DSP六自由度機械手

1、 北京信息科技大學畢業(yè)設計（論文） 題 目： 關節(jié)機器人DSP運動控制器設計 學 院： 自動化學院 專 業(yè)： 智能科學與技術 學生姓名： *班級/學號 智能0802 指導老師/督導老師： * 起止時間：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的發(fā)展，機器人控制技術也不斷的推陳出新，作為機器人控制技術的集中體現(xiàn)，機器人運動控制器就顯得尤為重要，它從一定程度上影響著機器人的發(fā)展，如何實現(xiàn)機器人有效控制，使其具有更好的控制精度和實時性，已成為近年來研究的熱門領域。對于機器人的控制主要體現(xiàn)在對機器人的關節(jié)即舵機的控制上，所以，關節(jié)機器人可以作為一個很好的研究對象

2、。本文首先對關節(jié)機器人以及機器人控制器進行概述，接著進一步對機器人運動學進行了一定分析，通過關節(jié)機器人控制器開發(fā)平臺重點研究了關節(jié)機器人控制器的控制電路硬件設計。通過EDA工具軟件的仿真和設計，最終制成一塊能夠控制和驅動1.3V-7V之間的所有舵機的基于TMS320F2812的機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)不僅可以實現(xiàn)對關節(jié)機器人關節(jié)的運動控制，同樣該系統(tǒng)可以進行一些簡單的二次開發(fā)，具有一定的實用價值。關鍵詞:關節(jié)機器人；機器人控制器；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關節(jié)機器人概述11.1.1關節(jié)機器人特點11.1.2關節(jié)機器人發(fā)展及應用前景11.2機器人控制器概述21.2.1機器人控制器類型21.2.2機器人控制器展望21.3本文研究內容及結構3第二章 關節(jié)機器人運動學分析42.1關節(jié)型機器人運動學和動力學概述42

8、.2機器人正運動學方程的D-H表示法42.3機器人的逆運動學解72.4本章小結11第三章 關節(jié)機器人控制器開發(fā)平臺123.1 Protel99SE123.2 Multisim123.3 TMS320F2812133.3.1 DSP芯片的基本工作原理133.3.2 DSP芯片的總體結構和總線結構13第四章 DSP運動控制器系統(tǒng)設計154.1 電源電路154.2 復位電路194.3 JTAG204.4 串口224.5 舵機驅動電路234.5.1 舵機工作、控制原理234.5.2 舵機驅動電路設計244.6 控制器系統(tǒng)電路板設計需注意問題254.6.1 關于各個庫的問題264.6.2 關于數(shù)字地與模

9、擬地的隔離問題264.6.3 有關干擾問題274.6.4 有關濾波電容的問題284.7 控制器系統(tǒng)硬件電路28第五章 軟件設計305.1 DSP開發(fā)軟件介紹305.2 PWM波形產生原理305.3 程序流程設計33結束語36參考文獻37I關節(jié)機器人DSP運動控制器設計第一章 緒論在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產線成套設備已成為自動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)、工程機械等行業(yè)已經大量使用工業(yè)機器人自動化生產線，以保證產品質量，提高生產效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產，提高社會生產效率，

10、推動企業(yè)和社會生產力發(fā)展的有效手段。機器人技術是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術領域。國際電氣電子工程師協(xié)會IEEE的科學家在對未來科技發(fā)展方向進行預測中提出了4個重點發(fā)展方向，機器人技術就是其中之一。工業(yè)機器人在工業(yè)生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、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，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。 工業(yè)機器人控制技術的主要任務就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的

11、時間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。雖然中國的工業(yè)機器人產業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。1.1關節(jié)機器人概述1.1.1關節(jié)機器人特點關節(jié)型機器人也稱關節(jié)手臂機器人或關節(jié)機械手臂，是當今工業(yè)領域中應用最廣泛的一種工業(yè)機器人。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，關節(jié)型機器人已經集成機械、計算機、電子、傳感器、人工神經網絡、控制和系統(tǒng)工程等多學科先進技術，逐漸成為現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。關節(jié)型機器人適用于諸多工業(yè)領域的機械自動化作業(yè)，比如，自動裝配、噴漆、搬運、焊接等工作。關節(jié)型機器人技術發(fā)展是很快的，在20世紀60年代毫無疑問還是一種獨特的

