机器人的控制器

• 4. 1. 1 68HC11E1微控制器
• 68HC11E1微控制器由CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、 A/D、并行I/O口及中断和复位系统组成，如图4-3所示。
• 1.片内存储器
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4. 1 68HC11E1控制器
• 68HC11E1微控制器无内部ROM，只有512字节EEPROM和可重定 位的256字节RAM。
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4. 2 LPC2132控制器
• AS-UⅢ是能力风暴大学版机器人，是专门为大学进行课程教学、工 程训练、科技创新的新一代智能移动机器人。 AS-UⅢ有功能强大的 微处理系统和传感器系统，而且它还能扩展听觉、视觉和触觉，是真 正意义上的智能机器人，其外形如图4-13所示。
• 能力风暴AS-UⅢ采用NXP公司的LPC2132微处理器为控制核心。 • LPC2132是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位微控制器，
• 2.定时器和脉冲电路 • 16位高性能定时器系统，8M晶振，定时器频率为2MHz(周期0.
5µs) ,3个输入捕捉，可测量脉冲数量，脉冲周期、宽度和相位等;5个 输出比较，可输出PWM信号，可以完成各种定时控制功能，有定时 器溢出中断功能。能力风暴AS-MⅡ中用输入捕捉计数码盘信号，利 用输出比较功能控制直流电机。 • 3.串行口 • 串行口主要有串行通信接口SCI和全双工同步串行外围接口SPI两种 形式，其中，串行通信接口SCI主要用于和PC机通信;
• 未使用扩展电池电机的供电是由系统电源提供的，而使用扩展电池电 机供电时，系统电源只为主板电路提供电能。主板上有两个电池连接 插座，扩展电池接口只用来为电机(两只轮子驱动电机、MDCA3直流 电机、伺服电机)提供电源，使用时要将主板左下角的短路跳线帽从 SBAT(扩展电池)位置移到BEXT(使用扩展电池)位置，这时所有电机 的电源都来自扩展电池。
• 直流电机在一定电压下，转速与转矩成反比;如果改变电压，则转速 转矩会随电压的升降而升降(如图4-11所示)。
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4. 1 68HC11E1控制器
• 通过改变电机电压的方式来改变电机的转速。机器人提供给电机的信 号是方波，其中不同方波的平均电压不同(如图4-12所示)，我们就利 用这一点来进行能力风暴智能机器人的速度控制。采用不同的脉宽调 节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)。 PAS,PA6分别给SN754410发脉宽调制信号， 通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。SN754410每路电 机控制输出为1A，并有超载保护功能。
• 使用在应用编程的应用程序也可以在应用程序运行时对Flash进行擦 除和(或)编程，这样就为数据存储和现场固件的升级带来了极大的灵 活性。如果LPC2131/2132/2138使用了片内引导装载程序 (bootloader) ,64 KB的Flash存储器就可用来存放用户代码。 LPC2132的Flash存储器至少可擦除/编程10 000次，保存数据的时间 可长达10年。
• 1)标准32位ARM指令集 • 2) 16位THUMB指令集
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4. 2 LPC2132控制器
• THUMB指令集的16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密 度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，这些优势是16位寄存 器的16位处理器所不具备的。
• 4. 2. 2片内存储器
• 地址空间与8个读/写控制线见表4-1。 • 2. 68HC11E1地址空间的分配 • 以能力风暴AS-UⅡ智能机器人为例，操作系统ASOS放在高端内存
10K左右，往下到8 000之上有近20 K左右是用户程序空间。在下载 用户程序的时候，会显示编译后代码有多少字节和存放的位置，如图 4-7所示。
• 4.1.3电源与复位电路
• 能力风暴AS-MⅡ控制板采用Maxim603稳压芯片，提供500 mA , 5 V 电压，该芯片自身的功耗很低。
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4. 1 68HC11E1控制器
• 低电压复位保护电路采用DS1233 D-10，当电压低于4. 5 V时，将产 生复位信号，同时红色RST发光二极管变亮，如图4-8所示。
第4章 机器人的控制器
• 4. 1 68HC11E1控制器 • 4. 2 LPC2132控制器 • 4. 3 ARM Cortex-M3控制器 • 4. 4 ATmega128控制器
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4. 1 68HC11E1控制器
• 68HC11E1微处理器由美国摩托罗拉公司生产研发，功能齐全。其具 有8个模拟口 ,5个输入捕捉、3个PWM输出、16位地址和8位数据总 线，以及4个通用I/O口。同时，68HC11E1的自下载功能使用户方便 软件开发。上海广茂达公司生产的能力风暴AS-MⅡ就是以68HC11E 1微处理器作为机器人的控制器核心。常见芯片的封装形式有两种— 双列直插(DIP)和塑料扁平封装(PLCC)，如图4-1和图4-2所示。
• 2.片内静态RAM • 片内静态RAM(SRAM)可用作代码和(或)数据的存储，其支持8位、
16位和32位的访问。LPC2131/2132/2138含有16KB的静态RAM , LPC2132 SRAM是一个字节寻址的存储器。
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4. 2 LPC2132控制器
• 对存储器进行字和半字访问时将忽略地址对准，而访问被寻址的自然 对准值(因此，对存储器进行字访问时将忽略地址位0和1，半字访问 时将忽略地址位0)。因此，有效的读写操作要求半字数据访问的地址 线0为0(地址以0,2,4,6,8,A,C和E结尾)，字数据访问的地址线0和1都 为0(地址以0,4,8和C结尾)。该原则同样用于片外和片内存储器。
• 4.2.1 ARM7TDMI-S处理器
• ARM7TDMI-S是通用的32位微处理器，具有高性能和低功耗的特性。
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4. 2 LPC2132控制器
• ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC原理而设计的，其指令集和 相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多，这样使用一个小的、 廉价的处理器内核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。由 于使用了流水线技术，其处理和存储系统的所有部分都可连续工作。 通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令 从存储器中取出。ARM7TDMI-S处理器使用了一个被称为THUMB的 独特结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代 码密度的大批量产品的应用。在THUMB后面一个关键的概念是“超 精简指令集”。基本上，ARM7TDMI-S处理器具有两个指令集:
