基于ARM7的远程机器人控制系统的研制 - 机器人技术 - 电子

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<strong>1 总体方案设计</strong>

远程机器人控制系统由机器人智能控制模块、机器人监视模块、以及远程控制模块等三部分构成。其工作过程为远端PC机向机器人控制器发送控制命令，处理器接收到来自远端的命令，发送到控制器，控制器控制机器人运动；机器人监视系统，通过视频摄像头抓取现场图像，传送到远端，在远端PC上显示现场图像。其整体结构框图如图1所示。


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(1) 机器人智能控制模块：该部分是系统的核心。采用嵌入式系统设计，能够自动运行、处理数据，通过RS485总线管理和控制机器人监视模块。并且控制器通过 GPRS模块，实现机器人智能控制模块与外部网络的通讯，使用户可以通过短信和互联网等方式实现机器人智能控制模块的远程控制，同时，控制器还通过键盘和显示屏为用户提供人机界面，方便用户实现本地控制。

(2) 机器人监视模块：机器人监视模块通过单片机组成若干小的控制系统控制各驱动单元，并通过统一的控制总线将这些小的控制系统组成网络，连接到机器人智能控制模块，受机器人智能控制模块控制。

<strong>2 系统硬件设计</strong>

2．1 硬件系统结构

本文选用三星公司S3C4480芯片作为控制器的中心控制模块，负责和GPRS通信模块、机器人监视模块、数据存储、键盘、显示屏等模块进行通讯以及系统的数据采集和处理。主要分为两个部分：即机器人智能控制模块和机器人监视模块。

2．2 机器人智能控制模块的硬件设计

控制器的电路设计部分主要分为如下几个模块：

(1)ARM处理器S3C4480的外围电路模块：包括电源管理、键盘、显示屏以及SDRAM、Flash等数据及程序存储设备。

2)GPRS通信模块及其外围电路设计：GPRS模块用于实现远程用户与控制终端的数据传送，本文选用了西门子公司的MC35I模块。其外围电路设计主要完成了MC35模块的供电部分，数据传送、模块启动和关闭及工作模式指示等部分的电路设计。

(3)串口扩展：GPRS modem拨号上网需要处理器为其提供完整的9线串口，而S3C4480只提供了3线串口。因此本文通过外接双通道的通用异步收发器STl6C2550扩展了完整的9线串口扩展。

(4)RS485转换器：通过TI公司的RS485接口芯片75LBC184，实现了S3C4480(单片机)串行口的TTL电平与RS485电平之间的转换，该芯片的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在总线上连接64个节点。

2．2．1 ARM处理器的外围电路设计

2．2．1．1 开发板资源的使用

开发板提供了丰富的外部资源，下面对除了电源、时钟源、复位电路等必要配置外，系统使用到的部分资源作简要介绍：

外部存储器配置：2M Bytes Flash、8M Bytes SDRAM，为系统数据、程序和操作系统内核的存储和运行提供存储空间。

扩展网口：10M网口，RTL8019AS，该部分用于从PC机上下载操作系统内核和应用程序。

LCD接口(带LCD显示屏)：320X240，STN，16级灰度，最大可接640×480256色。

键盘：键盘和LCD接口用于为用户提供本地控制的人机交互界面。

串口：两个标准RS232接口。用于和PC机连接，通过超级终端进行系统调试。

JTAG接口：利用JTAG仿真器町以通过JTAG边界扫描口进行在线仿真。目前JTAG有两种标准，即14针接口和20针接口，开发板采用的是标准14 针JTAG接口，支持ARM7个系列处理器，支持STD，并口连接，支持网络调试功能。

2．2．1．2 系统存储器的分配

S3C4480支持数据存储的大／小端选择(通过外部引脚进行选择)；具有8个存储体，每个存储体可达32MB，总共可达256MB；对所有存储体的访问大小均可以改变(8位/16位／32位)；8个存储体中，Bank0~Bank5可以支持ROM、SDRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、 SRAM和SDRAM等；7个存储体的起始地址固定，1个存储体的起始地址可变。

开发板中Flash选用SST39VFl60，lM×16位，作为程序存储器主要用于替代ROM，必要时也可以存储部分重要数据。开发扳中SDRAM芯片选用HY57V641620，4M×16bit，存储容量为8MB。用SDRAM当作系统内存。