12、設備，現(xiàn)在關節(jié)型機器人己經和計算機輔助設計(CAD)系統(tǒng)、計算機輔助制造(CAM)系統(tǒng)結合在一起應用，成為現(xiàn)代制造業(yè)必備的一種自動化工具。關節(jié)型機器人有三個主要的特征：機電一體化、適應性和通用性。機電一體化是說關節(jié)型機器人具有機電一體化特點，因此集成了多學科的技術。尤其是第三代智能關節(jié)型機器人，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。關節(jié)型機器人的適應性是指在機器人執(zhí)行任務的過程中不管環(huán)境如何變化，機器人都能夠自動完成指定的任務，即要求機器人具有人工感知的能力。通用性是指關節(jié)型機器人能夠執(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。因此通用性意味著機器人具有可變的幾

13、何結構，即根據生產工作需要進行變更的幾何結構；或者說，在機械結構上允許機器人執(zhí)行不同的任務或者以不同的方式完成同一工作。1.1.2關節(jié)機器人發(fā)展及應用前景現(xiàn)代機器人出現(xiàn)于20世紀中期，當時數(shù)字計算機己經出現(xiàn)，電子技術也有了長足的發(fā)展，在產業(yè)領域出現(xiàn)了受計算機控制的可編程的數(shù)控機床，與機器人相關的控制技術和零部件的加工業(yè)有了扎實的基礎。另外，人類需要開發(fā)自動機械，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，機器人技術的研究與應用得到了快速發(fā)展。我國的機器人技術起步較晚，在“七五”計劃中才把機器人列為國家重點科研規(guī)劃內容，在863計劃的支持下，機器人基礎理論、基礎元器件研究才全面展開。我國

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

15、臟, 決定了機器人性能的優(yōu)劣。從機器人控制算法的處理方式來看, 可分為串行、 并行兩種結構類型。1. 串行處理結構所謂的串行處理結構是指機器人的控制算法是由串行機來處理。 2. 并行處理結構并行處理技術是提高計算速度的一個重要而有效的手段, 能滿足機器人控制的實時性要求。關于機器人控制器并行處理技術, 人們研究較多的是機器人運動學和動力學的并行算法及其實現(xiàn)。 1982 年J.Y.S.Luh 首次提出機器人動力學并行處理問題, 這是因為關節(jié)型機器人的動力學方程是一組非線性強耦合的二階微分方程, 計算十分復雜。 提高機器人動力學算法計算速度也為實現(xiàn)復雜的控制算法如: 計算力矩法、 非線性前饋法、

16、自適應控制法等打下基礎. 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構。 一般有兩種方式, 一是考慮給定的并行處理器結構, 根據處理器結構所支持的計算模型, 開發(fā)算法的并行性； 二是首先開發(fā)算法的并行性, 然后設計支持該算法的并行處理器結構，以達到最佳并行效率。1.2.2機器人控制器展望隨著機器人控制技術的發(fā)展, 針對結構封閉的機器人控制器的缺陷, 開發(fā) “具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器” 是當前機器人控制器的一個發(fā)展方向。 近幾年, 日本、 美國和歐洲一些國家都在開發(fā)具有開放式結構的機器人控制器, 如日本安川公司基于PC 開發(fā)的具有開放式結構、

17、 網絡功能的機器人控制器.我國 863 計劃智能機器人主題也已對這方面的研究立項。在設計具有開放式結構的機器人控制器時，設計過程中要盡可能做到模塊化。 模塊化是系統(tǒng)設計和建立的一種現(xiàn)代方法, 按模塊化方法設計, 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、 重構和添加配置功能。由于適用于機器人控制的軟、 硬件種類繁多和現(xiàn)代技術的飛速發(fā)展, 開發(fā)一個結構完全開放的標準化機器人控制器存在一定困難, 但應用現(xiàn)有技術, 如工業(yè)PC 良好的開放性、 安全性和聯(lián)網性, 標準的實時多任務操作系統(tǒng), 標準的總線結構,

