基于ARM7的遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制

1 總體方案設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人智能控制模塊、機(jī)器人監(jiān)視模塊、以及遠(yuǎn)程控制模塊等三部分構(gòu)成。其工作過(guò)程為遠(yuǎn)端PC機(jī)向機(jī)器人控制器發(fā)送控制命令，處理器接收到來(lái)自遠(yuǎn)端的命令，發(fā)送到控制器，控制器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人監(jiān)視系統(tǒng)，通過(guò)視頻攝像頭抓取現(xiàn)場(chǎng)圖像，傳送到遠(yuǎn)端，在遠(yuǎn)端PC上顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

    (1) 機(jī)器人智能控制模塊：該部分是系統(tǒng)的核心。采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485總線管理和控制機(jī)器人監(jiān)視模塊。并且控制器通過(guò)GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能控制模塊與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊，使用戶可以通過(guò)短信和互聯(lián)網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能控制模塊的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，控制器還通過(guò)鍵盤和顯示屏為用戶提供人機(jī)界面，方便用戶實(shí)現(xiàn)本地控制。
    (2) 機(jī)器人監(jiān)視模塊：機(jī)器人監(jiān)視模塊通過(guò)單片機(jī)組成若干小的控制系統(tǒng)控制各驅(qū)動(dòng)單元，并通過(guò)統(tǒng)一的控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到機(jī)器人智能控制模塊，受機(jī)器人智能控制模塊控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文選用三星公司S3C4480芯片作為控制器的中心控制模塊，負(fù)責(zé)和GPRS通信模塊、機(jī)器人監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤、顯示屏等模塊進(jìn)行通訊以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理。主要分為兩個(gè)部分：即機(jī)器人智能控制模塊和機(jī)器人監(jiān)視模塊。
2．2 機(jī)器人智能控制模塊的硬件設(shè)計(jì)
    控制器的電路設(shè)計(jì)部分主要分為如下幾個(gè)模塊：
    (1)ARM處理器S3C4480的外圍電路模塊：包括電源管理、鍵盤、顯示屏以及SDRAM、Flash等數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)設(shè)備。
    (2)GPRS通信模塊及其外圍電路設(shè)計(jì)：GPRS模塊用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶與控制終端的數(shù)據(jù)傳送，本文選用了西門子公司的MC35I模塊。其外圍電路設(shè)計(jì)主要完成了MC35模塊的供電部分，數(shù)據(jù)傳送、模塊啟動(dòng)和關(guān)閉及工作模式指示等部分的電路設(shè)計(jì)。
    (3)串口擴(kuò)展：GPRS modem撥號(hào)上網(wǎng)需要處理器為其提供完整的9線串口，而S3C4480只提供了3線串口。因此本文通過(guò)外接雙通道的通用異步收發(fā)器STl6C2550擴(kuò)展了完整的9線串口擴(kuò)展。
    (4)RS485轉(zhuǎn)換器：通過(guò)TI公司的RS485接口芯片75LBC184，實(shí)現(xiàn)了S3C4480(單片機(jī))串行口的TTL電平與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換，該芯片的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在總線上連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)。
2．2．1 ARM處理器的外圍電路設(shè)計(jì)
2．2．1．1 開發(fā)板資源的使用
    開發(fā)板提供了豐富的外部資源，下面對(duì)除了電源、時(shí)鐘源、復(fù)位電路等必要配置外，系統(tǒng)使用到的部分資源作簡(jiǎn)要介紹：
    外部存儲(chǔ)器配置：2M Bytes Flash、8M Bytes SDRAM，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)、程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的存儲(chǔ)和運(yùn)行提供存儲(chǔ)空間。
    擴(kuò)展網(wǎng)口：10M網(wǎng)口，RTL8019AS，該部分用于從PC機(jī)上下載操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。
    LCD接口(帶LCD顯示屏)：320X240，STN，16級(jí)灰度，最大可接640×480256色。
    鍵盤：鍵盤和LCD接口用于為用戶提供本地控制的人機(jī)交互界面。
    串口：兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口。用于和PC機(jī)連接，通過(guò)超級(jí)終端進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。
    JTAG接口：利用JTAG仿真器町以通過(guò)JTAG邊界掃描口進(jìn)行在線仿真。目前JTAG有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口，開發(fā)板采用的是標(biāo)準(zhǔn)14針JTAG接口，支持ARM7個(gè)系列處理器，支持STD，并口連接，支持網(wǎng)絡(luò)調(diào)試功能。
2．2．1．2 系統(tǒng)存儲(chǔ)器的分配[!--empirenews.page--]
    S3C4480支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的大／小端選擇(通過(guò)外部引腳進(jìn)行選擇)；具有8個(gè)存儲(chǔ)體，每個(gè)存儲(chǔ)體可達(dá)32MB，總共可達(dá)256MB；對(duì)所有存儲(chǔ)體的訪問(wèn)大小均可以改變(8位/16位／32位)；8個(gè)存儲(chǔ)體中，Bank0~Bank5可以支持ROM、SDRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和SDRAM等；7個(gè)存儲(chǔ)體的起始地址固定，1個(gè)存儲(chǔ)體的起始地址可變。
    開發(fā)板中Flash選用SST39VFl60，lM×16位，作為程序存儲(chǔ)器主要用于替代ROM，必要時(shí)也可以存儲(chǔ)部分重要數(shù)據(jù)。開發(fā)扳中SDRAM芯片選用HY57V641620，4M×16bit，存儲(chǔ)容量為8MB。用SDRAM當(dāng)作系統(tǒng)內(nèi)存。
2．2．2 GPRS模塊MC35及其外圍電路設(shè)計(jì)
2 2．2．1 MC35模塊
    MC35址Siemens公司推出的新一代無(wú)線通信GPRS模塊，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。
2．2．2．2 MC35外圍電路設(shè)計(jì)
    (1)MC35I 電源電路
    模塊要求單一電源供電，提供3．3V到4．87的電壓(標(biāo)準(zhǔn)輸入為4．27)，2A的電流。本文選用LM2576ADJ為模塊提電源，該芯片為降壓式開關(guān)電壓調(diào)整器，電壓的輸入范圍為：10～40V，選用12V(通過(guò)220V轉(zhuǎn)12V變壓器得到)輸入，輸出為1．5V。供電部分電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

