DSP六自由度機(jī)械手

1、 北京信息科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 關(guān)節(jié)機(jī)器人DSP運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 智能科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名： *班級(jí)/學(xué)號(hào) 智能0802 指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師： * 起止時(shí)間：2012 年 2月20 日至2012 年 6月15日摘 要摘 要隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人控制技術(shù)也不斷的推陳出新，作為機(jī)器人控制技術(shù)的集中體現(xiàn)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器就顯得尤為重要，它從一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人有效控制，使其具有更好的控制精度和實(shí)時(shí)性，已成為近年來研究的熱門領(lǐng)域。對(duì)于機(jī)器人的控制主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)即舵機(jī)的控制上，所以，關(guān)節(jié)機(jī)器人可以作為一個(gè)很好的研究對(duì)象

2、。本文首先對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)器人以及機(jī)器人控制器進(jìn)行概述，接著進(jìn)一步對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了一定分析，通過關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器開發(fā)平臺(tái)重點(diǎn)研究了關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器的控制電路硬件設(shè)計(jì)。通過EDA工具軟件的仿真和設(shè)計(jì)，最終制成一塊能夠控制和驅(qū)動(dòng)1.3V-7V之間的所有舵機(jī)的基于TMS320F2812的機(jī)器人控制器硬件電路。在DSP開發(fā)工具CCS下編寫代碼使該控制器系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制，同樣該系統(tǒng)可以進(jìn)行一些簡單的二次開發(fā)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:關(guān)節(jié)機(jī)器人；機(jī)器人控制器；TMS320F2812； EDA；CCS；AbstractAbstractWith the development of

3、the electronic control technology, robot control technology is frequently implemented. As the embodiment of the robot control technology, the motion controller is particularly important. It influences the development of the robot to some extent. How to realize the effective control of the robot and

4、make it possesses better control precision and real-time have become a hot research topic in recent years. The control of the robot is mainly reflected in the joint of the robot, that is, the steering gear. Therefore, the articulated robot can be a very good object for research.This paper first summ

5、arizes the articulated robot and robotic controller, and then analyzes the robot kinematics. We put emphasis on the hardware design of the controller for the articulated robot through the development platform of the articulated robot controller. Through the simulation and design of the EDA tool soft

6、ware, we make a hardware circuit that can control all the steering gear between 1.3 V to 7 V, based on TMS320F2812 controller hardware circuit finally. Writing code under CCS, the DSP development tool, makes the controller system can not only realize motion control on the joint of robot, but also ca

7、n carry on some simple secondary development, which proves certain practical value.Key words: Joint robot; Robotic controller; TMS320F2812;EDA;CCS;目 錄目錄摘 要Abstract第一章 緒論11.1關(guān)節(jié)機(jī)器人概述11.1.1關(guān)節(jié)機(jī)器人特點(diǎn)11.1.2關(guān)節(jié)機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用前景11.2機(jī)器人控制器概述21.2.1機(jī)器人控制器類型21.2.2機(jī)器人控制器展望21.3本文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)3第二章 關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析42.1關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)概述42

8、.2機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的D-H表示法42.3機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解72.4本章小結(jié)11第三章 關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器開發(fā)平臺(tái)123.1 Protel99SE123.2 Multisim123.3 TMS320F2812133.3.1 DSP芯片的基本工作原理133.3.2 DSP芯片的總體結(jié)構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)13第四章 DSP運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)154.1 電源電路154.2 復(fù)位電路194.3 JTAG204.4 串口224.5 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路234.5.1 舵機(jī)工作、控制原理234.5.2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)244.6 控制器系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)需注意問題254.6.1 關(guān)于各個(gè)庫的問題264.6.2 關(guān)于數(shù)字地與模

9、擬地的隔離問題264.6.3 有關(guān)干擾問題274.6.4 有關(guān)濾波電容的問題284.7 控制器系統(tǒng)硬件電路28第五章 軟件設(shè)計(jì)305.1 DSP開發(fā)軟件介紹305.2 PWM波形產(chǎn)生原理305.3 程序流程設(shè)計(jì)33結(jié)束語36參考文獻(xiàn)37I關(guān)節(jié)機(jī)器人DSP運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)第一章 緒論在發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高社會(huì)生產(chǎn)效率，

10、推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。機(jī)器人技術(shù)是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領(lǐng)域。國際電氣電子工程師協(xié)會(huì)IEEE的科學(xué)家在對(duì)未來科技發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測(cè)中提出了4個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向，機(jī)器人技術(shù)就是其中之一。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。 工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的

11、時(shí)間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機(jī)交互界面、在線操作提示和使用方便等特點(diǎn)。雖然中國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進(jìn)步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。1.1關(guān)節(jié)機(jī)器人概述1.1.1關(guān)節(jié)機(jī)器人特點(diǎn)關(guān)節(jié)型機(jī)器人也稱關(guān)節(jié)手臂機(jī)器人或關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種工業(yè)機(jī)器人。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)節(jié)型機(jī)器人已經(jīng)集成機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子、傳感器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制和系統(tǒng)工程等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，逐漸成為現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。關(guān)節(jié)型機(jī)器人適用于諸多工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)，比如，自動(dòng)裝配、噴漆、搬運(yùn)、焊接等工作。關(guān)節(jié)型機(jī)器人技術(shù)發(fā)展是很快的，在20世紀(jì)60年代毫無疑問還是一種獨(dú)特的