18、 標準接口等, 打破現(xiàn)有機器人控制器結構封閉的局面, 開發(fā)結構開放性、 功能模塊化的標準化機器人控制器是完全可行的。1.3本文研究內容及結構本文主要研究的是一個6自由度的關節(jié)機器人，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容。針對小型教學用6自由度關節(jié)機器人，設計開發(fā)DSP運動控制器的硬件電路,使硬件電路能夠正常工作。用DSP作為控制系統(tǒng)核心單元，控制關節(jié)器人各關節(jié)舵機動作，完成關節(jié)機器人的抓取、搬運和放置等動作。設計的硬件電路包括各芯片和舵機的電源電路、DSP控制電路、舵機驅動電路、串口通訊電路等。利用DSP高速信號處理能力與運算能力對機器人進行運動軌跡規(guī)劃和插補計算

19、，有效的對機器人進行6軸聯(lián)動控制，實現(xiàn)復雜的控制算法并獲得優(yōu)良的伺服性能。本文結構：第一章主要介紹了關節(jié)機器人以及關節(jié)機器人控制器的發(fā)展狀況以及本文的研究方向。第二章主要以關節(jié)機器人的單關節(jié)建模為起點逐步講解了多關節(jié)機器人的正向運動學和逆向運動學數(shù)學模型和求解方法。第三章主要講解了關節(jié)機器人控制器開發(fā)平臺。第四章重點講解了關節(jié)機器人控制器的詳細開發(fā)過程以及開發(fā)過程中需要注意的一些細節(jié)問題。第五章主要講解了一些簡單的關節(jié)機器人聯(lián)動程序包括關節(jié)控制方法。第二章 關節(jié)機器人運動學分析2.1 關節(jié)型機器人運動學和動力學概述關節(jié)型機器人運動學就是建立各個操作臂與機械手空間的位置、姿態(tài)之間的關系，為分析機

20、器人的控制打好基礎。機器人運動學包括兩方面的問題:運動學正問題和運動學逆問題。兩個問題的關系如圖2.1所示：圖2.1 機器人運動學正問題和逆問題關節(jié)型機器人動力學研究的是物體的運動與受力之間的關系。機器人動力學方程是機器人機械系統(tǒng)的運動方程，它表示機器人各關節(jié)位置、速度、加速度與各驅動力矩之間的關系。與機器人的運動學一樣，機器人的動力學也有兩個相反的問題:一是動力學正問題，即:已知機器人各關節(jié)的驅動力矩，求解機器人各關節(jié)的位置、速度、加速度。機器人的動力學正問題主要用于機器人的運動仿真。二是動力學逆問題，即:已知各關節(jié)的位置、速度、加速度，求各關節(jié)所需的驅動力及力矩。動力學逆問題是為了對機器人

21、的運動進行有效實時控制，以實現(xiàn)預期的軌跡運動。2.2機器人正運動學方程的D-H表示法Denavit-Hartenberg(D_H)模型表示了對機器人連桿和關節(jié)進行建模的一種非常簡單的方法，可用于任何機器人構型，而不管機器人的結構順序和復雜程度如何。它也可用于表示已經討論過的在任何坐標中的變換，例如直角坐標、圓柱坐標、球坐標、歐拉角坐標及RPY坐標等。另外，它也可以用于表示全旋轉的鏈式機器人、SCARA機器人或任何可能的關節(jié)和連桿組合。假設機器人由一系列關節(jié)和連桿組成。這些關節(jié)可能是滑動（線性）的或旋轉（轉動）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。所以任何一組關節(jié)和連桿都可以構成一個我們想要建模和表示的機器人。為此，需要給每個關節(jié)指定一個參考坐標系，然后，確定從一個關節(jié)到下一個關節(jié)（一個坐標系到下一個坐標系）來進行變換的步驟。如果將從基座到第一個關節(jié)，再從第一個關節(jié)到第二個關節(jié)直至到最后一個關節(jié)的所有變換結合起來，就得到了機器人的總變換矩陣。圖2.2 通用關節(jié)連桿組合的D-H表示假設一個機器人由任意多的連桿和關節(jié)以任意形式構成。見圖2.2表示了三個順序的關節(jié)和兩個連桿。雖然這些關節(jié)和連桿并不一定與任何實際機器人的關節(jié)或連桿相似，但是他們非常常見，且能很容易地表示實際機器人的任何關節(jié)。這些關節(jié)可能是旋轉

