多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)研究

 摘要：人工智能(AI)作為當(dāng)前研究的一個熱點，作為機器人的“腳”，多功能智能移動平臺被提出了新的要求，不但需要實現(xiàn)高靈活性的移動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”可以實現(xiàn)自動避障越障、自主進行路徑規(guī)劃、地圖構(gòu)建等功能。本文對多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)的性能需求、系統(tǒng)組成、詳細設(shè)計等進行了探討，基于高可靠處理器S698-T芯片進行設(shè)計，提出了良好的解決方案。

關(guān)鍵詞：人工智能(AI);S698-T;智能移動平臺;機器人

The research of multi-functional intelligent mobile platform electronic control system

Wenyue Dong,Guowei Lin,Wenhai Liang

(ZhuHai Orbita Control Engineering Inc. Guangdong, Zhuhai, 519080)

Abstract: Artificial intelligence (AI) as a hotspot in the research of the current. As the robot's "feet", multi-functional intelligent mobile platform was put forward the new requirements, Not only to achieve the high flexibility of mobile ability and good capability of obstacle, but also demand of various sensors. To realize automatic obstacle avoidance obstacle, autonomous for route planning, map building by the robot's control system. The multifunctional intelligent mobile platform performance requirements of the electric control system, system composition, and detailed design are discussed in this paper. The design based on the high reliability chip "S698-T" to put forward a good solution.

Key words: Artificial intelligence (AI), S698-T, Intelligent mobile platform, robot

1 引言

近年來人工智能(AI)已成為國際上技術(shù)創(chuàng)新研究的一個熱點，各種工業(yè)機器人、服務(wù)機器人等機器人產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，而作為機器人的“腳”，機器人移動平臺也要具備豐富的功能和高度的智能化，不但需要實現(xiàn)高靈活性的移動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”可以實現(xiàn)自動避障越障、自主進行路徑規(guī)劃、地圖構(gòu)建等功能。

多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)作為機器人移動平臺的“神經(jīng)中樞”，是實現(xiàn)機器人移動平臺智能化設(shè)計的關(guān)鍵設(shè)計。本文分析多功能智能移動平臺的功能性能需求，基于高可靠嵌入式處理器S698-T芯片，提出一個多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)的設(shè)計方案，為各種機器人移動平臺的設(shè)計提供一個良好的解決方案。

2 系統(tǒng)需求

根據(jù)機器人移動平臺功能、性能要求，電控系統(tǒng)擬采用PC+嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩個部分組成，上位機采用PC+傳感器實現(xiàn)，下位機基于高可靠嵌入式SPARC架構(gòu)處理器S698-T設(shè)計，上位機與下位機之間采用RS422總線進行數(shù)據(jù)/命令交互，預(yù)留CAN2.0總線通訊接口。

2.1 上位機性能需求

上位機作為多功能智能移動平臺的“大腦”，主要實現(xiàn)多功能智能移動平臺的視覺功能、地圖構(gòu)建以及導(dǎo)航等功能。

上位機要求采用Intel -X86 i5以上CPU的工業(yè)級嵌入式主板實現(xiàn)，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(nèi)/外)傳感器、相機(預(yù)留)、CAN總線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平臺的指令執(zhí)行控制以及部分傳感器的輸入采集處理平臺，主要實現(xiàn)電機驅(qū)動控制功能以及紅外測距、超聲波測距等傳感器輸入?yún)?shù)采集處理功能，并通過RS422總線(備用CAN總線)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(nèi)存：SRAM：1Mbit，F(xiàn)LASH：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TTL3.3V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TTL3.3V的RS232接口，波特率可配置(4800bps ～ 115200bps);

7、提供3路慣導(dǎo)單元IMU的輸入接口，接口要求為I2C接口，預(yù)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路電機剎車信號)用于控制電機驅(qū)動，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總線接口以及2路RS422總線接口，用于與上位機通訊;

11、提供對上位機進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(yù)留RS232接口;

14、工作溫度：-40℃～+60℃;

3 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，電控系統(tǒng)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;

2、CAN總線模塊：1個;

3、二維/三維激光(室內(nèi)/外)傳感器：1個;