12、設(shè)備，現(xiàn)在關(guān)節(jié)型機(jī)器人己經(jīng)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)結(jié)合在一起應(yīng)用，成為現(xiàn)代制造業(yè)必備的一種自動(dòng)化工具。關(guān)節(jié)型機(jī)器人有三個(gè)主要的特征：機(jī)電一體化、適應(yīng)性和通用性。機(jī)電一體化是說關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有機(jī)電一體化特點(diǎn)，因此集成了多學(xué)科的技術(shù)。尤其是第三代智能關(guān)節(jié)型機(jī)器人，不僅能夠通過傳感器獲取外部環(huán)境信息，還具有人工智能的特點(diǎn)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的適應(yīng)性是指在機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過程中不管環(huán)境如何變化，機(jī)器人都能夠自動(dòng)完成指定的任務(wù)，即要求機(jī)器人具有人工感知的能力。通用性是指關(guān)節(jié)型機(jī)器人能夠執(zhí)行各種不同能力的功能并且能夠完成各種各樣的簡單的任務(wù)。因此通用性意味著機(jī)器人具有可變的幾

13、何結(jié)構(gòu)，即根據(jù)生產(chǎn)工作需要進(jìn)行變更的幾何結(jié)構(gòu)；或者說，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或者以不同的方式完成同一工作。1.1.2關(guān)節(jié)機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用前景現(xiàn)代機(jī)器人出現(xiàn)于20世紀(jì)中期，當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)己經(jīng)出現(xiàn)，電子技術(shù)也有了長足的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了受計(jì)算機(jī)控制的可編程的數(shù)控機(jī)床，與機(jī)器人相關(guān)的控制技術(shù)和零部件的加工業(yè)有了扎實(shí)的基礎(chǔ)。另外，人類需要開發(fā)自動(dòng)機(jī)械，替代人去從事一些惡劣環(huán)境下的作業(yè)。正是在這一背景下，機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了快速發(fā)展。我國的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，在“七五”計(jì)劃中才把機(jī)器人列為國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，在863計(jì)劃的支持下，機(jī)器人基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)元器件研究才全面展開。我國

14、第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程1986年在沈陽建立。截至2007年底，已有130多臺(tái)噴漆機(jī)器人在20余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線獲得規(guī)模應(yīng)用。近幾年我國在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制達(dá)到了國際前沿領(lǐng)域，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。現(xiàn)代科學(xué)及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使機(jī)器人在各行業(yè)中廣泛地應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的推廣，機(jī)器人的種類越來越多，對(duì)機(jī)器人的要求越來越高，用于一些特殊場(chǎng)合(如放射性、高溫、有毒、深水、高空等)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人受到人們的青睞。1.2機(jī)器人控制器概述1.2.1機(jī)器人控制器類型機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置,它是機(jī)器人的心

15、臟, 決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。從機(jī)器人控制算法的處理方式來看, 可分為串行、 并行兩種結(jié)構(gòu)類型。1. 串行處理結(jié)構(gòu)所謂的串行處理結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人的控制算法是由串行機(jī)來處理。 2. 并行處理結(jié)構(gòu)并行處理技術(shù)是提高計(jì)算速度的一個(gè)重要而有效的手段, 能滿足機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性要求。關(guān)于機(jī)器人控制器并行處理技術(shù), 人們研究較多的是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn)。 1982 年J.Y.S.Luh 首次提出機(jī)器人動(dòng)力學(xué)并行處理問題, 這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程是一組非線性強(qiáng)耦合的二階微分方程, 計(jì)算十分復(fù)雜。 提高機(jī)器人動(dòng)力學(xué)算法計(jì)算速度也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法如: 計(jì)算力矩法、 非線性前饋法、

16、自適應(yīng)控制法等打下基礎(chǔ). 開發(fā)并行算法的途徑之一就是改造串行算法, 使之并行化, 然后將算法映射到并行結(jié)構(gòu)。 一般有兩種方式, 一是考慮給定的并行處理器結(jié)構(gòu), 根據(jù)處理器結(jié)構(gòu)所支持的計(jì)算模型, 開發(fā)算法的并行性； 二是首先開發(fā)算法的并行性, 然后設(shè)計(jì)支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最佳并行效率。1.2.2機(jī)器人控制器展望隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展, 針對(duì)結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)器人控制器的缺陷, 開發(fā) “具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器” 是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。 近幾年, 日本、 美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器, 如日本安川公司基于PC 開發(fā)的具有開放式結(jié)構(gòu)、

17、 網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器人控制器.我國 863 計(jì)劃智能機(jī)器人主題也已對(duì)這方面的研究立項(xiàng)。在設(shè)計(jì)具有開放式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器時(shí)，設(shè)計(jì)過程中要盡可能做到模塊化。 模塊化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建立的一種現(xiàn)代方法, 按模塊化方法設(shè)計(jì), 系統(tǒng)由多種功能模塊組成, 各模塊完整而單一。 這樣建立起來的系統(tǒng), 不僅性能好、 開發(fā)周期短而且成本較低.模塊化還使系統(tǒng)開放, 易于修改、 重構(gòu)和添加配置功能。由于適用于機(jī)器人控制的軟、 硬件種類繁多和現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展, 開發(fā)一個(gè)結(jié)構(gòu)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器存在一定困難, 但應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù), 如工業(yè)PC 良好的開放性、 安全性和聯(lián)網(wǎng)性, 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng), 標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu),

18、 標(biāo)準(zhǔn)接口等, 打破現(xiàn)有機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面, 開發(fā)結(jié)構(gòu)開放性、 功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是完全可行的。1.3本文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本文主要研究的是一個(gè)6自由度的關(guān)節(jié)機(jī)器人，由底座、大臂、小臂、手腕等幾部分組成，本文主要完成以下幾方面的內(nèi)容。針對(duì)小型教學(xué)用6自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，設(shè)計(jì)開發(fā)DSP運(yùn)動(dòng)控制器的硬件電路,使硬件電路能夠正常工作。用DSP作為控制系統(tǒng)核心單元，控制關(guān)節(jié)器人各關(guān)節(jié)舵機(jī)動(dòng)作，完成關(guān)節(jié)機(jī)器人的抓取、搬運(yùn)和放置等動(dòng)作。設(shè)計(jì)的硬件電路包括各芯片和舵機(jī)的電源電路、DSP控制電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、串口通訊電路等。利用DSP高速信號(hào)處理能力與運(yùn)算能力對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)計(jì)算