2．2．2 GPRS模块MC35及其外围电路设计

2. 2．2．1 MC35模块

MC35址Siemens公司推出的新一代无线通信GPRS模块，主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。

2．2．2．2 MC35外围电路设计

(1)MC35I 电源电路

模块要求单一电源供电，提供3．3V到4．87的电压(标准输入为4．27)，2A的电流。本文选用LM2576ADJ为模块提电源，该芯片为降压式开关电压调整器，电压的输入范围为：10～40V，选用12V(通过220V转12V变压器得到)输入，输出为1．5V。供电部分电路设计如图2所示。


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(2)启动和关机电路

启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。本文用程控方式实现，其电路图如图3所示，其简化电路如图4所示。


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第一种方式为手动控制方式，电路如图3所示，主要用于MC35I馍块的单独调试，当S1被按下时Q3基极为高电平，Q3导通，使IGT脚电压被拉低，肩动模块。

关机电路通过三极管给该脚一个大于3．5s的低电平，可以关闭GPRS模块。电路图设计与图3类似。

2．2．2．3 数据通信电路

电气特性方面MC35模块的串口采用的是ITU—TV．24协议，和RS232电平并不兼容。因此需要进行电平转换。本系统中我们使用TI公司的 MAX3238电平转换芯片。数据通信电路设计如图5所示。


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2．2．2．4 SIM卡电路

MC35I还提供了6个SIM卡电路接口，SIM卡读卡器的电路连接图如图6所示：


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2.2．3串口扩展模块

为了实现家庭智能控制器的网络远程拧制，需要通过GPRSmodemMC35实现拨号上网。本设计选用过AT公司的STl6C2550完成串口扩展，STl6C2550与ARM处理器的电路连接图如图7所示。


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此外，STl6C2550的串口输出为TTL电平，这里使用MAX3238将电平转化为串口的RS232电平。

2．2．4 RS485接口电路

本系统设计的家庭智能控制器，家庭内部网络布线采用RS485总线。由于ARM处理器4480和单片机(文中选用的Atmel公司的AT89C52)都没有提供现成的RS485总线接口，因此需要选择转换芯片实现接口的转换。本系统选用了TI公司生产的一利RS485接口芯片75LBCl84。

2．2．4．1 RS485接口电路设计

4480和单片机的串口输出都为TTL电平，因此4480和单片机与75LBCl84的连接电路一致，其电路图如图8所示。


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2．3 机器人监视模块

机器人监视系统集机器人动作控制、视频摄像头现场拍摄等多功能于一体。本文在机器人监视模块实现了机器人驱动单元模块、其他电机装置驱动单元模块，每个模块都由单片机作为控制器构成，并通过单片机连接RS485总线组成监视网络，并最终受到机器人智能控制器控制。

2．3．1 红外机器人驱动单元控制模块

红外机器人驱动单元控制模块主要用于控制内含有红外接收芯片的机器人。

2．3．1．1 红外发射电路设计

红外发射电路中采用的红外发射器件是塑封的TSAL6200红外发射二极管，红外脉冲串的宽度和间隔由单片机通过I／O口输出的高低电平的时间间隔来控制，调制电路是74LSl23的两个单稳态触发器U2A和U2B级联构成的可控振荡器。其电路图如图9所示。


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2．3．1. 2 红外接收电路设计

红外接收采用}tS0038B红外接收器，电路设计如图10所示。


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<strong>3 系统软件设计</strong>

系统的软件设计主要的分为三个部分：家庭系统模块的软件设计；RS485通讯协议设计及家庭智能控制器与家庭系统通讯的软件设计；家庭智能控制器的软件设计。其中，家庭智能控制器的软件设计是系统软件设计的核心，该部分的软件设计以嵌入式μClinux操作系统为开发平台，负责家庭系统的数据采集、数据处理，并且能够和远程用户通讯，实现远程控制，是实现对家庭系统的智能化管理的关键。系统的软件结构框图如图11所示。


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<strong>4 结论</strong>

利用本装置可以控制机器人监控系统，同时能通过短信等方式，实现对机器人的远程监控。

作者：菏泽学院机电工程系 侯建华 来源：电子技术2009 36(11)