基于TMS320F2812的機械手控制平臺.doc

題 目： 基于DSP的機械手控制系統(tǒng) 摘要:本項目對基于步進電機的機械手控制平臺進行了設(shè)計。機械手硬件以TMS320F2812 DSP芯片為控制核心，由水平方向轉(zhuǎn)動的腰部步進電機、垂直方向轉(zhuǎn)動的手臂步進電機和電磁吸棒三部分組成，機械手臂均能360度任意轉(zhuǎn)動。機械手軟件包括主控程序、電機運行程序、鍵盤中斷程序、液晶顯示接口程序。操作者能通過手動、循環(huán)自動和遠程遙控等多種控制形式來控制機械手的運行。Abstruct:The robot control platform based on stepper motor is designed.TMS320F2812 DSP chip is used as control core in the platform.The plat form is consisted of horizontal stepper motor, vertical stepper motor and electromagnetic absorptionrods. The arm of the robot can rotate in 360 degree. The software of robot platform is consisted of master control program, the program of the motor to run, Keyboardinterrupt program and LCDinterface program. The platform can be controlled by manual control ,cycle automatic and remote control 1. 引言機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，完成按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。以往機械手大多以PLC可編程控制器為控制核心，但是成本太貴，在一些小型工廠不宜使用，而TI公司的C2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特點于一身，具有強大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的控制算法，在電機控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。能夠基本滿足許多工廠的任務要求，使用2812芯片的機械手系統(tǒng)因為體積小，價格便宜，可以在大量的場合使用。機械手精確的角度把握，使得流水作業(yè)質(zhì)量大大提升。2. 系統(tǒng)方案 2.1機械手控制系統(tǒng)功能概述機械手模型如圖2-1所示：圖2-1 機械手模型1. 水平方向的腰部步進電機360度全方位運動，垂直方向的手臂步進電機可以360度全方位運動，機械手在兩個自由度內(nèi)角度任意變換，角步速度、精度均可調(diào)，使得機械手臂能精確到位。2. 液晶顯示屏記錄轉(zhuǎn)動圈速和運行時間，顯示當前運行情況，根據(jù)任務的不同，機械手抓舉部分可以選用電磁吸棒，機械抓等，具有很強的通用性。操作者可通過手動、循環(huán)自動和遠程遙控多種形式控制機械手。2.2總體設(shè)計 根據(jù)設(shè)計功能要求，基于DSP的機械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。如圖2-2 基于DSP的機械手的結(jié)構(gòu)框圖基于DSP的機械手控制系統(tǒng)的主要功能模塊為：DSP最小系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動電路、按鍵電路、顯示電路和電源電路。2.3具體方案1.核心控制芯片 系統(tǒng)需要選用一個控制芯片來控制整個系統(tǒng)的運行，有如下三種方案： 方案一：采用PLC可編程控制器 優(yōu) 點：壽命長，運行可靠，可多臺同時控制，技術(shù)已經(jīng)成熟，在大型機械手中廣泛使用。缺 點：體積大，價格昂貴，編程限制于梯形圖，算法繁瑣。方案二：采用STC89C51單片機優(yōu) 點：體積小，價格便宜，編程簡單缺 點: 擴展能力有限，輸出口較少。 