19、，有效的對(duì)機(jī)器人進(jìn)行6軸聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法并獲得優(yōu)良的伺服性能。本文結(jié)構(gòu)：第一章主要介紹了關(guān)節(jié)機(jī)器人以及關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器的發(fā)展?fàn)顩r以及本文的研究方向。第二章主要以關(guān)節(jié)機(jī)器人的單關(guān)節(jié)建模為起點(diǎn)逐步講解了多關(guān)節(jié)機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型和求解方法。第三章主要講解了關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器開發(fā)平臺(tái)。第四章重點(diǎn)講解了關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器的詳細(xì)開發(fā)過程以及開發(fā)過程中需要注意的一些細(xì)節(jié)問題。第五章主要講解了一些簡單的關(guān)節(jié)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)程序包括關(guān)節(jié)控制方法。第二章 關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.1 關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)概述關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)就是建立各個(gè)操作臂與機(jī)械手空間的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系，為分析機(jī)

20、器人的控制打好基礎(chǔ)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包括兩方面的問題:運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題。兩個(gè)問題的關(guān)系如圖2.1所示：圖2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究的是物體的運(yùn)動(dòng)與受力之間的關(guān)系。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程是機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，它表示機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度、加速度與各驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系。與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)一樣，機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)也有兩個(gè)相反的問題:一是動(dòng)力學(xué)正問題，即:已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，求解機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度。機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)正問題主要用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真。二是動(dòng)力學(xué)逆問題，即:已知各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度，求各關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力及力矩。動(dòng)力學(xué)逆問題是為了對(duì)機(jī)器人

21、的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效實(shí)時(shí)控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的軌跡運(yùn)動(dòng)。2.2機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的D-H表示法Denavit-Hartenberg(D_H)模型表示了對(duì)機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常簡單的方法，可用于任何機(jī)器人構(gòu)型，而不管機(jī)器人的結(jié)構(gòu)順序和復(fù)雜程度如何。它也可用于表示已經(jīng)討論過的在任何坐標(biāo)中的變換，例如直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、歐拉角坐標(biāo)及RPY坐標(biāo)等。另外，它也可以用于表示全旋轉(zhuǎn)的鏈?zhǔn)綑C(jī)器人、SCARA機(jī)器人或任何可能的關(guān)節(jié)和連桿組合。假設(shè)機(jī)器人由一系列關(guān)節(jié)和連桿組成。這些關(guān)節(jié)可能是滑動(dòng)（線性）的或旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)）的，它們可以按任意的順序放置并處于任意的平面。連桿也可以是任意的長度（包括零），它可能

22、被彎曲或扭曲，也可能位于任意平面上。所以任何一組關(guān)節(jié)和連桿都可以構(gòu)成一個(gè)我們想要建模和表示的機(jī)器人。為此，需要給每個(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)參考坐標(biāo)系，然后，確定從一個(gè)關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)（一個(gè)坐標(biāo)系到下一個(gè)坐標(biāo)系）來進(jìn)行變換的步驟。如果將從基座到第一個(gè)關(guān)節(jié)，再從第一個(gè)關(guān)節(jié)到第二個(gè)關(guān)節(jié)直至到最后一個(gè)關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來，就得到了機(jī)器人的總變換矩陣。圖2.2 通用關(guān)節(jié)連桿組合的D-H表示假設(shè)一個(gè)機(jī)器人由任意多的連桿和關(guān)節(jié)以任意形式構(gòu)成。見圖2.2表示了三個(gè)順序的關(guān)節(jié)和兩個(gè)連桿。雖然這些關(guān)節(jié)和連桿并不一定與任何實(shí)際機(jī)器人的關(guān)節(jié)或連桿相似，但是他們非常常見，且能很容易地表示實(shí)際機(jī)器人的任何關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)可能是旋轉(zhuǎn)

23、的、滑動(dòng)的、或兩者都有。盡管在實(shí)際情況下，機(jī)器人的關(guān)節(jié)通常只有一個(gè)自由度，但圖2.2中的關(guān)節(jié)可以表示一個(gè)或兩個(gè)自由度。見圖2.2（a）表示了三個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動(dòng)或平移的。第一個(gè)關(guān)節(jié)指定為關(guān)節(jié)n，第二個(gè)關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+1，第三個(gè)關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)n+2。在這些關(guān)節(jié)的前后可能還有其他關(guān)節(jié)。連桿也是如此表示，連桿n位于關(guān)節(jié)n與n+1之間，連桿n+1位于關(guān)節(jié)n+1與n+2之間。為了用D-H表示法對(duì)機(jī)器人建模，所要做的第一件事是為每個(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)本地的參考坐標(biāo)系。因此，對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)，都必須指定一個(gè)z軸和x軸，通常并不需要指定y軸，因?yàn)閥軸總是垂直于x軸和z軸的。此外，D-H表示法根本就不用y軸。在圖2.