    (2)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)電路
    啟動(dòng)電路由開漏極三極管和上電復(fù)位電路組成。本文用程控方式實(shí)現(xiàn)，其電路圖如圖3所示，其簡(jiǎn)化電路如圖4所示。

    第一種方式為手動(dòng)控制方式，電路如圖3所示，主要用于MC35I饃塊的單獨(dú)調(diào)試，當(dāng)S1被按下時(shí)Q3基極為高電平，Q3導(dǎo)通，使IGT腳電壓被拉低，肩動(dòng)模塊。
    關(guān)機(jī)電路通過(guò)三極管給該腳一個(gè)大于3．5s的低電平，可以關(guān)閉GPRS模塊。電路圖設(shè)計(jì)與圖3類似。
2．2．2．3 數(shù)據(jù)通信電路
    電氣特性方面MC35模塊的串口采用的是ITU—TV．24協(xié)議，和RS232電平并不兼容。因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中我們使用TI公司的MAX3238電平轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2．2．2．4 SIM卡電路
    MC35I還提供了6個(gè)SIM卡電路接口，SIM卡讀卡器的電路連接圖如圖6所示：

2.  2．3串口擴(kuò)展模塊
    為了實(shí)現(xiàn)家庭智能控制器的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程擰制，需要通過(guò)GPRSmodemMC35實(shí)現(xiàn)撥號(hào)上網(wǎng)。本設(shè)計(jì)選用過(guò)AT公司的STl6C2550完成串口擴(kuò)展，STl6C2550與ARM處理器的電路連接圖如圖7所示。

    此外，STl6C2550的串口輸出為TTL電平，這里使用MAX3238將電平轉(zhuǎn)化為串口的RS232電平。
2．2．4 RS485接口電路
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的家庭智能控制器，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)布線采用RS485總線。由于ARM處理器4480和單片機(jī)(文中選用的Atmel公司的AT89C52)都沒(méi)有提供現(xiàn)成的RS485總線接口，因此需要選擇轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)接口的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用了TI公司生產(chǎn)的一利RS485接口芯片75LBCl84。
2．2．4．1 RS485接口電路設(shè)計(jì)
    4480和單片機(jī)的串口輸出都為TTL電平，因此4480和單片機(jī)與75LBCl84的連接電路一致，其電路圖如圖8所示。

2．3 機(jī)器人監(jiān)視模塊
    機(jī)器人監(jiān)視系統(tǒng)集機(jī)器人動(dòng)作控制、視頻攝像頭現(xiàn)場(chǎng)拍攝等多功能于一體。本文在機(jī)器人監(jiān)視模塊實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元模塊、其他電機(jī)裝置驅(qū)動(dòng)單元模塊，每個(gè)模塊都由單片機(jī)作為控制器構(gòu)成，并通過(guò)單片機(jī)連接RS485總線組成監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，并最終受到機(jī)器人智能控制器控制。
2．3．1 紅外機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元控制模塊
    紅外機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元控制模塊主要用于控制內(nèi)含有紅外接收芯片的機(jī)器人。[!--empirenews.page--]
2．3．1．1 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)
    紅外發(fā)射電路中采用的紅外發(fā)射器件是塑封的TSAL6200紅外發(fā)射二極管，紅外脈沖串的寬度和間隔由單片機(jī)通過(guò)I／O口輸出的高低電平的時(shí)間間隔來(lái)控制，調(diào)制電路是74LSl23的兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U2A和U2B級(jí)聯(lián)構(gòu)成的可控振蕩器。其電路圖如圖9所示。

2．3．1. 2 紅外接收電路設(shè)計(jì)
    紅外接收采用}tS0038B紅外接收器，電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要的分為三個(gè)部分：家庭系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計(jì)；RS485通訊協(xié)議設(shè)計(jì)及家庭智能控制器與家庭系統(tǒng)通訊的軟件設(shè)計(jì)；家庭智能控制器的軟件設(shè)計(jì)。其中，家庭智能控制器的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心，該部分的軟件設(shè)計(jì)以嵌入式μClinux操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，負(fù)責(zé)家庭系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，并且能夠和遠(yuǎn)程用戶通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，是實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭系統(tǒng)的智能化管理的關(guān)鍵。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。

4 結(jié)論
    利用本裝置可以控制機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)能通過(guò)短信等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。