23、的、滑動的、或兩者都有。盡管在實際情況下，機器人的關節(jié)通常只有一個自由度，但圖2.2中的關節(jié)可以表示一個或兩個自由度。見圖2.2（a）表示了三個關節(jié)，每個關節(jié)都是可以轉動或平移的。第一個關節(jié)指定為關節(jié)n，第二個關節(jié)為關節(jié)n+1，第三個關節(jié)為關節(jié)n+2。在這些關節(jié)的前后可能還有其他關節(jié)。連桿也是如此表示，連桿n位于關節(jié)n與n+1之間，連桿n+1位于關節(jié)n+1與n+2之間。為了用D-H表示法對機器人建模，所要做的第一件事是為每個關節(jié)指定一個本地的參考坐標系。因此，對于每個關節(jié)，都必須指定一個z軸和x軸，通常并不需要指定y軸，因為y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（也叫關節(jié)偏移量），角表示兩個相鄰的z軸之間的角度 （也叫關節(jié)扭轉）。通常，只有和d是關節(jié)變量。下面我們來研究如何將一個參考坐標系變換到下一個參考坐標系。假設現(xiàn)在位于本地坐標系，那么通過以下四步標準運動即可到達下一個本地坐標系。（1）繞軸旋轉（見圖2.2（a）與（b）所示），它使得和互相平行，因為和都是垂直于軸的，因此繞軸旋轉使它們平行（并且共面）。（2）沿軸平移距離，使得和共線（見圖2.2（c）所示）。因為和已經平行并且垂直于，沿著移動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、點重合（見圖2.2（d）和（e）所示）。這是兩個參考坐標系的原點處在同一位置。（4）將軸繞軸旋轉，使得軸與軸對準（見圖2.2（f）所示）。這時坐標系n和n+1完全相同（見圖2.2（g）所示）。至此，我們成功地從一個坐標系變換到了下一個坐標系。在n+1和n+2坐標系間嚴格地按照同樣的四個運動順序可以將一個坐標變換到下一個坐標系。如有必要，可以重復以上步驟，就可以實現(xiàn)一系列相鄰坐標系之間的變換。從參考坐標系開始，我們可以將其轉換到機器人的基座，然后到第一個關節(jié)，第二個關節(jié)，直至末端執(zhí)行器。這里比較好的一點是，在任何兩個坐標系之間的變換均可采用與前面相同的運動步驟。通過右乘表示四個運動的四個矩陣就可

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

27、參數(shù)值可從機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可用于這個目的（其中表中的數(shù)據為舉例數(shù)據）。在以下幾個例子中，我們將建立必要的坐標系，填寫參數(shù)表，并將這些數(shù)值代入A矩陣。首先從簡單的機器人開始，以后再考慮復雜的機器人。表2.1 D-H參數(shù)表da19000020d10-9030d2a1040009051000a206500002.3機器人的逆運動學解為了使機器人手臂處于期望的位姿，如果有了逆運動學解就能確定每個關節(jié)的值?，F(xiàn)在你可能已經注意到，前面的運動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的正弦和余弦項以計算角度。為使角度解耦，可例行地用單

28、個矩陣左乘矩陣，使得方程右邊不再包括這個角度，于是可以找到產生角度的正弦值和余弦值的元素，并進而求得相應的角度。圖2.3 簡單6自由度機械手臂這里概要地給出了這個方法，并將用到如圖2.3中的簡單6自由度機械手臂。雖然所給出的解決方法只針對這一給定構型的機器人，但也可以類似地用于其它機器人。正如在圖2.3中看到的，表示機器人的方程為： （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矩陣，得到： （2.6） （2.7） （2.8）根據方程的第3行第4列元素為0，有： （2.9

