智能湖面清扫机器人控制系统硬件设计(附件)【字数：6933】
本论文对基于TMS320LF2407A型DSP控制系统的智能湖面清扫机器人的硬件系统进行总体设计，包括DSP外围电路，控制系统中的DSP系统仿真接口电路，电平转换电路，DSP串行通信接口电路及DSP扩展存储器电路等的设计，以及智能湖面清扫机器人中电机控制的实现，并总结了DSP系统设计过程中应注意的问题。
目录
引言 3
一、智能湖面清洗机器人的系统概述 4
二、系统硬件总体设计 5
三、硬件模块设计 6
3.1 处理器模块 6
3.1.1 芯片选择TMS320LF2812DSP 6
3.1.2 DSP的电源供电 6
3.1.3 JTAG接口电路设计 7
3.1.4 复位电路 8
3.1.5 片外存储器 9
3.2 电机驱动模块 10
3.2.1 直流电机与交流电机的选择。 10
3.2.2 直流电机的控制原理 10
3.2.3 PWM调速原理 12
3.2.4 电机驱动电路的实现 14
3.3 速度检测模块 15
3.4 串行通信模块 16
3.5 ADC模块 18
3.6 传感器模块 18
3.7 硬件设计中需要注意的问题 19
总结 21
参考文献 22
致谢 23
引言
机器人是上个世纪最优秀的新型制造工具之一，是一种密集型电力集成产品，它具有自动化程度高，适应强，效率高，相对于人易管理等方面具有巨大的优势。一般机器人具有固定的操作能力且操作指令比较少的一种机器人。智能机器人则是一种具有超高的运算能力，能够独立思考，独立完成任务的智能设备。因此智能机器人简单地说是高性能的计算机，控制着各种硬件设备的协调工作。
这些年来人们一直都比较忽略了工业化带来经济不断发展的同时给环境造成了污染，并且人类赖以生存的水资源也不排除在外水资源的污染对人们的威胁是最大的，湖面可见各种 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
塑料垃圾，但是湖面的污染是很难去彻底根治的。那么我国关于一些清理水面污染物的设备还没有大量出现。
一、智能湖面清洗机器人的系统概述
在扫地机器人的结构设计的基础之上，如图1所示。湖面清洁智能机器人一般有以下4个部分，包括了船体，控制系统，动力驱动系统，垃圾仓及各种传感器，现在将一一阐述各个功能。一，首先它船体主要是由双体船构成，中间包括一个垃圾仓，并且垃圾仓的后面安装了电机，主要功能是控制吸力装置，使得水流可以匀速地向后，漂浮的垃圾就可以进入到后面的垃圾仓。完成垃圾收集的工作。二，控制系统主要通过DSP进行控制，接收一些视觉语音传感的信号输出，这些信号可以协调各个驱动电机。三，动力驱动系统主要来源是蓄电池，通过对其电压的调节，然后可以根据不同的速度前进。四，视觉系统主要通过视觉传感器反馈推测到的信息，然后可以知道物体位置。
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图 1湖面扫地机器人的基本结构
二、系统硬件总体设计
针对一些可以自行运动的机器人，我们一般根据它的动力学特性将这类机器人分为两种类型，一种类型根本不考虑动力学特性。根据他的实际运动轨迹以及我们期望的运动轨迹之间的偏差进行反馈来对它控制，这种方法一般俗称运动控制，这种方法的控制器一般使用的是PD和PID控制。但是对一些精度比较高的设备来说，其耗能较大且精度较低难以控制。另类方法俗称动态控制，这种方法就是根据机器人的动力学的特征来进行控制的，而且在这些方案当中无一例外都要进行动力学的计算。并且这种方法十分的复杂，需要很大量的计算，在实际操控中就有很大的难度。
控制系统是智能机器人工作的核心。用于指导电机完成对应的操作，然后收集垃圾的目的，那么我们为了使该机器人在实际工作当中可以更加合理规范的操作，这次采用的控制器具备了可以独立运算的功能。综合考虑选择了DSP控制器。主要是因为DSP控制器在各个领域他有更加广阔的前景，并且该芯片它的功能十分的强大，并且处理能力也是十分强的，另一方面也能简化外围电路的复杂度。
所以采用控制系统tms320lf2812 DSP。当我们选择马达的时候，应该选择直流电动机。其优点是；易于人工操作，而且速度可调。同时根据机器人的实际操作环境对各个模块也进行了调节，以便适应外围环境。如图2所示。
