|
作者：董文岳，林國偉，梁文海（珠海歐比特控制工程股份有限公司，廣東 519080） 摘要：人工智能（AI）作為當前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，作為機器人的“腳”，多功能智能移動(dòng)平臺被提出了新的要求，不但需要實(shí)現高靈活性的移動(dòng)能力和良好的越障能力，而且要求臺配置有多種傳感器，配合機器人的“大腦”可以實(shí)現自動(dòng)避障越障、自主進(jìn)行路徑規劃、地圖構建等功能。本文對多功能智能移動(dòng)平臺電控系統的性能需求、系統組成、詳細設計等進(jìn)行了探討，基于高可靠處理器S698-T芯片進(jìn)行設計，提出了良好的解決方案。 關(guān)鍵詞：人工智能（AI）；S698-T；智能移動(dòng)平臺；機器人 1 引言 近年來(lái)人工智能（AI）已成為國際上技術(shù)創(chuàng )新研究的一個(gè)熱點(diǎn)，各種工業(yè)機器人、服務(wù)機器人等機器人產(chǎn)品的應用日益廣泛，而作為機器人的“腳”，機器人移動(dòng)平臺也要具備豐富的功能和高度的智能化，不但需要實(shí)現高靈活性的移動(dòng)能力和良好的越障能力，而且要求臺配置有多種傳感器，配合機器人的“大腦”可以實(shí)現自動(dòng)避障越障、自主進(jìn)行路徑規劃、地圖構建等功能。 多功能智能移動(dòng)平臺電控系統作為機器人移動(dòng)平臺的“神經(jīng)中樞”，是實(shí)現機器人移動(dòng)平臺智能化設計的關(guān)鍵設計。本文分析多功能智能移動(dòng)平臺的功能性能需求，基于高可靠嵌入式處理器S698-T芯片，提出一個(gè)多功能智能移動(dòng)平臺電控系統的設計方案，為各種機器人移動(dòng)平臺的設計提供一個(gè)良好的解決方案。 2 系統需求 根據機器人移動(dòng)平臺功能、性能要求，電控系統擬采用PC+嵌入式系統架構，由上位機系統和下位機系統兩個(gè)部分組成，上位機采用PC+傳感器實(shí)現，下位機基于高可靠嵌入式SPARC架構處理器S698-T設計，上位機與下位機之間采用RS422總線(xiàn)進(jìn)行數據/命令交互，預留CAN2.0總線(xiàn)通訊接口。 2.1 上位機性能需求 上位機作為多功能智能移動(dòng)平臺的“大腦”，主要實(shí)現多功能智能移動(dòng)平臺的視覺(jué)功能、地圖構建以及導航等功能。 上位機要求采用Intel -X86 i5以上CPU的工業(yè)級嵌入式主板實(shí)現，并基于嵌入式主板的USB、PCIe、以太網(wǎng)、RS422以及SIM卡接口等外圍接口，集成二維/三維激光(室內/外)傳感器、相機(預留)、CAN總線(xiàn)通訊模塊等外圍模塊 2.2 下位機性能需求 下位機作為多功能智能移動(dòng)平臺的指令執行控制以及部分傳感器的輸入采集處理平臺，主要實(shí)現電機驅動(dòng)控制功能以及紅外測距、超聲波測距等傳感器輸入參數采集處理功能，并通過(guò)RS422總線(xiàn)（備用CAN總線(xiàn)）與上位機建立通訊，具體需求如下： 1、主處理器：S698-T，主頻100MHZ； 2、協(xié)處理器：FPGA； 3、板載內存：SRAM：1Mbit，FLASH：1Mbit； 4、提供7路紅外測距傳感器信號采集接口，接口為12bit的A/D采集輸入，輸入為最大3.3V模擬信號； 5、提供6路超聲波測距傳感器的輸入接口，要求為信號電平為T(mén)TL3.3V的RS232接口，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）； 6、提供1路GPS模塊的輸入接口，要求為信號電平為T(mén)TL3.3V的RS232接口，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）； 7、提供3路慣導單元IMU的輸入接口，接口要求為I2C接口，預留SPI接口； 8、提供6路PWM信號輸出、18路IO信號輸出（6路方向控制、6路使能控制、6路電機剎車(chē)信號）用于控制電機驅動(dòng)，要求信號光耦隔離5V輸出； 9、提供6路IO信號采集，用于霍爾反饋PWM捕獲，輸入信號為脈沖信號，最大頻率為5KHz； 10、提供2路CAN2.0總線(xiàn)接口以及2路RS422總線(xiàn)接口，用于與上位機通訊； 11、提供對上位機進(jìn)行電源上下電控制功能； 12、提供1路A/D用于電源電壓采集，1路A/D用于溫度采集； 13、具備溫度采集功能，提供1路預留RS232接口； 14、工作溫度：-40℃～+60℃； 3 系統組成 