方案三：采用TMS320F2812 DSP控制優(yōu) 點：體積小，運行可靠，輸出端口多，可供多臺同時使用，編程語言先進，算法簡單，能通過算法使機械手精確定位。缺 點：芯片推出時間不長，技術(shù)可能不成熟。考慮到多臺步進電機之間的協(xié)調(diào)操作，所以采用DSP2812為本次設(shè)計的核心芯片。2步進電機驅(qū)動電路 由于要使用兩臺功率不一樣的步進電機，而DSP芯片產(chǎn)生的電流很小，驅(qū)動不了步進電機，所以需要步進電機驅(qū)動電路，步進電機驅(qū)動電路通?？梢圆捎萌缦路桨笇崿F(xiàn)： 方案一：利用達林頓管ULN2003放大電路來驅(qū)動步進電機 優(yōu) 點：驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動小功率電機足夠 缺 點：驅(qū)動電流比較小，驅(qū)動步進電機時需考慮步進電機驅(qū)動電流。 方案二：采用L298組成的驅(qū)動電路 優(yōu) 點：驅(qū)動能力比2003強，能帶動大功率步進電機，基本不用考慮電流問題。 缺 點：電路較為復雜。 比較以上兩個方案，考慮到這次設(shè)計需要使用一臺12V/0.4A的步進電機，所以采用方案二選用L298組成的驅(qū)動電路。3顯示接口電路因為需要顯示步進電機轉(zhuǎn)動模式，以及圈數(shù)、精度等情況，所以需要顯示模塊，可以采用以下方案實現(xiàn)： 方案一：采用六位LED數(shù)碼管 優(yōu) 點：電路簡單，不需編程只需一個譯碼器 缺 點：顯示數(shù)據(jù)太少，只能顯示單位數(shù)字，不能充分說明步進電機的實時數(shù)據(jù)。方案二：采用液晶顯示屏12864優(yōu) 點：因為可以多行顯示，可以充分顯示步進電機的實時數(shù)據(jù)。缺 點：電路較為復雜，需要編程，成本較高?？紤]到本次需要使用多臺步進電機，所以需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，用數(shù)碼管實現(xiàn)不方便，所以采用液晶屏12864組成的顯示模塊。4.電源電路 機械手由步進電機組成，所以需要兩臺功率不一樣的步進電機，可以采用如下兩個電機驅(qū)動電源方案： 方案一：采用CW7812穩(wěn)壓電路 優(yōu) 點：電路簡單，只需穩(wěn)壓芯片和電容濾波即可，內(nèi)部包含電流限制、有過流保護和安全區(qū)保護，基本不會損壞。 缺 點：最大輸出電流1.5A，驅(qū)動能力有限，如果使用，每臺步進電機都將配一套12V電源。 方案二：采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 優(yōu) 點：輸出電流能達到3A，驅(qū)動能力強，完全滿足兩臺步進電機 缺 點：與CW7812穩(wěn)壓電路相比，電路較復雜?？紤]到要使用兩臺電機，輸出電流比較大，后期不能帶動別的電機，適用性差，所以選用LM2596直流斬波電路。2.4版面設(shè)計考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，DSP工作頻率高受外部易干擾，所以單獨把CPU主控電路設(shè)計為一塊PCB板，步進電機驅(qū)動電路、按鍵電路單獨設(shè)計為一塊PCB板，電源為一塊PCB板。如此設(shè)計還可使CPU控制卡用在別的場合，使它的通用性更強。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計基于DSP的機械手控制系統(tǒng)主要由DSP最小系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動電路、按鍵電路、顯示電路和電源電路等組成。3.1 DSP2812最小系統(tǒng)DSP最小應用系統(tǒng)包括了時鐘電路、復位電路、SRAM、JTAG仿真接口電路及D/A轉(zhuǎn)換電路，電路原理圖如圖3-1所示。電路主要由DSP2812、30M無源晶振和電源芯片TPS767D318等組成，外加少量電阻、電容和電感。TPS767D318為+5V輸入，可產(chǎn)生+3.3V和1.8V的輸出電壓供DSP使用；同時該芯片產(chǎn)生的復位信號也可供JTAG仿真口使用，另外還需加一個14腳的JTAG仿真口以便燒寫程序。該系統(tǒng)不管是在仿真模式下，還是在實時運行模式下都可正常使用。