基于復(fù)雜可編程邏輯器件和MCU實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

基于復(fù)雜可編程邏輯器件和MCU實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)1引言隨著機(jī)器人各相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人本體功能越來(lái)越趨于模塊化，機(jī)器人的核心控制部分已經(jīng)逐漸從機(jī)器人本體中分離出來(lái)。以我們自行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的“TUT03-A型醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人”為代表的基于遠(yuǎn)程腦概念［1，2］的機(jī)器人，將大腦脫離機(jī)器人本體，大腦置于母環(huán)境中，并用無(wú)線通訊與本體進(jìn)行交互。而服務(wù)機(jī)器人本體中的小腦具體實(shí)現(xiàn)接收機(jī)器人大腦發(fā)出的各種命令，控制機(jī)器人各個(gè)執(zhí)行和感知機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體各個(gè)功能模塊之間相互協(xié)調(diào)配合的功能。“TUT03-A型醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人”的小腦主要由CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice，復(fù)雜可編程邏輯器件）和多個(gè)MCU（MicroControlUnit，微控制器或單片機(jī)）組成。2機(jī)器人小腦的實(shí)現(xiàn)2.1小腦總體結(jié)構(gòu)服務(wù)機(jī)器人本體主要由傳感器感知模塊、機(jī)械手執(zhí)行模塊、本體運(yùn)動(dòng)控制模塊、語(yǔ)音發(fā)聲模塊和其它控制模塊等構(gòu)成。機(jī)器人小腦的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。各個(gè)模塊都是由單片機(jī)作為主要控制器件，而CPLD在機(jī)器人小腦中起到網(wǎng)絡(luò)中樞的作用。CPLD通過(guò)規(guī)定的通訊協(xié)議，將無(wú)線通訊接收到的大腦命令輸送給相應(yīng)的模塊，將各個(gè)模塊接收到命令的反饋信息通過(guò)無(wú)線通訊傳輸給大腦，將各個(gè)功能模塊之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。由于CPLD具有速度快、集成度高、I/O口資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在服務(wù)機(jī)器人小腦的網(wǎng)絡(luò)中，大大提高小腦的運(yùn)行速度，并對(duì)提高機(jī)器人小腦的可擴(kuò)展性具有重要的意義。2.2小腦中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人中的小腦是由單片機(jī)與CPLD組合成的一個(gè)硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在服務(wù)機(jī)器人的小腦中，網(wǎng)絡(luò)中樞采用ALTERA公司的EPM7128S8415型CPLD。根據(jù)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，CPLD可以通過(guò)無(wú)線通訊模塊接收機(jī)器人大腦發(fā)出的命令，根據(jù)同步碼判斷是否為機(jī)器人大腦發(fā)送的命令：如果接收到的同步碼為D7H，CPLD中的接收門控單元導(dǎo)通，根據(jù)接收到的地址碼與預(yù)先設(shè)置的地址碼進(jìn)行比較，選通相應(yīng)功能模塊的數(shù)據(jù)通道，將數(shù)據(jù)暫存到FIFO中，同時(shí)發(fā)出該地址模塊的中斷信號(hào)，將后面的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的地址終端。各功能模塊的單片機(jī)在接收到中斷信號(hào)后，進(jìn)入串行通訊中斷子程序，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出；機(jī)器人小腦中的功能模塊需要向大腦傳送數(shù)據(jù)時(shí)，CPLD根據(jù)接收到請(qǐng)求信號(hào)的先后，給各功能模塊發(fā)送允許信號(hào)，得到允許的功能模塊將向CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)，CPLD根據(jù)各個(gè)功能模塊發(fā)出的地址碼，選通單元導(dǎo)通，根據(jù)接收到的地址碼與預(yù)先設(shè)置的地址碼進(jìn)行比較，選通相應(yīng)功能模塊的數(shù)據(jù)通道，將數(shù)據(jù)暫存到FIFO中，同時(shí)發(fā)出該地址模塊的中斷信號(hào)，將后面的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的地址終端。各功能模塊的單片機(jī)在接收到中斷信號(hào)后，進(jìn)入串行通訊中斷子程序［7］，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出。CPLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。服務(wù)機(jī)器人小腦中，各個(gè)功能模塊的主控單片機(jī)的RXD、TXD和INT0端分別與CPLD相連，無(wú)線通訊模塊的RXD和TXD端與CPLD相連。具體的連接示意圖如圖3所示。2.3小腦中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的確定在服務(wù)機(jī)器人大腦和小腦以及小腦內(nèi)部各個(gè)模塊的通訊中，為確保通訊順暢，預(yù)先規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。協(xié)議包括同步碼、地址碼、信息碼、數(shù)據(jù)和結(jié)束碼五個(gè)部分。具體格式如圖4所示。同步碼是傳輸數(shù)據(jù)的開(kāi)始，由于無(wú)線通訊模塊在數(shù)據(jù)傳送中加入的同步碼為D7，所以在大腦與小腦網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的同步碼為D7H。地址碼表示網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)通訊終端的地址，在一個(gè)字節(jié)的地址碼中，將高四位定義為機(jī)器人大腦的地址，低四位定義為小腦中各個(gè)模塊的地址，即在服務(wù)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)地址碼中，1FH代表機(jī)器人的大腦，F(xiàn)1H代表機(jī)器人小腦中的本體運(yùn)動(dòng)控制模塊，詳細(xì)的地址分配見(jiàn)表1。信息碼代表將要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中按字節(jié)方式傳送，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的結(jié)束碼為90H。3幾個(gè)相關(guān)的問(wèn)題3.1大腦與小腦的連接基于指標(biāo)的要求與工作環(huán)境，在服務(wù)機(jī)器人的大腦與小腦的連接中，選擇“SA68D11”型無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。無(wú)線傳輸模塊主要完成遠(yuǎn)程大腦和機(jī)器人小腦之間的信息傳輸。實(shí)現(xiàn)任務(wù)的下達(dá)和執(zhí)行的反饋。遠(yuǎn)程大腦處理操作者所發(fā)出的命令并將其編碼后，通過(guò)計(jì)算機(jī)RS232串口與無(wú)線傳輸模塊連接發(fā)送到小腦，小腦接收數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后加以執(zhí)行。3.2系統(tǒng)的可靠性與抗干擾措施考慮到大腦與小腦通訊可靠性的要求，在無(wú)線通訊協(xié)議中除加入同步碼外，還通過(guò)信息碼和結(jié)束碼判斷通訊數(shù)據(jù)的正確性。對(duì)小腦的各個(gè)終端控制模塊進(jìn)行統(tǒng)一編址，并在接收到同步信號(hào)后反饋相應(yīng)的允許發(fā)送信號(hào)，完成大腦與小腦、小腦中各個(gè)終端模塊的握手過(guò)程，大大提高了系統(tǒng)通訊的抗干擾性。在機(jī)器人本體和小腦硬件設(shè)計(jì)中，充分考慮到傳感器與單片機(jī)、單片機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源干擾問(wèn)題，將控制部分的電源與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源隔離。在傳感器與小腦的連接中，加入了單穩(wěn)態(tài)、光電隔離等抗干擾電路，將控制模塊與執(zhí)行模塊分離等。上述手段和技術(shù)大大提高了硬件系統(tǒng)的可靠性。4結(jié)論本文在介紹基于遠(yuǎn)程腦概念的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人小腦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡述了小腦在系統(tǒng)中的地位和作用，具體分析了小腦的總體結(jié)構(gòu)、