2） 5V轉(zhuǎn)3.3V：LT1963AMP-3.3V；

3） 5V轉(zhuǎn)2.5V：LT1963AMP-2.5V；

4） 5V轉(zhuǎn)1.2V：NCP565D2T12；

4.4 軟件設(shè)計

基于高可靠處理S698-T進(jìn)行多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)的設(shè)計，涉及到S698-T的控制軟件設(shè)計，在此我們引入了嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（EOS）--RTEMS，利用珠海歐比特控制工程股份有限公司開發(fā)的基于此操作系統(tǒng)的Orbita EOS嵌入式操作系統(tǒng)及其Orbita EOS 開發(fā)工具，可大大提高軟件編程效率和可靠性，具體可參考（Orion4.0用戶手冊）。

5、結(jié)束語

在當(dāng)今人工智能的熱潮下，多功能智能移動平臺的應(yīng)用也日益廣泛，各種應(yīng)用場景對其電控系統(tǒng)提出了多種多樣的要求，本文針對市面廣泛的需求，提出一種基于S698-T的多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)的設(shè)計方案，可兼容市面的各種需求，為后續(xù)多功能智能移動平臺的設(shè)計提供一種有效的參考。

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