24、2（a）中，角表示繞z軸的旋轉(zhuǎn)角，d表示在z軸上兩條相鄰的公垂線之間的距離，a表示每一條公垂線的長度（也叫關(guān)節(jié)偏移量），角表示兩個(gè)相鄰的z軸之間的角度 （也叫關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)）。通常，只有和d是關(guān)節(jié)變量。下面我們來研究如何將一個(gè)參考坐標(biāo)系變換到下一個(gè)參考坐標(biāo)系。假設(shè)現(xiàn)在位于本地坐標(biāo)系，那么通過以下四步標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)即可到達(dá)下一個(gè)本地坐標(biāo)系。（1）繞軸旋轉(zhuǎn)（見圖2.2（a）與（b）所示），它使得和互相平行，因?yàn)楹投际谴怪庇谳S的，因此繞軸旋轉(zhuǎn)使它們平行（并且共面）。（2）沿軸平移距離，使得和共線（見圖2.2（c）所示）。因?yàn)楹鸵呀?jīng)平行并且垂直于，沿著移動(dòng)則可使它們互相重疊在一起。（3）沿軸平移的距離，使得和的原

25、點(diǎn)重合（見圖2.2（d）和（e）所示）。這是兩個(gè)參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)處在同一位置。（4）將軸繞軸旋轉(zhuǎn)，使得軸與軸對(duì)準(zhǔn)（見圖2.2（f）所示）。這時(shí)坐標(biāo)系n和n+1完全相同（見圖2.2（g）所示）。至此，我們成功地從一個(gè)坐標(biāo)系變換到了下一個(gè)坐標(biāo)系。在n+1和n+2坐標(biāo)系間嚴(yán)格地按照同樣的四個(gè)運(yùn)動(dòng)順序可以將一個(gè)坐標(biāo)變換到下一個(gè)坐標(biāo)系。如有必要，可以重復(fù)以上步驟，就可以實(shí)現(xiàn)一系列相鄰坐標(biāo)系之間的變換。從參考坐標(biāo)系開始，我們可以將其轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的基座，然后到第一個(gè)關(guān)節(jié)，第二個(gè)關(guān)節(jié)，直至末端執(zhí)行器。這里比較好的一點(diǎn)是，在任何兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換均可采用與前面相同的運(yùn)動(dòng)步驟。通過右乘表示四個(gè)運(yùn)動(dòng)的四個(gè)矩陣就可

26、以得到變換矩陣A，矩陣A表示了四個(gè)依次的運(yùn)動(dòng)。由于所有的變換都是相對(duì)于當(dāng)前坐標(biāo)系的（即他們都是相對(duì)于當(dāng)前的本地坐標(biāo)系來測(cè)量與執(zhí)行），因此所有的矩陣都是右乘。從而得到結(jié)果如下：即： （2.1）比如，一般機(jī)器人的關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間的變換可以簡化為： （2.2）在機(jī)器人的基座上，可以從第一個(gè)關(guān)節(jié)開始變換到第二個(gè)關(guān)節(jié)，然后到第三個(gè)，再到機(jī)器人的手，最終到末端執(zhí)行器。若把每個(gè)變換定義為，則可以得到許多表示變換的矩陣。在機(jī)器人的基座與手之間的總變換則為： （2.3）其中n是關(guān)節(jié)數(shù)。對(duì)于一個(gè)具有六個(gè)自由度的機(jī)器人而言，有6個(gè)A矩陣。為了簡化A矩陣的計(jì)算，可以制作一張關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)的表格，其中每個(gè)連桿和關(guān)節(jié)的

27、參數(shù)值可從機(jī)器人的原理示意圖上確定，并且可將這些參數(shù)代入A矩陣。見表2.1可用于這個(gè)目的（其中表中的數(shù)據(jù)為舉例數(shù)據(jù)）。在以下幾個(gè)例子中，我們將建立必要的坐標(biāo)系，填寫參數(shù)表，并將這些數(shù)值代入A矩陣。首先從簡單的機(jī)器人開始，以后再考慮復(fù)雜的機(jī)器人。表2.1 D-H參數(shù)表da19000020d10-9030d2a1040009051000a206500002.3機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解為了使機(jī)器人手臂處于期望的位姿，如果有了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解就能確定每個(gè)關(guān)節(jié)的值?，F(xiàn)在你可能已經(jīng)注意到，前面的運(yùn)動(dòng)方程中有許多角度的耦合，這就使得無法從矩陣中提取足夠的元素來求解單個(gè)的正弦和余弦項(xiàng)以計(jì)算角度。為使角度解耦，可例行地用單

28、個(gè)矩陣左乘矩陣，使得方程右邊不再包括這個(gè)角度，于是可以找到產(chǎn)生角度的正弦值和余弦值的元素，并進(jìn)而求得相應(yīng)的角度。圖2.3 簡單6自由度機(jī)械手臂這里概要地給出了這個(gè)方法，并將用到如圖2.3中的簡單6自由度機(jī)械手臂。雖然所給出的解決方法只針對(duì)這一給定構(gòu)型的機(jī)器人，但也可以類似地用于其它機(jī)器人。正如在圖2.3中看到的，表示機(jī)器人的方程為： （2.4）為了書寫方便，將上面的矩陣表示為RHS(Right-Hand Side)。這里再次將機(jī)器人的期望位姿表示為： （2.5）為了求解角度，從開始，依次用左乘上述兩個(gè)矩陣，得到： （2.6） （2.7） （2.8）根據(jù)方程的第3行第4列元素為0，有： （2.9

29、）根據(jù)第1行第4列元素和第2行第4列元素，可得： （2.10）整理上面兩個(gè)方程并對(duì)兩邊平方，然后將平方值相加，得： （2.11）根據(jù)式三角函數(shù)方程 （2.12）可得： （2.13）于是： （2.14）在這個(gè)方程中，除和外，每個(gè)變量都是已知的，和將在后面求出。已知： （2.15）于是可得： （2.16）因?yàn)殛P(guān)節(jié)2，3和4都是平行的，左乘和的逆不會(huì)產(chǎn)生有用的結(jié)果。下一步左乘的逆，結(jié)果為： （2.17）乘開后可得： （2.18）根據(jù)式以上結(jié)果，矩陣的3元素 （2.19） 由此可計(jì)算和，如前面所討論過的，它們可用來計(jì)算?，F(xiàn)在再參照式（2.11），并在這里重復(fù)使用它就可計(jì)算角的正弦和余弦值。具體步驟如下

