基于DSP的模塊化教育機(jī)器人硬件系統(tǒng)方案

　　智能機(jī)器人作為一個(gè)高新科技的綜合體，直接反應(yīng)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(jī)器人涉及了信息技術(shù)的幾乎所用內(nèi)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(jī)器人是信息技術(shù)的開放平臺(tái)，學(xué)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(xué)生對(duì)信息技術(shù)的開發(fā)能力，在開發(fā)過程中，培養(yǎng)各種能力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

　　本文設(shè)計(jì)的以智能小車為載體的基于TMS320LF2407A教育機(jī)器人硬件平臺(tái)，包括電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)，并集成了紅外和光敏傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)尋跡、避障及尋跡避障相結(jié)合的功能，達(dá)到了理論課程學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的目的，鞏固了知識(shí)并進(jìn)一步提高了學(xué)習(xí)者的興趣。

　　1 設(shè)計(jì)思想與總體方案

　　1.1 教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想

　　本教育機(jī)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(hào)，通過DSP進(jìn)行運(yùn)算處理，利用PWM技術(shù)實(shí)時(shí)輸出調(diào)整小車的速度和方向，實(shí)現(xiàn)小車尋跡、避障、尋跡加避障等自動(dòng)控制的功能，另外在小車于尋跡過

　　程中遇到障礙物，當(dāng)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(jī)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(shí)現(xiàn)無線短距離通信，控制小車脫離障礙區(qū)并進(jìn)行正常尋跡。

　　1.2 總體設(shè)計(jì)方案和框圖

　　機(jī)器人小車系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要有TMS320LF2407A最小系統(tǒng)部分、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、無線通信模塊構(gòu)成，實(shí)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(shè)計(jì)算法下載至微控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成一定的功能要求。

　　2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 TMS320LF2407A最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　TMS320LF2407A是2000系列中目前應(yīng)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(shù)字信號(hào)處理的高效處理器，而且還集成了存儲(chǔ)器和適應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的豐富片上外設(shè)，從而構(gòu)成了一個(gè)基本的片上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。除了具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)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(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(nèi)完成。TMS320LF2407A的基本結(jié)構(gòu)包括中央處理器單元（CPU）、存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路三個(gè)組成部分。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)充分利用TMS320LF2407A控制器的特點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為基本電路和擴(kuò)展控制電路部分。基本電路包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、A/D 輸入通道和JTAG仿真電路等。擴(kuò)展電路包括存儲(chǔ)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。

　　此部分采用光電傳感器對(duì)路面信息進(jìn)行識(shí)別。采用RPR220型光電對(duì)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(duì)管構(gòu)成“一”字形排列在小車車頭的底部，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(qiáng)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(dāng)紅外對(duì)管的發(fā)射二極管發(fā)出紅外線，經(jīng)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(jīng)比較器比較后輸出低電平，當(dāng)紅外線照射到黑線上時(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(hào)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，從傳感器將發(fā)出“有線”信號(hào)，后輪兩電機(jī)繼續(xù)接通運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)果驅(qū)動(dòng)車體前進(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，則該傳感器輸出“無線”信號(hào)，這時(shí)脫離引導(dǎo)線的傳感器對(duì)側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，同側(cè)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，以此達(dá)到校正行進(jìn)方向的目的。