4、相機(預(yù)留)：1個;

下位機包含以下組成部分：

1、基于S698-T+FPGA控制器模塊：1個;

2、紅外測距傳感器：7個;

3、超聲波測距傳感器：6個;

4、GPS模塊：1個;

5、慣導(dǎo)單元IMU：3個;

6、電機及驅(qū)動模塊：6組;

4 系統(tǒng)設(shè)計

本電控系統(tǒng)的上位機主要涉及到硬件選型以及軟件開發(fā)，本文暫不對其設(shè)計展開詳述，主要對下位機的設(shè)計方案進行詳述。

下位機主要由主控制器模塊以及電機驅(qū)動、超聲波傳感器、紅外傳感器、慣導(dǎo)模塊等周邊相關(guān)外設(shè)組成，其中主控制器模塊基于S698-T設(shè)計，具體方案如下：

圖2 基于S698-T+FPGA的控制器模塊系統(tǒng)框圖

如圖2所示，下位機主控制器模塊采用S698-T+FPGA的架構(gòu)，S698-T作為主處理器，其外圍設(shè)計SRAM、FLASH、硬件看門狗復(fù)位、時鐘等模塊，構(gòu)成一個S698-T的最小系統(tǒng)，再根據(jù)外圍接口需要，使用S698-T片內(nèi)的4路RS232總線接口以及2路CAN總線接口，實現(xiàn)2路RS232接口、2路RS422接口以及2路CAN總線接口。

控制器模塊采用FPGA作為協(xié)處理器，并通過并行總線將FPGA掛接在S698-T的IO空間上，實現(xiàn)與S698-T的協(xié)同處理。FPGA根據(jù)系統(tǒng)功能需要，片內(nèi)設(shè)計了兩個ADC控制器、6路串行總線控制器、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，同時外接相關(guān)驅(qū)動電路實現(xiàn)系統(tǒng)的接口需求。

控制器模塊采用12V DC供電，板上設(shè)計有DC-DC電源模塊，實現(xiàn)12VDC到+1.2VDC、+2.5VDC、+3.3VDC、+5VDC的轉(zhuǎn)換，供板上相關(guān)器件使用。

4.1 主處理器設(shè)計

控制器模塊的主處理器設(shè)計主要是S698-T最小系統(tǒng)+外圍接口驅(qū)動電路的設(shè)計，S698-T最小系統(tǒng)主要包括S698-T、SRAM、FLASH、硬件看門狗復(fù)位電路、時鐘電路以及調(diào)試用的DSU接口電路。

高可靠處理器S698-T簡介：

1、采用哈弗體系結(jié)構(gòu)(Harvard architecture);

2、具備整型單元(IU：Integer Unit)：

Ø 32位RISC，采用SPARC V8(IEEE-1754)指令集;

Ø 5級指令流水(預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、存儲、回寫);

Ø 具有硬件乘法器和硬件除法器;

Ø 支持MAC和UMAC等DSP指令;

3、浮點處理單元(FPU：Floating Point Unit)

Ø 遵循IEEE-754標(biāo)準(zhǔn);

Ø 支持單/雙精度;

4、具有彼此分離的大容量指令Cache 32K Bytes和數(shù)據(jù)Cache 16K Bytes;

5、片內(nèi)總線遵循AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn)，采用AHB總線聯(lián)接片內(nèi)高速設(shè)備，采用APB總線聯(lián)接片內(nèi)低速設(shè)備;

6、在線硬件調(diào)試支持單元(DSU：Debug Support Unit)：

Ø 無需外置仿真器的支持即可實現(xiàn)硬件在線直接調(diào)試;

Ø 可實現(xiàn)對內(nèi)部資源(如寄存器、用戶可用RAM等)的操作;

Ø 可實現(xiàn)程序斷點設(shè)置;

7、集成存儲器控制器(MCTRL：Memory Controller)：

Ø 支持外部SRAM、SDRAM、ROM 以及MAP I/O等類型的存儲器;

Ø SRAM、ROM及MAP I/O的數(shù)據(jù)總線寬度可通過軟件配置成32/16/8 位三種模式;