30、： （2.20）由于以及，可得： （2.21）上面兩個(gè)方程中包含兩個(gè)未知數(shù)，求解和，可得： （2.22）盡管這個(gè)方程較復(fù)雜，但它的所有元素都是已知的，因此可以計(jì)算得到： （2.23）既然和已知，進(jìn)而可得： （2.24）因?yàn)槭剑?.19）中的有兩個(gè)解，所以也有兩個(gè)解。根據(jù)式（2.18）中的第1行第3列元素和第2行第3列元素，可以得到：和 （2.25） （2.26）也許已注意到，因?yàn)閷?duì)于沒有解耦方程，所以必須用矩陣的逆左乘式（2.18）來對(duì)它解耦。這樣做后可得到： （2.27）根據(jù)式（2.27）中的第2行第1列元素和第2行第2列元素，得到： （2.28）至此找到了6個(gè)方程，它們合在一起給出了機(jī)器人

31、置于任何期望位姿時(shí)所需的關(guān)節(jié)值。雖然這種方法僅適用于給定的機(jī)器人，但也可采取類似的方法來處理其他的機(jī)器人。值得注意的是，僅僅因?yàn)闄C(jī)器人的最后三個(gè)關(guān)節(jié)交于一個(gè)公共點(diǎn)才使得這個(gè)方法有可能求解，否則就不能用這個(gè)方法來求解，而只能直接求解矩陣或通過計(jì)算矩陣的逆來求解未知的量。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都有相交的腕關(guān)節(jié)。2.4本章小結(jié)通過以上對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中的正、逆運(yùn)動(dòng)分析，可以看到如何對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)器人建立數(shù)學(xué)模型，然后通過正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來求解關(guān)節(jié)機(jī)器人在多級(jí)聯(lián)動(dòng)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)在空間所處的姿態(tài)，對(duì)于各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)姿態(tài)的控制主要通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器來實(shí)現(xiàn)，由于求解正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)不僅涉及到大量的運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中還必須要求整體系統(tǒng)

32、的實(shí)時(shí)性，所以要求所用的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器不僅具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力而且能夠并行輸出多路控制信號(hào)，在這種情況下，一般的單片機(jī)就很難勝任，所以必須考慮運(yùn)用運(yùn)算能力更強(qiáng)的控制器來達(dá)到對(duì)于多關(guān)節(jié)機(jī)器人的控制。 第三章 關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器開發(fā)平臺(tái)本文中對(duì)于關(guān)節(jié)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)方面主要用到的EDA軟件有Protel99SE，multisim10，在硬件方面主要用到的控制器為TI公司的TMS320F2812.下面主要對(duì)本文中所用到的軟件以及芯片進(jìn)行介紹。3.1 Protel99SEProtel99SE是Protel公司近10年來致力于Windows平臺(tái)開發(fā)的最新結(jié)晶，能實(shí)現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計(jì)到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，

33、以及這之間的所有 分析、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理。因而今天的Protel最新產(chǎn)品已不是單純的PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)工具，而是一個(gè)系統(tǒng)工具，覆蓋了以PCB為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì)。Protel 設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套建立在IBM兼容PC環(huán)境下的EDA電路集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)，具有高度的集成性與擴(kuò)展性。Protel 99 SE主要由原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)、印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩大部分組成。1原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng) 這是一個(gè)易于使用的具有大量元件庫的原理圖編輯器，主要用于原理圖的設(shè)計(jì)。它可以為印制電路板設(shè)計(jì)提供網(wǎng)絡(luò)表。該編輯器除了具有強(qiáng)大的原理圖編輯功能以外，其分層組織設(shè)計(jì)功能、設(shè)計(jì)同步器、豐富的電氣設(shè)計(jì)檢驗(yàn)功能及強(qiáng)大而完善的打印輸出功能，

34、使用戶可以輕松完成所需的設(shè)計(jì)任務(wù)。 2印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng) 它是一個(gè)功能強(qiáng)大的印制電路板設(shè)計(jì)編輯器，具有非常專業(yè)的交互式布線及元件布局的特點(diǎn)，用于印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)并最終產(chǎn)生PCB文件，直接關(guān)系到印制電路板的生產(chǎn)。Protel99SE的印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以進(jìn)行多達(dá)32層信號(hào)層、16層內(nèi)部電源/接地層的布線設(shè)計(jì)，交互式的元件布置工具極大 地減少了印制板設(shè)計(jì)的時(shí)間。 同時(shí)它還包含一個(gè)具有專業(yè)水準(zhǔn)的PCB信號(hào)完整性分析工具、功能強(qiáng)大的打印管理系統(tǒng)、一個(gè)先進(jìn)的PCB三維視圖預(yù)覽工具。 此外，Protel99SE還包含一個(gè)功能強(qiáng)大的模/數(shù)混合信號(hào)仿真器，使設(shè)計(jì)者可以方便地在設(shè)計(jì)中對(duì)一組混合信號(hào)進(jìn)

35、行仿真分析。 同時(shí)，它還提供了一個(gè)高效、通用的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具。3.2 Multisim Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路行為進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)

36、教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。3.3 TMS320F2812TI公司的 TMS32OF2812DSP數(shù)字信號(hào)控制芯片，不僅具有比一般單片機(jī)更快的處理速度，而且具有適合電機(jī)控制的專屬硬件電路和外設(shè)。另外，如今DSP控制器芯片的成本不斷降低，單片TMS320F28X系列的DSP控制器的價(jià)格與普通單片機(jī)的價(jià)格已不相上下，這為DSP的應(yīng)用更是注入的無窮的生命力。3.3.1 DSP芯片的基本工作原理無論是微處理器、單片機(jī)還是DSP控制器，它們的基本工作原理是一致的，不外乎要做的工作