圖1 系統框圖 如圖1所示，電控系統主要由上位機和下位機模塊兩部分組成，其中上位機包含以下組成部分： 1、嵌入式主板：1個(gè)； 2、CAN總線(xiàn)模塊：1個(gè)； 3、二維/三維激光(室內/外)傳感器：1個(gè)； 4、相機(預留)：1個(gè)； 下位機包含以下組成部分： 1、基于S698-T+FPGA控制器模塊：1個(gè)； 2、紅外測距傳感器：7個(gè)； 3、超聲波測距傳感器：6個(gè)； 4、GPS模塊：1個(gè)； 5、慣導單元IMU：3個(gè)； 6、電機及驅動(dòng)模塊：6組； 4 系統設計 本電控系統的上位機主要涉及到硬件選型以及軟件開(kāi)發(fā)，本文暫不對其設計展開(kāi)詳述，主要對下位機的設計方案進(jìn)行詳述。 下位機主要由主控制器模塊以及電機驅動(dòng)、超聲波傳感器、紅外傳感器、慣導模塊等周邊相關(guān)外設組成，其中主控制器模塊基于S698-T設計，具體方案如下：
圖2 基于S698-T+FPGA的控制器模塊系統框圖 如圖2所示，下位機主控制器模塊采用S698-T+FPGA的架構，S698-T作為主處理器，其外圍設計SRAM、FLASH、硬件看門(mén)狗復位、時(shí)鐘等模塊，構成一個(gè)S698-T的最小系統，再根據外圍接口需要，使用S698-T片內的4路RS232總線(xiàn)接口以及2路CAN總線(xiàn)接口，實(shí)現2路RS232接口、2路RS422接口以及2路CAN總線(xiàn)接口。 控制器模塊采用FPGA作為協(xié)處理器，并通過(guò)并行總線(xiàn)將FPGA掛接在S698-T的IO空間上，實(shí)現與S698-T的協(xié)同處理。FPGA根據系統功能需要，片內設計了兩個(gè)ADC控制器、6路串行總線(xiàn)控制器、6路PWM輸出控制器、32路IO控制器、IIC/SPI接口控制器以及并行接口控制器等功能模塊，同時(shí)外接相關(guān)驅動(dòng)電路實(shí)現系統的接口需求。 控制器模塊采用12V DC供電，板上設計有DC-DC電源模塊，實(shí)現12VDC到+1.2VDC、+2.5VDC、+3.3VDC、+5VDC的轉換，供板上相關(guān)器件使用。 4.1 主處理器設計 控制器模塊的主處理器設計主要是S698-T最小系統+外圍接口驅動(dòng)電路的設計，S698-T最小系統主要包括S698-T、SRAM、FLASH、硬件看門(mén)狗復位電路、時(shí)鐘電路以及調試用的DSU接口電路。 高可靠處理器S698-T簡(jiǎn)介： 1、采用哈弗體系結構（Harvard architecture）； 2、具備整型單元（IU：Integer Unit）： 32位RISC，采用SPARC V8（IEEE-1754）指令集； 5級指令流水（預取、譯碼、執行、存儲、回寫(xiě)）； 具有硬件乘法器和硬件除法器； 支持MAC和UMAC等DSP指令； 3、浮點(diǎn)處理單元（FPU：Floating Point Unit） 遵循IEEE-754標準； 支持單/雙精度； 4、具有彼此分離的大容量指令Cache 32K Bytes和數據Cache 16K Bytes； 5、片內總線(xiàn)遵循AMBA2.0標準，采用AHB總線(xiàn)聯(lián)接片內高速設備，采用APB總線(xiàn)聯(lián)接片內低速設備； 6、在線(xiàn)硬件調試支持單元（DSU：Debug Support Unit）： 無(wú)需外置仿真器的支持即可實(shí)現硬件在線(xiàn)直接調試； 可實(shí)現對內部資源（如寄存器、用戶(hù)可用RAM等）的操作； 可實(shí)現程序斷點(diǎn)設置； 7、集成存儲器控制器（MCTRL：Memory Controller）： 支持外部SRAM、SDRAM、ROM 以及MAP I/O等類(lèi)型的存儲器； SRAM、ROM及MAP I/O的數據總線(xiàn)寬度可通過(guò)軟件配置成32/16/8 位三種模式； SRAM、ROM及MAP I/O的存取時(shí)間參數可配置； 支持5個(gè)SRAM Bank、2個(gè)SDRAM Bank、2個(gè)ROM Bank、1個(gè)IO Bank； 尋址空間2048M Bytes； ROM尋址空間：512M Bytes； MAP I/O尋址空間：512M Bytes； SRAM/SDRAM尋址空間：1024M Bytes； 8、集成1553B 、ARINC429、CAN、串口等數據總線(xiàn)控制器； 9、集成多功能IO接口（MFIO）： 