圖3-1 DSP2812最小系統(tǒng)原理圖3.1.1 TMS320F2812芯片TMS320F2812 DSP芯片是在原有TMS320C2XX系列芯片的基礎(chǔ)上推出的，它是目前TI公司C2000系列中較高檔的一款DSP芯片。它的主頻為150MHZ,內(nèi)含事件管理器、AD轉(zhuǎn)換，總體性價比高。它可以廣泛應用于工業(yè)馬達驅(qū)動，數(shù)字電源系統(tǒng)，光網(wǎng)絡技術(shù)，輪胎壓力測試系統(tǒng)，顯示屏技術(shù)，汽車電子動力轉(zhuǎn)向裝置，打印機辦公產(chǎn)品和一些潮流的產(chǎn)品開發(fā)等等。振蕩器、鎖相環(huán)主要為處理器CPU及相關(guān)外設(shè)提供可編程的時鐘，每個外設(shè)的時鐘都可以通過相應的寄存器進行編程設(shè)置;看門狗可以監(jiān)控程序的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。DSP除了提供基本的鎖相環(huán)電路外，還可以根據(jù)處理器內(nèi)部外設(shè)單元的工作要求配置需要的時鐘信號。處理器還將集成的外設(shè)分成高速和低速兩組，可以方便地設(shè)置不同模塊的工作頻率，從而提高處理器的靈活性和可靠性。3.1.2 時鐘電路設(shè)計如圖3-1所示時鐘電路，因為TMS320F2812 DSP內(nèi)置振蕩器電路，只需外加晶體和負載電容即可以產(chǎn)生時鐘基準來滿足TMS320F2812 DSP的時鐘輸入要求。TMS320F2812 DSP帶有片內(nèi)鎖相環(huán)（PLL）時鐘模塊，其最大的預設(shè)比例因子為5，因此只要配置U2為30MHz的晶振就可以滿足DSP的頻率工作要求，電容C2、C3都為10pF。3.1.3 復位電路設(shè)計DSP有三種復位方式：上電復位、手動復位、軟件復位，前兩種是通過硬件電路實現(xiàn)的復位，后一種是通過指令方式實現(xiàn)的復位。 圖3-1所示復位電路，利用RC電路的延遲特性給出復位所需要的低電平時間。在上電瞬間，由于電容C上的電壓不能突變，所以通過電阻R進行充電，充電時間有RC的乘積值決定，一般要求大于5個外部時鐘周期，可根據(jù)具體情況選擇。為防止復位不完全，參數(shù)可選擇大一些。 其中電阻R5為10K，電容C6為10F。按鈕的作用是當按鈕按下時，將電容C上的電荷通過按鈕串接的電阻釋放掉，使電容C上的電壓降為零；當按鈕松開時，電容C的充電過程與上電復位相同，從而實現(xiàn)手動按鈕復位。3.1.4 SRAM設(shè)計在電機系統(tǒng)的實驗階段，實時控制軟件必須經(jīng)過反復調(diào)試和不斷優(yōu)化，而DSP內(nèi)部自帶的RAM一共只有18K16位，對于復雜的控制算法將不能勝任，如果直接把不完善的程序燒入到DSP芯片內(nèi)部的Flash中，這樣頻繁地燒寫和擦除Flash不僅會浪費調(diào)試的時間，而且還會影響Flash的使用壽命。采用的外部SRAM芯片是ISSI公司的IS61LV6416，IS61LV6416有16根數(shù)據(jù)總線和16根地址總線，最大存儲空間為64K16位，同時具有10ns的快速讀寫速度。IS61LV6416為靜態(tài)隨機存儲器，一般由存儲矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路組成。外擴RAM設(shè)計電路圖如圖3-2所示。圖3-2 外擴RAM設(shè)計電路圖3.1.5 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計系統(tǒng)中設(shè)置了兩路D/A輸出通道，用來在試驗過程中檢測相關(guān)的物理量，將需要觀測的量如電壓、電流、轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等DSP的計算結(jié)果轉(zhuǎn)化成模擬量，用示波器觀測結(jié)果，將使調(diào)試過程更加直接和感性。D/A轉(zhuǎn)換器電路連接如圖3-3所示。圖3-3 D/A轉(zhuǎn)換器電路連接圖當5V電源電壓工作時，TLC7528C的數(shù)字輸入提供TTL兼容性。TLC7528C可以用5V至15V范圍內(nèi)的任何電源電壓工作；但是5V以上輸入邏輯電平不與TTL兼容。