37、是:l)讀取數(shù)據(jù)：從存儲(chǔ)器、FO接口等地方讀取數(shù)；2)運(yùn)算：按照某種規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算；3)存放數(shù)據(jù)：把數(shù)據(jù)存放到存儲(chǔ)器、FO接口等地方。因此，在其工作過程中數(shù)據(jù)流與地址流占統(tǒng)治地位。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流、地址流的有序管理和控制，采用數(shù)據(jù)總線和地址總線是一種最佳的結(jié)構(gòu)方式。數(shù)據(jù)總線和地址總線像兩條高速公路，數(shù)據(jù)信息與地址信息分別在其上快速地流動(dòng)。中央處理單元，程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和內(nèi)部外設(shè)等功能模塊分別掛接在數(shù)據(jù)總線和地址總線上。中央處理單元是控制中心，由它指揮。當(dāng)前時(shí)刻誰可以占用數(shù)據(jù)總線或地址總線，同時(shí)它還可以進(jìn)行有關(guān)的運(yùn)算；程序存儲(chǔ)器是物理芯片與人的交接面，由人編寫程序指令并寫入到程序存儲(chǔ)器中，體現(xiàn)

38、了人的意志，中央處理單元只能根據(jù)程序的流程進(jìn)行指揮不能隨意發(fā)揮；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于記錄工作過程中的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最后結(jié)論;內(nèi)部外設(shè)是集成在芯片內(nèi)部的與外部世界進(jìn)行信息交換的功能模塊，一般包括FO、I/O、串行通信等。另外，數(shù)據(jù)總線和地址總線一般情況下都延伸到芯片外部(到引腳上)。 一般微處理器的數(shù)據(jù)總線和地址總線是單總線方式，相當(dāng)于一輛車在只有一條道的高速公路上跑，這輛車分時(shí)地為大家服務(wù)。DSP芯片與此不同，采用多總線方式，相當(dāng)是多條道的高速公路，這樣多輛車可以同時(shí)在其上行駛，極大地加快了運(yùn)行速度。這實(shí)質(zhì)上是一種并行機(jī)制。數(shù)據(jù)和地址是貫穿任何一種微處理器設(shè)計(jì)、編程的兩個(gè)基本概念，特別是地址，

39、它就是數(shù)據(jù)源、專用寄存器、FO的代表。每一個(gè)存儲(chǔ)器、寄存器都有地址，對(duì)于可編程的功能模塊(片內(nèi)的或片外的)它也有地址，對(duì)可編程的功能模塊的操作，實(shí)際上是對(duì)它的寄存器(控制的、數(shù)據(jù)的等)進(jìn)行操作，這些寄存器必須有唯一地址，否則會(huì)引起工作混亂。勸于片內(nèi)外設(shè)的功能模塊各寄存器的地址是由芯片廠家確定的。片內(nèi)外設(shè)的功能模塊各寄存器的地址與所連接的外部地址總線有關(guān)，即給每個(gè)功能模塊分配地址，一旦完成設(shè)計(jì)好印刷電路也就被固定了下來。3.3.2 DSP芯片的總體結(jié)構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)DSP芯片總體結(jié)構(gòu)一是采用多組總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理機(jī)制，允許CPU同時(shí)進(jìn)行程序指令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的訪問；二是采用獨(dú)立的累加器和乘法器，使得復(fù)

40、雜的乘法運(yùn)算能快速進(jìn)行；三是累加器和乘法器分別連接了比例移位器，使得許多復(fù)雜運(yùn)算或者運(yùn)算后的定標(biāo)能在一條指令中完成；四是有豐富的尋址方式，可方便靈活的編程；五是有完善的片內(nèi)外設(shè)，可以構(gòu)成完整的單片系統(tǒng)?？偩€結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中最基本的結(jié)構(gòu)，它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的接口方式。功能模塊之間的信息交換，都可解釋為“在什么地址存放數(shù)據(jù)”或“從什么地址取回?cái)?shù)據(jù)”。數(shù)據(jù)地址成為密不可分的一對(duì)伙伴。具備數(shù)據(jù)與地址接口方式的功能模塊都可以掛接到數(shù)據(jù)/地址總線上。數(shù)據(jù)/地址總線是雙向的，為了保證數(shù)據(jù)通暢流動(dòng)，要在中央處理單元統(tǒng)一指揮下按節(jié)拍進(jìn)行工作。一般情況下，總線的操作時(shí)序分為四個(gè)獨(dú)立的階段：取指令(P)、指令譯

41、碼(T)、取操作數(shù)(D)和執(zhí)行指令(E)，這四個(gè)階段分別面向程序讀、數(shù)據(jù)讀和數(shù)據(jù)寫。DSP芯片采用了多組總線的結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)部地址總線分為三條總線:(l)程序讀地址總線 (PAB)，提供讀程序的地址；(2)數(shù)據(jù)讀地址總線 (DRAB)，提供讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址；(3)數(shù)據(jù)寫地址總線(DWAB)，提供寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址。內(nèi)部數(shù)據(jù)總線也對(duì)應(yīng)分為三條總線:(l)程序讀數(shù)據(jù)總線 (PRDB)，將指令代碼中的立即數(shù)以及表信息傳送到CPU；(2)數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)總線(DRDB)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送道CPU；(3)數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)總線(DWDB)，將處理后的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。由于DSP芯片采用了多組總線

42、結(jié)構(gòu)，這將允許CPU同時(shí)進(jìn)行程序指令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的訪問，因而在其內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)四級(jí)邏輯流水線，這種并行機(jī)制可使得4條指令同時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)處于激活狀態(tài)，而在任一周期都有執(zhí)行指令(E)的操作，就好像一個(gè)周期可以完成一條指令。四級(jí)流水線是邏輯上的，大部分情況下對(duì)用戶來說也是不可見的。第四章 DSP運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體硬件構(gòu)成圖如下圖4.1所示：TMS320F2812電源電路復(fù)位電路JTAG串口舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路舵機(jī) 圖4.1 系統(tǒng)整體硬件構(gòu)成圖4.1電源電路由于本控制系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)數(shù)字舵機(jī)，所以外部輸入采用8V可充電電池。又由于TMS320F2812的工作電壓被設(shè)計(jì)成3.3V，因?yàn)檫@樣可以減少芯片損耗。但