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图2机器人控制系统结构
三、硬件模块设计
湖面清洁智能机器人控制系统主要包括处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、串行通信模块和ADC模块，传感器模块。
3.1 处理器模块
3.1.1 芯片选择TMS320LF2812DSP
为了达到低功耗和高速度的目的，我最终找到了两种类型的DSP，分别是TMS320LF2812和TMS320LF2407A，他们有很大的共性。共同点是：基于电机控制开发出来的，都满足3.3v的电压供电。不同的是：TMS320F2812是TMS320LF2407A的升级版本,从最高40M跃升到TMS320F2812的150M，拥有更快的速度。
所以综合考虑，最终选择了速度更快，实时性更好的TMS320F2812，如图3所示。
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图 3主控芯片图
3.1.2 DSP的电源供电
TMS320lf2812的其它电源引脚除flash编程电源引脚外，均采用3.3v电压，由于考虑到外围电源一般为5V我们必须将其降到3.3V。我们思考之后得出了两种解决方法，一种是直接调到3.3V的电压。但是这种方法的缺点就是稳定性十分难以保障。第二种是通过专用芯片将5v电压降到3.3v。如图4所示是电源转换电路。
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图4电源转换电路
其中值得注意的是，要保证CPU内核比I/O先上电，后于I/O掉电，CPU内核与I/O供电之间的时间不能大于1秒钟，以免对硬件造成损害。
3.1.3 JTAG接口电路设计
由于TMS320LF2812工作频率更高，集成更复杂，外引线高、传统的并行仿真方案不适合TMS320LF2812的开发。TMS320LF2812具有一个5线JTAG串行模拟接口，用于扫描pin到pin的连续性，为硬件系统的在线模拟和测试提供了非常方便的条件。JTAG接口电路的原理如图5所示。
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引言 3
一、智能湖面清洗机器人的系统概述 4
二、系统硬件总体设计 5
三、硬件模块设计 6
3.1 处理器模块 6
3.1.1 芯片选择TMS320LF2812DSP 6
3.1.2 DSP的电源供电 6
3.1.3 JTAG接口电路设计 7
3.1.4 复位电路 8
3.1.5 片外存储器 9
3.2 电机驱动模块 10
3.2.1 直流电机与交流电机的选择。 10
3.2.2 直流电机的控制原理 10
3.2.3 PWM调速原理 12
3.2.4 电机驱动电路的实现 14
3.3 速度检测模块 15
3.4 串行通信模块 16
3.5 ADC模块 18
3.6 传感器模块 18
3.7 硬件设计中需要注意的问题 19
总结 21
参考文献 22
致谢 23
引言
机器人是上个世纪最优秀的新型制造工具之一，是一种密集型电力集成产品，它具有自动化程度高，适应强，效率高，相对于人易管理等方面具有巨大的优势。一般机器人具有固定的操作能力且操作指令比较少的一种机器人。智能机器人则是一种具有超高的运算能力，能够独立思考，独立完成任务的智能设备。因此智能机器人简单地说是高性能的计算机，控制着各种硬件设备的协调工作。
这些年来人们一直都比较忽略了工业化带来经济不断发展的同时给环境造成了污染，并且人类赖以生存的水资源也不排除在外水资源的污染对人们的威胁是最大的，湖面可见各种 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
塑料垃圾，但是湖面的污染是很难去彻底根治的。那么我国关于一些清理水面污染物的设备还没有大量出现。
一、智能湖面清洗机器人的系统概述