集成16路獨立的多功能IO接口； 各路的輸入或輸入方向可以獨立配置； 各路均可以輸出周期、占空比、電平極性、脈沖數目等參數可調的PWM信號； 各路均具有輸入脈沖計數功能； 10、集成定時(shí)器、看門(mén)狗、ADC、DAC等模塊； 11、生產(chǎn)工藝：130nm CMOS； 12、工作頻率： 最高主頻(IUCLK)：200MHz； 最高外頻(SYSCLK)：100MHz； 13、處理能力： 180MIPS@200MHz； 55MFLOPS（Double Precision）@200MHz； 14、峰值功耗：不高于1.5W@200MHz； 15、電源電壓 3.3V±0.3V（IO）； 1.2V±0.1V（CORE）； 16、工作環(huán)境溫度 工業(yè)級-40℃～+85℃（塑封PBGA352）； 軍品級-55℃～+125℃（陶封CBGA352）； 控制器模塊的主處理器的主要元器件選型如下： 1) 主控制器：S698-T，工作主頻為100MHz； 2) SRAM：IS61LV51216-10TI，容量為512k*16bit； 3) FLASH：39VF040-90-4I-NH，容量為512k*8bit； 4) 看門(mén)狗：TPS3813K33MDBVREP； 5) 時(shí)鐘：有源晶振，10MHz； 6) DSU接口/RS232總線(xiàn)接口驅動(dòng)芯片：MAX3232ESE； 7) CAN總線(xiàn)驅動(dòng)芯片：TJA1042t； 8) RS422總線(xiàn)驅動(dòng)芯片：MAX488ESA； 9) 上位機電源控制開(kāi)關(guān)：選用歐姆龍繼電器G6k-2F； 4.2 協(xié)處理器設計 控制器模塊的主處理器設計主要是FPGA最小系統+外圍接口驅動(dòng)電路的設計，FPGA設計包括硬件設計以及FPGA邏輯設計，對于FPGA邏輯設計本文只提出設計需求，具體如下： 1) 具備2個(gè)ADC控制器功能，ADC采用ADS8555； 2) 具備6路串口控制器功能，波特率可設置，收發(fā)緩存不小于32Byte； 3) 具備6路PWM輸出控制器功能； 4) 具備32路IO輸入輸出功能，輸入可識別脈沖頻率不小于5KHz； 5) 具備8路IIC和SPI接口控制器功能； 6) 具備與S698-T進(jìn)行交互的并行接口功能； 7) 時(shí)鐘資源：時(shí)鐘可采用S698-T的時(shí)鐘輸出作為FPGA時(shí)鐘輸入，同時(shí)FPGA外接33MHz晶振； 控制器模塊的協(xié)處理器的主要元器件選型如下： 1) FPGA：選用Altera FPGA； 2) 時(shí)鐘：有源晶振，33MHz； 3) ADC：選用ADS8555； 4) 光耦隔離：HCPL-2630； 5) RS232總線(xiàn)接口驅動(dòng)芯片：MAX3232ESE； 4.3電源供電設計 控制器模塊采用+12VDC供電，模塊內部需要用到的電源包括+5VDC、+3.3VDC、+2.5VDC、+1.2VDC，因此需要選用DC-DC模塊芯片進(jìn)行設計，具體選型如下： 1) 12V轉5V：LM2596T_5.0； 2) 5V轉3.3V：LT1963AMP-3.3V； 3) 5V轉2.5V：LT1963AMP-2.5V； 4) 5V轉1.2V：NCP565D2T12； 4.4 軟件設計 基于高可靠處理S698-T進(jìn)行多功能智能移動(dòng)平臺電控系統的設計，涉及到S698-T的控制軟件設計，在此我們引入了嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統（EOS）--RTEMS，利用珠海歐比特控制工程股份有限公司開(kāi)發(fā)的基于此操作系統的Orbita EOS嵌入式操作系統及其Orbita EOS 開(kāi)發(fā)工具，可大大提高軟件編程效率和可靠性，具體可參考（Orion4.0用戶(hù)手冊，www.myorbita.net）。 7 結束語(yǔ) 在當今人工智能的熱潮下，多功能智能移動(dòng)平臺的應用也日益廣泛，各種應用場(chǎng)景對其電控系統提出了多種多樣的要求，本文針對市面廣泛的需求，提出一種基于S698-T的多功能智能移動(dòng)平臺電控系統的設計方案，可兼容市面的各種需求，為后續多功能智能移動(dòng)平臺的設計提供一種有效的參考。 參考文獻： [1] 珠海歐比特控制工程股份有限公司．S698-T用戶(hù)手冊. www.myorbita.net, 2010 [2] 珠海歐比特控制工程股份有限公司．Rtems嵌入式操作系統用戶(hù)手冊. www.myorbita.net 2004 |