43、在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí)，除了設(shè)計(jì)DSP芯片與其他外圍芯片的接口，需要將常用的5V直流電源轉(zhuǎn)換成3.3V。可以采用可調(diào)的直流電源直接獲得3.3V電壓，但電壓的穩(wěn)定性很難得到保證。另外，還可采用專門的電源芯片。由于2812與一般的DSP不同，2812的上電次序是外圍先上電，內(nèi)核后上電，也就是3.3V先上電，1.8V后上電。下面將對(duì)8V到5V，以及5V到3.3V和1.8V分開進(jìn)行講解。1. 8V到5V穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78xx 系列和負(fù)電壓輸出79xx系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 用78/79

44、系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。同時(shí)78xx系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓比輸出電壓高3-4V。還要考慮輸出與輸入間壓差帶來的功率損耗，所以一般輸入為9-15V之間，所以可以采用該系列的穩(wěn)壓芯片作為8V到5V之間的電壓轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓。由于該控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)并非工業(yè)要求，所以可以采用7805固定輸出穩(wěn)壓電路，實(shí)際中的電路圖如下圖4.2所示.圖4.

45、2 7805固定輸出穩(wěn)壓電路2. 5V到3.3V和1.8V電路設(shè)計(jì)TMS320F2812的內(nèi)核和I/O采用雙供電方式，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須保證如果其中的一種電壓低于要求的操作電壓，則另一個(gè)電壓的供電時(shí)間不能超出要求的時(shí)間。當(dāng)采用雙電源器件芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，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(duì)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(dú)立的供電結(jié)構(gòu)，如果在上電或掉電過程中兩個(gè)電壓的供電起點(diǎn)和上升速度不同，就會(huì)在獨(dú)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(huì)觸發(fā)器件本身的閉鎖保護(hù)。盡管TI公司的

46、DSP上電過程中允許兩種供電有一定的時(shí)間差，但為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長器件的使用壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮上電、掉電次序問題。應(yīng)用雙供電DSP平臺(tái)系統(tǒng)，在I/O供電之前每個(gè)DSP內(nèi)核供電電流都比較大。引起電流過大的原因只要是由于DSP內(nèi)核沒有正確地初始化，一旦CPU檢測(cè)到內(nèi)部的時(shí)鐘脈沖，這種超大電流就會(huì)停止。隨著PLL開始工作，I/O上電，產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖將降低上述的超大電流，從而使供電回到正常范圍。減小內(nèi)核和I/O供電的時(shí)間間隔可以減小這種大吸收電流對(duì)系統(tǒng)的影響。雙電源供電模塊可以消除兩個(gè)電源之間的延時(shí)。此外，還可以采用肖特基二極管鉗制內(nèi)核和I/O的電源以滿足系統(tǒng)的供電需求。雙電源供電系統(tǒng)原理圖

47、如圖4.3所示.I/O電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)核電壓調(diào)節(jié)器I/ODVDD內(nèi)核CVDDDC輸入圖4.3雙電源供電系統(tǒng)原理圖實(shí)際上在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，防止DSP的I/O引腳同外設(shè)之間的總線沖突是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，需要控制內(nèi)核和I/O的上電次序。由于總線控制邏輯位于DSP內(nèi)核模塊，I/O供電先于內(nèi)核供電會(huì)使DSP和外設(shè)同時(shí)配置成輸出功能引腳。如果DSP與外設(shè)輸出的電平相反將會(huì)產(chǎn)生總線沖突。在F2812中 ,對(duì)上電順序有嚴(yán)格要求，F(xiàn)2812需要芯片外設(shè)必須先于內(nèi)核上電，一般的穩(wěn)壓芯片難以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓上電順序的控制，為了滿足系統(tǒng)對(duì)上電順序的要求，這里采用TI的DSP供電芯片TPS767D318。TPS767D3

48、18為雙通道輸出的可控電源轉(zhuǎn)換芯片，可以通過控制轉(zhuǎn)換使能端從而控制輸出電壓的順序。TPS767D318具有以下特性：1) 提供雙通道輸出電壓；2) 每個(gè)通道最大可以提供1A的輸出電流；3) 每個(gè)通道都有獨(dú)立的使能信號(hào)，可以獨(dú)立工作；4) 具有很快的瞬態(tài)響應(yīng)特性；5) 最低的靜態(tài)電流為85A；6) 每個(gè)通道內(nèi)部都具有熱保護(hù)功能；7) 負(fù)載和溫度對(duì)輸出電壓影響很小，最大誤差2。TPS767D318的芯片引腳圖如圖4.4所示。圖4.4 TPS767D318芯片引腳圖TPS767D318的芯片引腳說明見表4.1所示表4.1 TPS767D318芯片引腳說明引腳名引腳號(hào)輸入輸出狀態(tài)功能描述1GND3通道

49、1地4I通道1使能1IN5、6I通道1輸入2GND9通道2地10I通道2使能2IN11、12I通道2輸入2OUT17、18O通道2輸出電壓22O通道2復(fù)位信號(hào)1OUT23、24O通道1輸出電壓1FB/NC25I通道1的反饋校正或懸空280通道1復(fù)位信號(hào)TPS767D318的具體硬件設(shè)計(jì)如圖4.5所示，F(xiàn)2812的供電電壓為3.3V和1.8V，上電順序先后為3.3V、1.8V。設(shè)計(jì)的基本思想是，5V電經(jīng)過C1、C6濾波后分別接通道1、通道2的輸入端，通道1、通道2的使能端以及地端，分別接地，使通道1、通道2被使能，D1二極管作為鉗位二極管來鉗制內(nèi)核和I/O電源，當(dāng)芯片輸出1.8V和3.3V電壓后