在扫地机器人的结构设计的基础之上，如图1所示。湖面清洁智能机器人一般有以下4个部分，包括了船体，控制系统，动力驱动系统，垃圾仓及各种传感器，现在将一一阐述各个功能。一，首先它船体主要是由双体船构成，中间包括一个垃圾仓，并且垃圾仓的后面安装了电机，主要功能是控制吸力装置，使得水流可以匀速地向后，漂浮的垃圾就可以进入到后面的垃圾仓。完成垃圾收集的工作。二，控制系统主要通过DSP进行控制，接收一些视觉语音传感的信号输出，这些信号可以协调各个驱动电机。三，动力驱动系统主要来源是蓄电池，通过对其电压的调节，然后可以根据不同的速度前进。四，视觉系统主要通过视觉传感器反馈推测到的信息，然后可以知道物体位置。
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图 1湖面扫地机器人的基本结构
二、系统硬件总体设计
针对一些可以自行运动的机器人，我们一般根据它的动力学特性将这类机器人分为两种类型，一种类型根本不考虑动力学特性。根据他的实际运动轨迹以及我们期望的运动轨迹之间的偏差进行反馈来对它控制，这种方法一般俗称运动控制，这种方法的控制器一般使用的是PD和PID控制。但是对一些精度比较高的设备来说，其耗能较大且精度较低难以控制。另类方法俗称动态控制，这种方法就是根据机器人的动力学的特征来进行控制的，而且在这些方案当中无一例外都要进行动力学的计算。并且这种方法十分的复杂，需要很大量的计算，在实际操控中就有很大的难度。
控制系统是智能机器人工作的核心。用于指导电机完成对应的操作，然后收集垃圾的目的，那么我们为了使该机器人在实际工作当中可以更加合理规范的操作，这次采用的控制器具备了可以独立运算的功能。综合考虑选择了DSP控制器。主要是因为DSP控制器在各个领域他有更加广阔的前景，并且该芯片它的功能十分的强大，并且处理能力也是十分强的，另一方面也能简化外围电路的复杂度。
所以采用控制系统tms320lf2812 DSP。当我们选择马达的时候，应该选择直流电动机。其优点是；易于人工操作，而且速度可调。同时根据机器人的实际操作环境对各个模块也进行了调节，以便适应外围环境。如图2所示。
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图2机器人控制系统结构
三、硬件模块设计
湖面清洁智能机器人控制系统主要包括处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、串行通信模块和ADC模块，传感器模块。
3.1 处理器模块
3.1.1 芯片选择TMS320LF2812DSP
为了达到低功耗和高速度的目的，我最终找到了两种类型的DSP，分别是TMS320LF2812和TMS320LF2407A，他们有很大的共性。共同点是：基于电机控制开发出来的，都满足3.3v的电压供电。不同的是：TMS320F2812是TMS320LF2407A的升级版本,从最高40M跃升到TMS320F2812的150M，拥有更快的速度。
所以综合考虑，最终选择了速度更快，实时性更好的TMS320F2812，如图3所示。
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图 3主控芯片图
3.1.2 DSP的电源供电
TMS320lf2812的其它电源引脚除flash编程电源引脚外，均采用3.3v电压，由于考虑到外围电源一般为5V我们必须将其降到3.3V。我们思考之后得出了两种解决方法，一种是直接调到3.3V的电压。但是这种方法的缺点就是稳定性十分难以保障。第二种是通过专用芯片将5v电压降到3.3v。如图4所示是电源转换电路。
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图4电源转换电路
其中值得注意的是，要保证CPU内核比I/O先上电，后于I/O掉电，CPU内核与I/O供电之间的时间不能大于1秒钟，以免对硬件造成损害。
3.1.3 JTAG接口电路设计
由于TMS320LF2812工作频率更高，集成更复杂，外引线高、传统的并行仿真方案不适合TMS320LF2812的开发。TMS320LF2812具有一个5线JTAG串行模拟接口，用于扫描pin到pin的连续性，为硬件系统的在线模拟和测试提供了非常方便的条件。JTAG接口电路的原理如图5所示。
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