29、）根據第1行第4列元素和第2行第4列元素，可得： （2.10）整理上面兩個方程并對兩邊平方，然后將平方值相加，得： （2.11）根據式三角函數(shù)方程 （2.12）可得： （2.13）于是： （2.14）在這個方程中，除和外，每個變量都是已知的，和將在后面求出。已知： （2.15）于是可得： （2.16）因為關節(jié)2，3和4都是平行的，左乘和的逆不會產生有用的結果。下一步左乘的逆，結果為： （2.17）乘開后可得： （2.18）根據式以上結果，矩陣的3元素 （2.19） 由此可計算和，如前面所討論過的，它們可用來計算?，F(xiàn)在再參照式（2.11），并在這里重復使用它就可計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）上面兩個方程中包含兩個未知數(shù)，求解和，可得： （2.22）盡管這個方程較復雜，但它的所有元素都是已知的，因此可以計算得到： （2.23）既然和已知，進而可得： （2.24）因為式（2.19）中的有兩個解，所以也有兩個解。根據式（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，因為對于沒有解耦方程，所以必須用矩陣的逆左乘式（2.18）來對它解耦。這樣做后可得到： （2.27）根據式（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個方程，它們合在一起給出了機器人

31、置于任何期望位姿時所需的關節(jié)值。雖然這種方法僅適用于給定的機器人，但也可采取類似的方法來處理其他的機器人。值得注意的是，僅僅因為機器人的最后三個關節(jié)交于一個公共點才使得這個方法有可能求解，否則就不能用這個方法來求解，而只能直接求解矩陣或通過計算矩陣的逆來求解未知的量。大多數(shù)工業(yè)機器人都有相交的腕關節(jié)。2.4本章小結通過以上對機器人運動學中的正、逆運動分析，可以看到如何對關節(jié)機器人建立數(shù)學模型，然后通過正、逆運動學來求解關節(jié)機器人在多級聯(lián)動時各個關節(jié)在空間所處的姿態(tài)，對于各個關節(jié)舵機姿態(tài)的控制主要通過機器人運動控制器來實現(xiàn)，由于求解正、逆運動學不僅涉及到大量的運算，在實際應用中還必須要求整體系統(tǒng)

32、的實時性，所以要求所用的機器人運動控制器不僅具有較強的數(shù)學運算能力而且能夠并行輸出多路控制信號，在這種情況下，一般的單片機就很難勝任，所以必須考慮運用運算能力更強的控制器來達到對于多關節(jié)機器人的控制。 第三章 關節(jié)機器人控制器開發(fā)平臺本文中對于關節(jié)機器人控制器的設計方面主要用到的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.下面主要對本文中所用到的軟件以及芯片進行介紹。3.1 Protel99SEProtel99SE是Protel公司近10年來致力于Windows平臺開發(fā)的最新結晶，能實現(xiàn)從電學概念設計到輸出物理生產數(shù)據，

33、以及這之間的所有 分析、驗證和設計數(shù)據管理。因而今天的Protel最新產品已不是單純的PCB（印制電路板）設計工具，而是一個系統(tǒng)工具，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。Protel 設計系統(tǒng)是一套建立在IBM兼容PC環(huán)境下的EDA電路集成設計系統(tǒng)，具有高度的集成性與擴展性。Protel 99 SE主要由原理圖設計系統(tǒng)、印制電路板設計系統(tǒng)兩大部分組成。1原理圖設計系統(tǒng) 這是一個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計。它可以為印制電路板設計提供網絡表。該編輯器除了具有強大的原理圖編輯功能以外，其分層組織設計功能、設計同步器、豐富的電氣設計檢驗功能及強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計任務。 2印制電路板設計系統(tǒng) 它是一個功能強大的印制電路板設計編輯器，具有非常專業(yè)的交互式布線及元件布局的特點，用于印制電路板（PCB）的設計并最終產生PCB文件，直接關系到印制電路板的生產。Protel99SE的印制電路板設計系統(tǒng)可以進行多達32層信號層、16層內部電源/接地層的布線設計，交互式的元件布置工具極大 地減少了印制板設計的時間。 同時它還包含一個具有專業(yè)水準的PCB信號完整性分析工具、功能強大的打印管理系統(tǒng)、一個先進的PCB三維視圖預覽工具。 此外，Protel99SE還包含一個功能強大的模/數(shù)混合信號仿真器，使設計者可以方便地在設計中對一組混合信號進