Ø SRAM、ROM及MAP I/O的存取時間參數(shù)可配置;

Ø 支持5個SRAM Bank、2個SDRAM Bank、2個ROM Bank、1個IO Bank;

Ø 尋址空間2048M Bytes;

Ø ROM尋址空間：512M Bytes;

Ø MAP I/O尋址空間：512M Bytes;

Ø SRAM/SDRAM尋址空間：1024M Bytes;

8、集成1553B 、ARINC429、CAN、串口等數(shù)據(jù)總線控制器;

9、集成多功能IO接口(MFIO)：

Ø 集成16路獨立的多功能IO接口;

Ø 各路的輸入或輸入方向可以獨立配置;

Ø 各路均可以輸出周期、占空比、電平極性、脈沖數(shù)目等參數(shù)可調(diào)的PWM信號;

Ø 各路均具有輸入脈沖計數(shù)功能;

10、集成定時器、看門狗、ADC、DAC等模塊;

11、生產(chǎn)工藝：130nm CMOS;

12、工作頻率：

Ø 最高主頻(IUCLK)：200MHz;

Ø 最高外頻(SYSCLK)：100MHz;

13、處理能力：

Ø 180MIPS@200MHz;

Ø 55MFLOPS(Double Precision)@200MHz;

14、峰值功耗：不高于1.5W@200MHz;

15、電源電壓

Ø 3.3V±0.3V(IO);

Ø 1.2V±0.1V(CORE);

16、工作環(huán)境溫度

Ø 工業(yè)級-40℃～+85℃(塑封PBGA352);

Ø 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) 看門狗：TPS3813K33MDBVREP;

5) 時鐘：有源晶振，10MHz;

6) DSU接口/RS232總線接口驅(qū)動芯片：MAX3232ESE;

7) CAN總線驅(qū)動芯片：TJA1042t;

8) RS422總線驅(qū)動芯片：MAX488ESA;

9) 上位機電源控制開關(guān)：選用歐姆龍繼電器G6k-2F;

4.2 協(xié)處理器設(shè)計

控制器模塊的主處理器設(shè)計主要是FPGA最小系統(tǒng)+外圍接口驅(qū)動電路的設(shè)計，F(xiàn)PGA設(shè)計包括硬件設(shè)計以及FPGA邏輯設(shè)計，對于FPGA邏輯設(shè)計本文只提出設(shè)計需求，具體如下：

1) 具備2個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(shè)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進行交互的并行接口功能;

7) 時鐘資源：時鐘可采用S698-T的時鐘輸出作為FPGA時鐘輸入，同時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) 時鐘：有源晶振，33MHz;

3) ADC：選用ADS8555;

4) 光耦隔離：HCPL-2630;

5) RS232總線接口驅(qū)動芯片：MAX3232ESE;

4.3電源供電設(shè)計

控制器模塊采用+12VDC供電，模塊內(nèi)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模塊芯片進行設(shè)計，具體選型如下：

1) 12V轉(zhuǎn)5V：LM2596T_5.0;

2) 5V轉(zhuǎn)3.3V：LT1963AMP-3.3V;

3) 5V轉(zhuǎn)2.5V：LT1963AMP-2.5V;

4) 5V轉(zhuǎn)1.2V：NCP565D2T12;

4.4 軟件設(shè)計

基于高可靠處理S698-T進行多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)的設(shè)計，涉及到S698-T的控制軟件設(shè)計，在此我們引入了嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(EOS)--RTEMS，利用珠海歐比特控制工程股份有限公司開發(fā)的基于此操作系統(tǒng)的Orbita EOS嵌入式操作系統(tǒng)及其Orbita EOS 開發(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用戶手冊，www.myorbita.net)。

7 結(jié)束語

在當(dāng)今人工智能的熱潮下，多功能智能移動平臺的應(yīng)用也日益廣泛，各種應(yīng)用場景對其電控系統(tǒng)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的多功能智能移動平臺電控系統(tǒng)的設(shè)計方案，可兼容市面的各種需求，為后續(xù)多功能智能移動平臺的設(shè)計提供一種有效的參考。