50、D2、D3分別被導(dǎo)通，由于D2、D3的壓降都為0.7V，所以此時(shí)通道1和通道2之間的壓降為1.4V，又由于通道1和通道2之間的輸出電壓分別為1.8V和3.3V，所以經(jīng)過D1、D2壓降之后通道1向外的實(shí)際輸出電壓為1.9V，由于二極管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間，所以3.3V先于1.8V為F2812供電。圖4.5 電源電路圖4.2復(fù)位電路通常情況下復(fù)位電路包括上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、電源監(jiān)測(cè)復(fù)位以及看門狗復(fù)位等，無論哪種復(fù)位，器基本功能都是為了保障系統(tǒng)能夠正常的啟動(dòng)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，手動(dòng)和上電復(fù)位主要考慮能夠手動(dòng)去抖、上電復(fù)位時(shí)間保證等方面。而電源監(jiān)測(cè)則主要是通過對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)超出設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值

51、則使處理器復(fù)位，重新運(yùn)行防止系統(tǒng)跑飛而不能正常工作?？撮T狗系統(tǒng)主要是完成系統(tǒng)軟件程序監(jiān)測(cè)，采用固定時(shí)間觸發(fā)看門狗定時(shí)器方式，使看門狗一只處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，一旦系統(tǒng)軟件出現(xiàn)一場(chǎng)而在看門狗計(jì)數(shù)周期內(nèi)沒有對(duì)其清零操作，則認(rèn)為系統(tǒng)軟件故障而產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使CPU復(fù)位。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，其電路圖如圖4.6所示：圖4.6 復(fù)位電路圖由于F2812復(fù)位信號(hào)必須維持最少200ms低電平，所以C111選用了10uf的鉭電容，這樣保了200ms的低電平，用Multisim對(duì)4.2.1手動(dòng)復(fù)位電路圖進(jìn)行仿真，仿真圖以及結(jié)果如圖4.7、4.8所示：圖4.7 手動(dòng)復(fù)位仿真圖圖4.8手動(dòng)復(fù)位仿真結(jié)果圖從結(jié)果圖上可以看出低電

52、平時(shí)間持續(xù)802.291ms,完全滿足F2812要求的>200ms的要求，所以該手動(dòng)復(fù)位設(shè)計(jì)滿足要求。4.3 JTAGJTAG是聯(lián)合測(cè)試工作組（Joint Test Action Group）的簡稱，是在名為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試訪問端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)的IEEE的標(biāo)準(zhǔn)1149.1的常用名稱。此標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試訪問端口，使用邊界掃描的方法來測(cè)試印刷電路板。1990年JTAG正式由IEEE的1149.1-1990號(hào)文檔標(biāo)準(zhǔn)化，在1994年，加入了補(bǔ)充文檔對(duì)邊界掃描描述語言（BSDL）進(jìn)行了說明。從那時(shí)開始，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被全球的電子企業(yè)廣泛采用。邊界掃描幾乎成為了JTAG的同義詞。在設(shè)計(jì)印刷電路版時(shí)，目前最主要用在

53、測(cè)試集成電路的副區(qū)塊，而且也提供一個(gè)在嵌入式系統(tǒng)很有用的調(diào)試機(jī)制，提供一個(gè)在系統(tǒng)中方便的"后門"。當(dāng)使用一些調(diào)試工具像電路內(nèi)模擬器用JTAG當(dāng)做訊號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)制，使得程式設(shè)計(jì)師可以經(jīng)由JTAG去讀取整合在CPU上的調(diào)試模組。調(diào)試模組可以讓程式設(shè)計(jì)師調(diào)試嵌入式系統(tǒng)中的軟件 。JTAG的接口是一種特殊的4/5個(gè)接腳接口連到芯片上 ，所以在電路版上的很多芯片可以將他們的JTAG接腳通過Daisy Chain的方式連在一起，并且Probe只需連接到一個(gè)“JTAG端口”就可以訪問一塊電路板上的所有IC。這些連接引腳是：1) TDI（測(cè)試數(shù)據(jù)輸入）2) TDO（測(cè)試數(shù)據(jù)輸出）3) TCK

54、（測(cè)試時(shí)鐘）4) TMS（測(cè)試模式選擇）5) TRST（測(cè)試復(fù)位）可選。如圖4.9所示即為通過JTAG訪問多塊IC結(jié)構(gòu)圖。圖4.9 JTAG訪問多塊IC結(jié)構(gòu)圖因?yàn)橹挥幸粭l數(shù)據(jù)線，通信協(xié)議有必要像其他串行設(shè)備接口，如SPI一樣為串行傳輸。時(shí)鐘由TCK引腳輸入。配置是通過TMS引腳采用狀態(tài)機(jī)的 形式一次操作一位來實(shí)現(xiàn)的。每一位數(shù)據(jù)在每個(gè)TCK時(shí)鐘脈沖下分別由TDI和TDO引腳傳入或傳出?？梢酝ㄟ^加載不同的命令模式來讀取芯片的標(biāo)識(shí)，對(duì)輸入 引腳采樣，驅(qū)動(dòng)（或懸空）輸出引腳，操控芯片功能，或者旁路（將TDI與TDO連通以在邏輯上短接多個(gè)芯片的鏈路）。TCK的工作頻率依芯片的不同而不 同，但其通常工作在10-100MHz（每位10-100ns）。當(dāng)在集成電路中進(jìn)行邊界掃描時(shí)，被處理的信號(hào)是在同一塊IC的不同功能模塊間的，而不是不同IC之間的。TRST引腳是一個(gè)可選的相對(duì)待測(cè)邏輯低電平有效的復(fù)位開關(guān)通常是異步