35、行仿真分析。 同時，它還提供了一個高效、通用的可編程邏輯器件設計工具。3.2 Multisim Multisim是加拿大圖像交互技術公司（Interactive Image Technoligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。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，并對電路行為進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學

36、教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學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計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。3.3 TMS320F2812TI公司的 TMS32OF2812DSP數(shù)字信號控制芯片，不僅具有比一般單片機更快的處理速度，而且具有適合電機控制的專屬硬件電路和外設。另外，如今DSP控制器芯片的成本不斷降低，單片TMS320F28X系列的DSP控制器的價格與普通單片機的價格已不相上下，這為DSP的應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：從存儲器、FO接口等地方讀取數(shù)；2)運算：按照某種規(guī)律進行運算；3)存放數(shù)據：把數(shù)據存放到存儲器、FO接口等地方。因此，在其工作過程中數(shù)據流與地址流占統(tǒng)治地位。為了實現(xiàn)數(shù)據流、地址流的有序管理和控制，采用數(shù)據總線和地址總線是一種最佳的結構方式。數(shù)據總線和地址總線像兩條高速公路，數(shù)據信息與地址信息分別在其上快速地流動。中央處理單元，程序存儲器、數(shù)據存儲器和內部外設等功能模塊分別掛接在數(shù)據總線和地址總線上。中央處理單元是控制中心，由它指揮。當前時刻誰可以占用數(shù)據總線或地址總線，同時它還可以進行有關的運算；程序存儲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器中，體現(xiàn)

38、了人的意志，中央處理單元只能根據程序的流程進行指揮不能隨意發(fā)揮；數(shù)據存儲器用于記錄工作過程中的原始數(shù)據、中間結果和最后結論;內部外設是集成在芯片內部的與外部世界進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)據總線和地址總線是單總線方式，相當于一輛車在只有一條道的高速公路上跑，這輛車分時地為大家服務。DSP芯片與此不同，采用多總線方式，相當是多條道的高速公路，這樣多輛車可以同時在其上行駛，極大地加快了運行速度。這實質上是一種并行機制。數(shù)據和地址是貫穿任何一種微處理器設計、編程的兩個基本概念，特別是地址，

39、它就是數(shù)據源、專用寄存器、FO的代表。每一個存儲器、寄存器都有地址，對于可編程的功能模塊(片內的或片外的)它也有地址，對可編程的功能模塊的操作，實際上是對它的寄存器(控制的、數(shù)據的等)進行操作，這些寄存器必須有唯一地址，否則會引起工作混亂。勸于片內外設的功能模塊各寄存器的地址是由芯片廠家確定的。片內外設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，即給每個功能模塊分配地址，一旦完成設計好印刷電路也就被固定了下來。3.3.2 DSP芯片的總體結構和總線結構DSP芯片總體結構一是采用多組總線結構實現(xiàn)并行處理機制，允許CPU同時進行程序指令和存儲數(shù)據的訪問；二是采用獨立的累加器和乘法器，使得復

40、雜的乘法運算能快速進行；三是累加器和乘法器分別連接了比例移位器，使得許多復雜運算或者運算后的定標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；五是有完善的片內外設，可以構成完整的單片系統(tǒng)。總線結構是計算機體系結構中最基本的結構，它提供了一種標準的接口方式。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”或“從什么地址取回數(shù)據”。數(shù)據地址成為密不可分的一對伙伴。具備數(shù)據與地址接口方式的功能模塊都可以掛接到數(shù)據/地址總線上。數(shù)據/地址總線是雙向的，為了保證數(shù)據通暢流動，要在中央處理單元統(tǒng)一指揮下按節(jié)拍進行工作。一般情況下，總線的操作時序分為四個獨立的階段：取指令(P)、指令譯

41、碼(T)、取操作數(shù)(D)和執(zhí)行指令(E)，這四個階段分別面向程序讀、數(shù)據讀和數(shù)據寫。DSP芯片采用了多組總線的結構。其中內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)據讀地址總線 (DRAB)，提供讀數(shù)據存儲器的地址；(3)數(shù)據寫地址總線(DWAB)，提供寫數(shù)據存儲器的地址。內部數(shù)據總線也對應分為三條總線:(l)程序讀數(shù)據總線 (PRDB)，將指令代碼中的立即數(shù)以及表信息傳送到CPU；(2)數(shù)據讀數(shù)據總線(DRDB)，將數(shù)據存儲器的數(shù)據傳送道CPU；(3)數(shù)據寫數(shù)據總線(DWDB)，將處理后的數(shù)據傳送到數(shù)據存儲器和程序存儲器。由于DSP芯片采用了多組總線