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4. 1 68HC11E1控制器
• 5.并行I/ O口 • 单片方式工作时，有38个I/O 口;扩展方式时，有8位数据单线和16位
地址总线，可扩展64 K存储器。 • 6.复位系统和电源 • 计算机有多种复位方式:上电自动复位;外部RESET复位;看门狗复位
(软件工作不正常时);时钟监视复位。 • 7. 68HC11E1管脚 • 68HC11E1管脚的一大特色是功耗低，其工作电流小于15 mA，有
• LPC2132包含一个支持仿真的ARM7TDMI-SCPU、与片内存储器控 制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线 (AHB)和连接片内外设功能的VLSI外设总线(VPB,ARMAMBA总线的 兼容超集)。
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4. 2 LPC2132控制器
• LPC2132将ARM7TDMI-S配置为小端(little-endian)字节顺序。AHB 外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节ARM存储器空间的顶 端。每个AHB外设都分配了16K字节的地址空间，2132的外设功能 (中断控制器除外)都连接到VPB总线，AHB到VPB的桥将VPB总线与 AHB总线相连。VPB外设也分配了2M字节的地址范围，其从3. SGB 地址点开始。每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16 KB的地址 空间。片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制，该模块必须 由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。
• 1.片内Flash程序存储器 • LPC2132含有64 KB的Flash存储器系统，该存储器可用作代码和数
据的存储。对Flash存储器的编程可通过几种方法来实现:通过内置的 串行JTAG接口;通过在系统编程(ISP)和UARTO，或通过在应用编程 (IAP )。
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4. 2 LPC2132控制器
• 护功能。 • 1.选址和并行口扩展 • 32K RAM用了A0~A14共15根地址线，构成32K的地址空间，A15为
高电平时和E,RESET等信号复合片选32K RAM，因此，32K RAM的 地址空间为0X8000 - OXFFFF。
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• 另一根地址线A15和其余地址线及读/写线复合扩展4个输入控制线和 4个输出控制线，如图4-6所示。
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4. 1 68HC11E1控制器
• 4.1.4通信
• 能力风暴AS-MⅡ采用MAX202串口驱动芯片，PC发过来的信号经过 U4E和U4F去驱动SCI发光二极管，因此，PC传数据给能力风暴时， 黄色SCI发光二极管会闪动，如图4-9所示。
• 4.1.5电机驱动电路
• 电机采用直流电机驱动芯片U7(SN754410)进行驱动，其连接电路如 图4-10所示。
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4. 1 68HC11E1控制器
• 全双工同步串行外围接口SPI(如图4-4所示)，Motorola单片机独有的 串口标准，速度可达2Mbps以上，主要用于扩展外围芯片和多机通 信。
• 4. A/D转换器 • 8个输入通道和四个转换结果寄存器，具有一次完成四路A/D转换或
连续对同一路采样转换4次的功能，其中后一种功能可以方便实施去 掉最大、最小、取均位的滤波方法。碰触开关变量和声音信号等均可 以使用A/D转换器，且非常方便，这也是68HC11E1微控制器的特色。 共有16个硬件中断和两个软件中断，它们各有独立的中断向量和中断 允许位，响应中断时能自动保护所有的CPU寄存器。具有实时中断电 路，可每隔指定的时间产生一次中断。
并带有64 KB的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的 加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行;对代码规模有严格 控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性 能的损失却很小;
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4. 2 LPC2132控制器
• LQFP64封装和极低的功耗可使LPC2132理想地用于小型系统中;宽 范围的串行通信接口和片内16 KB的SRAM使LPC2132非常适用于通 信网关、协议转换器、软Modern、声音辨别和低端成像，并为它们 提供巨大的缓冲区空间和强大的处理功能;多个32位定时器、8路10位 ADC ,1路10位DABaidu Nhomakorabea ,PWM通道和47个GPIO以及多达9个边沿或电平 触发的外部中断使其特别适用于工业控制和医疗系统。
WAIT和STOP两种省电模式)68HC11E1管脚如图4-5所示。
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4. 1 68HC11E1控制器
• 4.1.2外部存储器
• 在68HC11E1微控制器上扩展了32 K的静态不挥发RAM，其优点是 既具有静态RAM的速度(70ns)，又有EEPROM或FlashRom的掉电 不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯片。AS62256写入的数 据可保存10年以上，同时具有可靠的上电、掉电、强静电等数据保
• SRAM控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止CPU在连续的写操作 时停止运行。回写缓冲区总是保存着软件发送到SRAM的最后一个字 节，且该数据只有在软件请求下一次写操作时才写入SRAM(数据只 有在软件执行另外一次写操作时被写入SRAM )。
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4. 2 LPC2132控制器
• 如果发生芯片复位，则实际的SRAM内容将不会反映最近一次的写请 求(即在一次“热”芯片复位后，SRAM不会反映最后一次写入的内 容)，任何在复位后检查SRAM内容的程序都必须注意这一点。通过 对一个单元执行两次相同的写操作可保证复位后数据的写入，或也可 通过在进入空闲或掉电模式前执行虚写(dummy write)操作来保证最 后的数据在复位后被真正写入到SRAM。其功能框如图4-14所示。