3.2步進電機驅(qū)動電路步進電機的驅(qū)動模塊采用SGS-THMOSON Microelectronics所生產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片L298N,經(jīng)過總線驅(qū)動器的步進電機驅(qū)動信號后，經(jīng)過光耦隔離接入L298N再接入步進電機控制信號端。步進電機驅(qū)動電路如圖3-4所示。圖3-4 步進電機驅(qū)動電路L298N內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接受標準TTL邏輯準備信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，且可以直接通過電流來調(diào)節(jié)輸出電壓。3.3顯示接口電路顯示模塊采用的是LCD12864液晶模塊，具有顯示當前步進電機運行狀態(tài)，顯示電機運行步數(shù)，以及當前速度標志。12864顯示模塊接口電路如圖3-5所示。圖3-5 12864顯示模塊電路用12864多行顯示對當前步進電氣運行狀況時時進行監(jiān)控，因為涉及多臺步進電機，需要顯示的數(shù)據(jù)較多，所以選擇采用可以多行顯示的12864液晶顯示屏。3.4電源模塊220V交流電經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓，輸出一路5V，一路12V穩(wěn)定電壓。如圖3-6電源電路所示。圖3-6 電源電路TPS767D318電源電路如圖3-7所示。當采用雙電源器件芯片設(shè)計系統(tǒng)時，需要考慮系統(tǒng)上電或掉電操作過程中內(nèi)核和I/O供電的相對電壓和上電次序。通常情況下，在芯片內(nèi)部內(nèi)核和外部I/O模塊采用獨立的供電結(jié)構(gòu)，如果在上電或掉電過程中兩個電壓的供電起點和上升速度不同，就會在獨立的結(jié)構(gòu)（內(nèi)核和外部I/O模塊）之間產(chǎn)生電流，從而影響系統(tǒng)初始化狀態(tài)，甚至影響器件的壽命，而且隔離模塊之間的電流還會觸發(fā)器件本身的閉鎖保護，盡管TI公司的DSP上電過程中允許兩種供電有一定的時間差。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長器件的使用壽命，在設(shè)計時必須考慮上電、掉電次序問題。對于DSP內(nèi)核和外設(shè)供電次序控制可以采用多種方法，主要有兩種方法：采用分離原件P通道MOSFET管和TI公司提供的電源分配開關(guān)。5V再用CW7805穩(wěn)壓芯片，電路簡單，供給電源芯片TPS767D318。輸出1.8V/3.3V電壓。另外一路采用LM2596直流斬波，恒定輸出12V電壓提供給兩臺步進電機，圖3-8為LM2596直流斬波電路。圖3-7 TPS767D318電源電路圖3-8 LM2596直流斬波電路4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)步進電機在運行時的調(diào)速、步數(shù)、運行順序。在整個系統(tǒng)中用到了TMS320F2812芯片的主要資源有：通用定時器、GPIOA口、GPIOB口等。系統(tǒng)軟件包括以下模塊：主程序、鍵盤中斷處理程序、液晶顯示程序、電機運行程序。4.1主程序為了實現(xiàn)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和控制的實時性，系統(tǒng)主要功能在中斷程序中完成，主程序的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、LCD顯示系統(tǒng)啟動信息和開啟中斷等功能。主控程序流程圖如圖4-1所示。系統(tǒng)初始化中，完成的任務：1.系統(tǒng)時鐘配置為30MHZ；2.將GPIOA口設(shè)置為普通IO口，將GPIOB口設(shè)置為普通IO口，將GPIOD口設(shè)置為普通IO口；3.對初始值進行清零初始化；4.對LCD液晶顯示屏進行初始化控制；5.開啟系統(tǒng)總中斷；圖4-1 主控程序流程圖4.2 鍵盤中斷處理程序 圖4-2 鍵盤中斷處理程序流程圖 鍵盤中斷處理程序流程圖如圖4-2所示。鍵盤中斷處理程序用來實現(xiàn)對鍵盤有鍵按下時鍵值的讀取。鍵盤接口占用的是TMS320F2812的GPIOD口的資源，當有鍵按下時，定時器向CPU發(fā)出中斷請求，CPU進