42、結構，這將允許CPU同時進行程序指令和存儲數(shù)據的訪問，因而在其內部可以實現(xiàn)四級邏輯流水線，這種并行機制可使得4條指令同時在一個周期內處于激活狀態(tài)，而在任一周期都有執(zhí)行指令(E)的操作，就好像一個周期可以完成一條指令。四級流水線是邏輯上的，大部分情況下對用戶來說也是不可見的。第四章 DSP運動控制器系統(tǒng)設計系統(tǒng)整體硬件構成圖如下圖4.1所示：TMS320F2812電源電路復位電路JTAG串口舵機驅動電路舵機 圖4.1 系統(tǒng)整體硬件構成圖4.1電源電路由于本控制系統(tǒng)需要驅動數(shù)字舵機，所以外部輸入采用8V可充電電池。又由于TMS320F2812的工作電壓被設計成3.3V，因為這樣可以減少芯片損耗。但

43、在設計DSP系統(tǒng)時，除了設計DSP芯片與其他外圍芯片的接口，需要將常用的5V直流電源轉換成3.3V?？梢圆捎每烧{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，內核后上電，也就是3.3V先上電，1.8V后上電。下面將對8V到5V，以及5V到3.3V和1.8V分開進行講解。1. 8V到5V穩(wěn)壓電路設計電子產品中，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，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的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9V。同時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之間的電壓轉換以及穩(wěn)壓。由于該控制器系統(tǒng)設計并非工業(yè)要求，所以可以采用7805固定輸出穩(wěn)壓電路，實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電路設計TMS320F2812的內核和I/O采用雙供電方式，在設計系統(tǒng)時必須保證如果其中的一種電壓低于要求的操作電壓，則另一個電壓的供電時間不能超出要求的時間。當采用雙電源器件芯片設計系統(tǒng)時，需要考慮系統(tǒng)上電或掉電操作過程中內核和I/O供電的相對電壓和上電次序。通常情況下，在芯片內部內核和外部I/O模塊采用獨立的供電結構，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，就會在獨立的結構（內核和外部I/O模塊）之間產生電流，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

46、DSP上電過程中允許兩種供電有一定的時間差，但為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長器件的使用壽命，在設計時必須考慮上電、掉電次序問題。應用雙供電DSP平臺系統(tǒng)，在I/O供電之前每個DSP內核供電電流都比較大。引起電流過大的原因只要是由于DSP內核沒有正確地初始化，一旦CPU檢測到內部的時鐘脈沖，這種超大電流就會停止。隨著PLL開始工作，I/O上電，產生的時鐘脈沖將降低上述的超大電流，從而使供電回到正常范圍。減小內核和I/O供電的時間間隔可以減小這種大吸收電流對系統(tǒng)的影響。雙電源供電模塊可以消除兩個電源之間的延時。此外，還可以采用肖特基二極管鉗制內核和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電壓調節(jié)器內核電壓調節(jié)器I/ODVDD內核CVDDDC輸入圖4.3雙電源供電系統(tǒng)原理圖實際上在DSP系統(tǒng)設計時，防止DSP的I/O引腳同外設之間的總線沖突是系統(tǒng)設計的一個重要方面，需要控制內核和I/O的上電次序。由于總線控制邏輯位于DSP內核模塊，I/O供電先于內核供電會使DSP和外設同時配置成輸出功能引腳。如果DSP與外設輸出的電平相反將會產生總線沖突。在F2812中 ,對上電順序有嚴格要求，F(xiàn)2812需要芯片外設必須先于內核上電，一般的穩(wěn)壓芯片難以實現(xiàn)對電壓上電順序的控制，為了滿足系統(tǒng)對上電順序的要求，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換芯片，可以通過控制轉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) 每個通道最大可以提供1A的輸出電流；3) 每個通道都有獨立的使能信號，可以獨立工作；4) 具有很快的瞬態(tài)響應特性；5) 最低的靜態(tài)電流為85A；6) 每個通道內部都具有熱保護功能；7) 負載和溫度對輸出電壓影響很小，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復位信號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復位信號TPS767D318的具體硬件設計如圖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。設計的基本思想是，5V電經過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核和I/O電源，當芯片輸出1.8V和3.3V電壓后

50、D2、D3分別被導通，由于D2、D3的壓降都為0.7V，所以此時通道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，所以經過D1、D2壓降之后通道1向外的實際輸出電壓為1.9V，由于二極管的導通需要一定的時間，所以3.3V先于1.8V為F2812供電。圖4.5 電源電路圖4.2復位電路通常情況下復位電路包括上電復位、手動復位、電源監(jiān)測復位以及看門狗復位等，無論哪種復位，器基本功能都是為了保障系統(tǒng)能夠正常的啟動。在電路設計時，手動和上電復位主要考慮能夠手動去抖、上電復位時間保證等方面。而電源監(jiān)測則主要是通過對系統(tǒng)電源進行監(jiān)測，一旦出現(xiàn)超出設定的標準閾值

51、則使處理器復位，重新運行防止系統(tǒng)跑飛而不能正常工作。看門狗系統(tǒng)主要是完成系統(tǒng)軟件程序監(jiān)測，采用固定時間觸發(fā)看門狗定時器方式，使看門狗一只處于計數(shù)狀態(tài)，一旦系統(tǒng)軟件出現(xiàn)一場而在看門狗計數(shù)周期內沒有對其清零操作，則認為系統(tǒng)軟件故障而產生復位信號使CPU復位。復位電路采用手動復位，其電路圖如圖4.6所示：圖4.6 復位電路圖由于F2812復位信號必須維持最少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4.2.1手動復位電路圖進行仿真，仿真圖以及結果如圖4.7、4.8所示：圖4.7 手動復位仿真圖圖4.8手動復位仿真結果圖從結果圖上可以看出低電

52、平時間持續(xù)802.291ms,完全滿足F2812要求的>200ms的要求，所以該手動復位設計滿足要求。4.3 JTAGJTAG是聯(lián)合測試工作組（Joint Test Action Group）的簡稱，是在名為標準測試訪問端口和邊界掃描結構的IEEE的標準1149.1的常用名稱。此標準用于測試訪問端口，使用邊界掃描的方法來測試印刷電路板。1990年JTAG正式由IEEE的1149.1-1990號文檔標準化，在1994年，加入了補充文檔對邊界掃描描述語言（BSDL）進行了說明。從那時開始，這個標準被全球的電子企業(yè)廣泛采用。邊界掃描幾乎成為了JTAG的同義詞。在設計印刷電路版時，目前最主要用在

53、測試集成電路的副區(qū)塊，而且也提供一個在嵌入式系統(tǒng)很有用的調試機制，提供一個在系統(tǒng)中方便的"后門"。當使用一些調試工具像電路內模擬器用JTAG當做訊號傳輸?shù)臋C制，使得程式設計師可以經由JTAG去讀取整合在CPU上的調試模組。調試模組可以讓程式設計師調試嵌入式系統(tǒng)中的軟件 。JTAG的接口是一種特殊的4/5個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“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（測試數(shù)據輸入）2) TDO（測試數(shù)據輸出）3) TCK

54、（測試時鐘）4) TMS（測試模式選擇）5) TRST（測試復位）可選。如圖4.9所示即為通過JTAG訪問多塊IC結構圖。圖4.9 JTAG訪問多塊IC結構圖因為只有一條數(shù)據線，通信協(xié)議有必要像其他串行設備接口，如SPI一樣為串行傳輸。時鐘由TCK引腳輸入。配置是通過TMS引腳采用狀態(tài)機的 形式一次操作一位來實現(xiàn)的。每一位數(shù)據在每個TCK時鐘脈沖下分別由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識，對輸入 引腳采樣，驅動（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）。當在集成電路中進行邊界掃描時，被處理的信號是在同一塊IC的不同功能模塊間的，而不是不同IC之間的。TRST引腳是一個可選的相對待測邏輯低電平有效的復位開關通常是異步